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模拟集成电路入门30问之6

热度 9已有 4212 次阅读| 2020-10-23 21:52 |系统分类:芯片设计| 集成电路, 反向设计

6.模拟集成电路的反向设计入门

大家好!今天是我们模拟集成电路入门10问的第6讲,从这讲开始,我们会就模拟集成电路的设计逐步展开。

这次我首先要讲的是模拟集成电路的反向设计,之所以选择它作为我们设计的第一讲,主要原因有:首先它是设计师入门时采用的常用方法,其实相对于反向设计,我们还可以进行正向设计,这个我会在后面讲,正向设计需要有一定功力的设计师,不适合入门;另外它也是进行竞品分析的一个好方法,通过对芯片的反向提取这个工作,可以对竞品的工艺、线宽、封装等信息有一个比较全面的了解,从而可以大概评估出竞品的成本,其实这里面还有一个更加重要信息,那就是这个产品是通过了多少版本的设计后完全固化下来的,这怎么做到的呢?(我会在后面的课程中讲到,这里先卖个关子);然后它还可以作为专利分析的一个方法,因为有些专利是对基本框架描述,如果能在版图提取中分析出相关结构,则可以更全面的反映专利的全貌,为后面规避专利提供一个比较好的基础;最后它还是一个进行技术分析的方法,因为有些技术由于保密的原因,不会在专利中进行描述,这时反向提取的电路和版图信息就能将相关技术较为全面的呈现在面前,为后期对相关技术进行进一步改进打下良好的基础。

接下来我来聊聊反向设计的工具,也许大家觉得集成电路设计是个高科技工作,工具是不是也要高大上呢?不一定,至少在反向设计中,我们最常用的工具是铅笔和图纸;特别是对第一次入门的设计师,通过不断的手工绘画,可以加深设计师对模拟集成电路的版图和电路的感觉,同时在绘画时设计师时刻需要提醒自己“每画的一笔都有物理意义,不是一个简单的线条和形状”;在能熟练使用铅笔和图纸这两个“原始工具”后,我们才可以使用常见EDA工具,将我们整理好的电路搬到计算机上,成为一个比较有“功能感”的电路。现在大部分模拟集成电路的照片都是在计算机上由专门的反向设计软件输出的,所以这个软件工具也是我们进行反向设计的必备工具(只不过这个工具会由进行版图提取的供应商提供)。

好,我们现在已经有了这些必备的工具,就可以开始进行反向设计了,那么我们的设计流程是什么呢?我大概罗列了一下,发现这个设计流程有二十八个步骤,我自己都吓了一跳啊!不过不急,我一步一步的讲。第一步,芯片选型,这一步看似好像和反向设计没什么关系,但是在实际工程中,这一步决定了反向设计是否能够成功,所以这一步需要小心谨慎;第二步,剖片,这一步主要是去除封装,一般问题不大,但有时候可能反向设计做到这一步就结束了,为什么,下一步我会讲;第三步,去金属,这一步理论上也是采用化学方法就可以完成,但是如果顶层金属是采用金作为材料,那么后面的工作就不用做,原因大家可以上网去查一下,我这边就不啰嗦了;第四步,拍照,现在这一步基本采用电脑自动完成,以前这些拍照采用的是半自动的方式,所以还需要有一个对准的步骤;第五步,拼图,这个也是可以采用电脑自动完成;前面这五步是进行反向提取的基础,它们每一步的好坏都会对后面提取的正确性有较大的影响;第六步,根据datasheet标识PAD,这一步主要是注意芯片的方向性,如果对于对称性非常好的集成电路就要特别小心,可能有PAD标识错误的风险;第七步,标电源,地线,这一步是在第六步完成后,从PAD进入到集成电路内部进行标注,这一步需要能够尽量完备详细,这样能减轻后面步骤的难度;第八步,标主要信号线,这一步其实也是让设计人员对集成电路的主要模块有一个信号流的认识,当然设计人员也要小心差分信号的标注,有时候会有信号标反的风险;第九步,标控制信号线,这一步不是所有集成电路都有,但是这些信号也很关键,有些功能和性能就是这些信号实现的;第十步,标监控信号线,这一步其实也不是所有集成电路都有;

