数字IC设计 | 入门到放弃指南

数字IC设计 | 入门到放弃指南

数字IC设计是一个复杂且专业性极强的领域，涉及硬件描述语言、基础知识、设计工具等多个方面。本文将为你详细介绍数字IC设计所需掌握的技能和知识体系，帮助你更好地了解这一领域的入门要求和职业发展方向。

数字IC设计技能树

1. 语言

• 主流的Verilog、VHDL
  Verilog语言与软件语言最大的区别就是，因为它是用于描述电路的，因此它的写法是非常固定的，因为电路的变化是非常有限的。学习Verilog的时候，很多时候我们并不是在学习这门语言本身，而是学习其对应的电路特征，以及如何对这个电路进行描述。如果心中没有电路，那么你是不可能写好Verilog的。
  VHDL语言的严谨性比Verilog要好，不像Verilog中一样存在大量符合语法却永远无法综合的语句。

• SpinalHDL、Myhdl等
  SpinalHDL和Chisel师承一脉，都是基于Scala来进行电路描述。其本质上仍旧是HDL而非HLS，在设计之前依旧需要有清晰的电路结构，只不过是在电路描述上更加方便和快捷而已。
  目前有一些公司已经应用于FPGA设计中，ASIC应用还有待探究。
  SpinalHDL资料：https://spinalhdl.github.io/SpinalDoc-RTD/master/index.html

• SystemVerilog/SystemC
  这两种语言都是为了验证而存在的，掌握基本的验证方法学有助于提高自己的debug效率，SystemVerilog是一种面向对象的语言，其设计的本意是用于搭建验证平台，主流的UVM方法也都是基于SystemVerilog实现的，所以立志成为IC验证工程师的同学，SystemVerilog的深入学习和流行方法论的学习都是必不可少的。
  而对于那些只想做IC设计的同学而言，SystemVerilog同样也是值得学习的。且不说本文前面提到的用于提高验证效率的debug方法，即使只是为了做好设计，SystemVerilog也是大有用武之地。很多顶级的IC设计公司内部都开始使用SystemVerilog进行RTL设计了。
  由于在SystemVerilog中加入了很多类似always_ff、always_comb等用于显式表明综合电路意图的新语法，代码的可读性更高，综合过程中也减少了歧义，尽可能地保证了综合结果与设计意图的一致性。从另一个角度来说，assertion的加入也极大地提高了代码的debug效率，非常有助于在大规模的数据交互过程中定位到出错的初始点，没有掌握的同学可以多花一些时间学习一下。

• 脚本语言：Makefile/Perl/Python/Shell
  Makefile/Perl/Python/Shell都是常用的脚本语言，进行批量修改文本内容，实现自动化操作等，掌握一门得心应手的脚本语言将对工作效率的提升帮助极大。
  但凡做过一次的事情，就没有必要重复第二次。

• 脚本语言：Tcl
  在IC设计这个领域中，Tcl是一门非常常见的语言。可以用于描述时序和管脚约束文件，UPF信息，也可以用来搭建简单的工作平台。既是很多EDA工具默认支持的脚本语言，也是这些工具配置和输出的文件格式。因此，能够读懂Tcl，掌握Tcl语言的基本语法，就可以帮助更好的使用EDA工具。

• C语言
  作为基础语言，在验证时，往往需要用到C写的case；

2. 基础知识

• 数电模电、电路分析、数据结构、计算机体系架构等
• AMBA总线 AXI、AHB、APB、CHI、ACE等；
• 高低速接口 PCIE、DMA、DDR、USB、UART、SPI、I2C、MIPI等
• 低功耗设计 动态功耗、静态功耗、常见低功耗设计方法
• 静态时序分析 建立时间、保持时间、亚稳态及其解决方法、时序约束
• 设计方法 乒乓操作、流水线、串并转换、无毛刺切换、状态机等 跨时钟处理：快到慢、慢到快、异步FIFO（FIFO深度计算）等

3. 设计工具

• linux系统:linux、shell常见命令

• gvim/emac编辑器
  熟练使用Vim/Emacs，用编程的方式来编程，可以提高效率。

• 版本管理工具：SVN、Git、p4等
  版本管理，简而言之，就是一种用于记录和查询文件版本改动的工具；

• EDA工具

• 仿真工具：NCVerilog/ VCS/ ModelSim/ iVerilog
  以上是比较业界比较主流的仿真工具，其中Icarus Verilog (iVerilog)为开源工具，仿真过程需要了解： 如何指定编译的文件类型； 如何指定编译文件清单； 如何指定索引目录； 如何指定仿真精度； 如何指定临时的宏变量； 如何指定语法检查的严苛等级； 如何混合编译由多种语言写成的工程； 如何调用不同波形生成工具的pli接口； 如何配合SDF反标进行后仿等；

• 波形查看工具：DVE/ Verdi/ gtkWave
  以上是业界比较主流的波形查看工具，所有的波形查看器都必须支持标准波形文件*.vcd格式，但是由于*.vcd格式的存储性能并不好，冗余信息过多，所以各波形查看工具都纷纷推出了自己支持的波形文件格式，如DVE的*.vpd，Verdi的*.fsdb，ModelSim的*.wlf；
  gtkWave也是跨平台的，而且简单易用，支持*.vcd标准格式，同时支持高性能压缩格式*.lxt和*.fst，gtkWave自带vcd转fst的转换器；
  通常几G左右的*.vcd格式波形转换为*.vpd格式后只有几十MB左右，而转换为*.fsdb后通常会更小，因此将标准波形文件*.vcd转换为其他压缩格式更加有利于数据备份。

• 逻辑等效性检查工具：formality
  从功能上对综合后的网表进行验证，常用的就是等价性检查方法，以功能验证后的HDL设计为参考，对比综合后的网表功能，他们是否在功能上存在等价性。这样做是为了保证在逻辑综合过程中没有改变原先HDL描述的电路功能。

• 综合工具：dc

• lint/cdc检查工具：spyglass

• 后端：PT、IIC2、innovus等

• FPGA综合布线布局工具：synplify/vivado

4. 相关岗位

• 前端设计
  RTL IP设计：从算法协议到RTL coding的能力；
  SoC设计集成/验证：总线、功耗、系统架构的能力；
  SOC侧重将IP，模块集成形成一个系统，所以片上互联总线和外设接口是掌握的重点。片内互联总线一般是AMBA总线。外设接口又分为低速接口和高速接口，其中低速接口包括I2C,UART,SPI等，高速接口包括SATA,USB,PCIE,DDR等；

• 验证
  FPGA原型验证：HAPS
  UVM验证：SV、UVM主流验证方法学
  EMU验证：zebu、帕拉丁

• 综合：
  逻辑综合就是将HDL代码翻译成门级网表netlist；

• STA
  Static Timing Analysis（STA），静态时序分析，它主要是在时序上对电路进行验证，检查电路是否存在建立时间（setup time）和保持时间（hold time）的违例（violation），一个寄存器出现这两个时序违例时，是没有办法正确采样数据和输出数据的，所以以寄存器为基础的数字芯片功能肯定会出现问题。

• DFT
  Design ForTest，可测性设计。芯片内部往往都自带测试电路，DFT的目的就是在设计的时候就考虑将来的测试。DFT的常见方法就是，在设计中插入扫描链，将非扫描单元（如寄存器）变为扫描单元；如bist、Scan Design、JTAG、ATPG等；

• 后端
  物理验证、布线布局、静态时序分析、等价性检查、功耗分析