关于芯片设计的前端设计实现

绪论

经过了前面的文档、编码、验证阶段，我们手头已经有了没有错误的RTL代码。这一章我们把这些RTL代码转化成后端的输入：网表（Netlist，综合工具自动将RTL翻译成与或非门，用于实现）。这个步骤主要是有工具来完成的，我们知道流程就行。

说是实现，其实包含了DFT (Design For Test)三板斧的插入、DC综合以及形式验证。算是芯片设计里承上启下的一个流程。我此处把它归到前端里了，也有归到后端的，或者单拎出来让DFT工程师专门做的。插句额外的话，此处只是简单列了DFT的基本原理，实际上DFT也和验证一样是个有自己神奇而独特技术栈的活，有专门的工程师工种叫DFT工程师。

一 DFT-F1: 插入BIST

BIST（Build-in-self test）是内建自测试的意思。又分为MBIST和LBIST。

MBIST （Memory build-in-self test）, 指的是存储内建自测试。这个原理上讲起来比较容易，就是在SRAM周边加上一些测试逻辑。Memory通常来讲在芯片中占据的面积比较大，也容易出错，所以加上专门的测试逻辑。这个地方需要区分MBIST和ATE (Auto-Test-Equipment， 我们后面讲芯片封装测试的时候讲)的区别，ATE的激励是外部给的，MBIST激励是自己生成的。而且MBIST可以每次芯片上电都测试一遍，防止芯片出错。

这个东西的工作原理如上图，在Memory周围加上激励，至于怎么加激励有人专门研究这个(MBIST Algorithm)，感兴趣的可以学习一下。此外，还有一种Memory Built-in Self Repair (BISR)的办法，MBIST检测到Memory有问题后将有问题的cell映射到冗余的好的cell上去。

LBIST (Logic build-in-self test), 逻辑内建自测试。和MBIST同理，在关键逻辑上加上自测试电路，看看逻辑cell有没有工作正常。BIST总归会在芯片里加入自测试逻辑，都是成本。个人理解如果不要求稳定性非常好的芯片，LBIST可以不要。但是一些芯片，比如自动驾驶可能LBIST还是需要的。

一般来讲BIST用工具直接插到RTL代码里去，其实算是正常的交付功能。

二 DFT-F2: 插入Boundary Scan

这个boundary scan主要用来对芯片的输入输出（也可以是关键逻辑块，比如RISC-V核心）检测和测试，其实就是我们常听过的JTAG接口（JTAG有个很奇葩的名字，Joint Test Action Group, 联合测试工作组 Orz）。

基本原理也简单，像上面这张图一样，把芯片的IO用寄存器链穿起来。JTAG端口虽然只有4个信号，但是能实现的测试功能非常多，可不是简单把IO串行拿出来看看这么简单。

上面一个小方块scan cell包含了下面内容。

里面包含了几个capture cell寄存器，用来把IO上的值给采下来。还有一个update hold cell, 可以把想要的值传给IO。

用法1：左上，直接bypass, 可以方便的把不同的JTAG CHAIN给穿起来。

用法2：右上，把IO穿起来，可以看IO的值，也可以外部给所有IO输入值

用法3：左下，可以当做串口，给上面讲的BIST输入控制信号

用法4：右下，Clamp模式，bypass和chain同时开了, 可以给IO置为，但是值从bypass输出。

JTAG也是直接加到RTL代码，当做一个功能来用。

三 DC综合

经过了DFT的两把斧，我们接下来要跑综合。综合的主要目的是把Verilog代码转换成门级网表。

DC是design compiler的意思，Synopsys的软件，当然也可以用其他厂商的RTL Compiler，不过我没用过不熟悉。DC内部主要实现了3个步骤：

