芯片前端设计中常用的软件和工具

文章来源：老虎说芯

原文作者：老虎说芯

本文主要讲述芯片前端设计中常用的软件和工具。

一、芯片前端设计中的软件与工具详解

前端设计是数字芯片开发的初步阶段，其核心目标是从功能规格出发，最终获得门级网表（Netlist）。这个过程主要包括：规格制定、架构设计、HDL编程、仿真验证、逻辑综合、时序分析和形式验证。

1. 规格制定与架构设计

常用工具：

VisualHDL（Summit）：一种语言级架构建模工具，支持以图形方式构建模块间关系，帮助开发者从功能角度清晰定义系统架构。

Renoir（Mentor）：支持将架构转换为硬件描述语言，是一种可视化的架构设计工具，类似“硬件设计的Visio”。

Composer（Cadence）：用于构建原理图和模块框图，适用于系统级设计初期的原型搭建。

2. HDL编码（RTL 设计）

开发环境：

文本编辑器（如Vim、Emacs）：适用于经验丰富的工程师，直接编写HDL代码。

EDA集成开发环境（如Vivado、Quartus）：具有代码高亮、语法检查和项目管理功能。

说明：Verilog 是当前行业主流语言，类比软件开发中使用C语言描述算法逻辑，Verilog用于描述硬件行为。

3. 功能仿真（前仿真）

主要仿真工具：

ModelSim（Mentor）：入门友好，广泛用于教学和初期验证。

VCS（Synopsys）：工业级仿真平台，支持高性能仿真与调试。

NC-Verilog（Cadence）：集成于Cadence环境中，便于与其他工具协同使用。

功能仿真相当于“软件单元测试”，通过波形图和信号追踪工具分析设计行为是否符合预期。

4. 逻辑综合（Logic Synthesis）

主要综合工具：

Design Compiler（Synopsys）：工业标杆，支持复杂约束管理和优化。

BuildGates（Cadence）：与Cadence流程深度集成，适合中小型项目。

Leonardo Spectrum（Mentor）：适用于某些特定流程或学校项目。

类比：逻辑综合就像是将高级语言编译成汇编代码，只不过这里的目标是“门电路库”而不是指令集。

5. 静态时序分析（STA）

常用STA工具：

PrimeTime（Synopsys）：业界主流，精度高，功能全。

Tempus（Cadence）：结合物理设计环境，适合复杂芯片。

SST Velocity（Mentor）：适合Mentor工具链的用户。

STA不需要输入激励向量，它是通过建模所有路径延迟来全面分析时序，这一点与功能仿真不同。

6. 形式验证（Formal Verification）

常用工具：

Formality（Synopsys）：高精度等价性检查工具，处理大规模网表能力强。

LEC（Cadence）：常用于综合、优化、DFT之后的验证流程。

FormalPro（Mentor）：适合Mentor综合工具后的形式验证任务。

功能等价性验证像是“比对原始程序和编译结果是否实现了同样的逻辑”。

二、总结（流程与工具对照表）

阶段	工具举例（按供应商分类）
架构设计	VisualHDL（Summit）、Renoir（Mentor）、Composer（Cadence）
HDL编程	任意文本编辑器、Vivado、Quartus
功能仿真	ModelSim（Mentor）、VCS（Synopsys）、NC-Verilog（Cadence）
逻辑综合	Design Compiler（Synopsys）、BuildGates（Cadence）、Leonardo（Mentor）
STA	PrimeTime（Synopsys）、Tempus（Cadence）、SST Velocity（Mentor）
形式验证	Formality（Synopsys）、LEC（Cadence）、FormalPro（Mentor）

这种流程设计，确保芯片从功能规格到门级实现逐步收敛，不同工具承担着各自关键的角色。如果把芯片前端设计比作建造一座大楼，那么这些工具分别承担着设计图绘制、结构计算、功能预演、材料优化和设计复查的职责，缺一不可。