·Translation, 单纯的把RTL转化成DC内部的数据库，这个库和工艺无关，就是标准的与或非等等。

·Optimization, 这个阶段根据工作频率、面积、功耗来优化电路，然后生成满足设计标准的门级网表。

·Mapping, 这个步骤与工艺相关，将门级网表映射到代工厂给的门级网表上。

这个过程其实大部分都是工具来完成的，我们只用设置一些配置。

一共九个步骤。

step0 Develop HDL files. 这个步骤就是前面介绍了一大堆设计的Verilog文件

step1 Specify libraries. 这个步骤主要是指定一下需要的库文件。几个库文件都是干嘛的我们简单讲讲。link library指的链接的库，比如RAM, ROM core的库，一般放在link library. target library是代工厂给得工艺库，最后会把网表映射到这个库的单元上。symbol library可以不用，GUI用到的，synopsys library. synopsys的标准lib. 中间过程要用到。

step2 Read Design. 比较简单，把你的设计读到DC里面去。

step3&4 Design Constraint. 这两个步骤其实可以一起讲。给综合设置一些约束，比如时钟频率，允许的时钟不确定性等等。

step5 Compiler Strategy. 这个步骤主要是选综合策略。综合策略一般有两种，top-down, bottom up。top-down用来综合小模块，设计约束在顶层，当做一个整体一把综合了。bottom up一般用来综合大型的设计。先约束并综合底层，然后设置一个dont touch, 一层一层向上综合。

step6 Synthesis. 综合优化，主要占用时间的就是这一步骤。一般会在机器上跑几个小时到几天甚至几周时间。

step7 Report design. 这个步骤主要是报出综合的面积，时序，看看面积有没有超标，时序有没有违例，如果时序或者面积有问题，返回step0修改设计，重新来综合。

基本上的综合流程就这些。

四 形式验证：RTL vs SYN Netlist

做完了综合，我们还有做个步骤，到底综合对了没，等不等价，需要验证一下。这种验证叫形式验证 Formal Verification。有个工具叫formality的可以干这个活。简单理解这个步骤就是做等价性验证的。这个步骤比综合会快很多。这也可以理解，一个是从无到有的生成，另一个只是对比一下功能是不是等价的。原理大概是在RTL代码和netlist中抽取一些点（一般是寄存器的输入或者输出），验证组合逻辑的等价性。

如上面两个设计，使用的单元是不一样的，但其实功能是等价的。formality只能保证功能是等价的，但是保证不了STA不出问题。所以只能说STA没问题的情况下，formality能保证SYN功能正确。

五 DFT-F3：SCAN CHAIN

emmm 形式验证完后，还有一个DFT步骤。DFT的第三把斧: 加入scan chain. 这个步骤一般不加在RTL而是直接加在DFT网表。原理也很简单，把设计中的所有寄存器连接成一条或者几条链。

向上面这样。正常的功能数据走functional path, 在测试模式下所有FF都是移位寄存器，可以把值读出来看看。

当然，也可以把值插进去，看看某段组合逻辑有没有问题。

比如这样，先拉高scan enable, 用若干拍把数据load到寄存器里，然后拉低scan一拍，让组合逻辑算出结果，然后继续拉高scan enable, 把计算结果shfit out出来。

其实这里有个搞笑的事儿，研究生第一次流片的时候看到DFT scan chain，觉得这个东西贼有用，毕竟没有专业测试，一旦逻辑什么写错了，我岂不是可以自己写一段数据，直接shift到芯片里，看看哪里有了BUG，针对性的解决。那一瞬间，感觉自己像个小天才Orz...

后来知道一般设计中寄存器何止成千上万，即使拆成多条链，每条也很长。指望手动造一个scan数据来debug是不现实的。一般都是自动生成若干组pattern, 自动测试，如果输出和预期不一致，丫直接当做废片处理了Orz。所以不量产的芯片不用加DFT,加了也没啥实质性的用处。

DFT三板斧就讲完了。

六 形式验证：DFT vs SYN

最后再来一次形式验证。对比一下加入DFT的网表和综合出来的网表是不是功能一致的。原理和上面一样，无须赘述。

七 总结

经过这篇文章，我们终于得到了芯片设计的网表。行文至此，我们前端设计的所有流程就都讲完了。

编辑：黄飞