第十一步,标模块,由于这是我们对模块的功能并不十分了解,所有暂时最好采用编号的方式进行,例如:A1A2,……Ax等;第十二步,标输入输出引脚,这一步主要是标注模块的输入输出引脚,例如:L1L2,……Lx等;第十三步,标器件,这一步也是标注模块内部的器件,例如:M1M2,……MxP1P2,……PxR1R2,……RxC1C2,……Cx等;第十四步,模块提图,整理,这一步就是在模块级使用铅笔和图纸两个工具,完成模块电路的绘制,并不断整理,在图纸级就能够有一个功能比较清晰的电路“图”;第十五步,实验性仿真,这一步其实包含了使用EDA软件工具将模块级电路输入到计算机,并进行一下实验性仿真,主要是来验证功能是否和整理的一致。第十六步,模拟命名,这一步是在实验性仿真进行功能确认后,为模块赋予功能名,例如:omapbiasbgregldovgabufdiffagcadcdacoscpllserdesmuxdemuxs2dvampiamprampzampdeamppreampequalizer等;第十七步,输入输出引脚命名,这一步是将模块中的输入输出引脚按照引脚的属性和功能进行命名,主要是参考实验性仿真和模块功能名,例如:vccavccdviniinvbiasibiasvctlictlvrefirefvoutioutvmonimon等;当完成以上十七步后,反向提图的工作基本可以说告一段落,但是距离方向提图的目标只是走完了第一步;

第十八步,模块仿真,这一步和第十五步的区别是这时的仿真不再是对功能进行判读,而是基于模块的功能来调整模块中的器件尺寸以达到模块功能的性能最优化;第十九步,系统仿真,这一步将已经调试好的模块进行组合,按照更大的系统功能进行仿真调试,以达到系统功能的性能最优化;当这两步完成后,我们就可以进行后端设计阶段了。

第二十步,模块版图设计,这一步的版图布局和布线参考目标芯片的模块,如果版图设计人员是第一次进行设计,建议不要创新,要原原本本的按照目标模块进行布局布线,能设计的一模一样也是一种很强的能力;第二十一步,系统版图设计,这一步和第二十步一样,参考参考目标芯片的系统版图,不过这是需要将眼界打开,对模块间的版图设计需要细心体会;当这两步完成后,我们还需要对后端的设计进行仿真验证。

第二十二步,后端仿真,这一步对设计实现至关重要,因为这时的网表非常复杂,很多影响性能的节点隐藏在网表中,所以要将它们抓出来也是一个很见功力的工作;第二十三步,版图优化,这一步是基于第二十二步的仿真结果对版图进行改进,从而使得后端仿真的结果达到预期;第二十四步,设计静默,这一步是在版图优化后为了后面的投片而进行的一种设计归一化的工作,这时只能有独立的设计版本,而且设计版本中的不能嵌套其他版本和库的文件,否则会给后面的工作带来隐患;第二十五步,版图投片,这一步看似将版图数据提交给晶圆厂商就可以了,但其实这其中还需要大量的准备工作,如需要填写晶圆厂商的投片文档,有些是在网站上填写,有些是模板文档,这里面主要的信息:工艺验证文件的版本、芯片的用途、大小、工艺层数、掩膜板信息等。这一步完成后,就可以静静的等待晶圆厂按照第五讲的工艺工序一步一步的将我们的设计在晶圆上实现,从而形成基础电路。

第二十六步,芯片封装,这一步是将集成电路封装在标准或者定制的封装内,以便后续进行测试;第二十七步,芯片测试,这一步是对模拟集成电路仿真的功能和性能通过测试来进行验证,并且这一步是对模拟集成电路最真实的验证,有时候需要对其进行极限测试,以达到提高良率的目的;第二十八步,设计优化,这一步是对芯片测试的一个应对,其实是回到了原来的第十八步,有时候由于设计的不全面导致从第十八步到第二十八步多次的循环,从而实现模拟电路设计的迭代,从而完成一个产品级的模拟集成电路。

以上是反向设计的步骤,可以说还是非常多的内容的,希望大家能够好好消化,下面我说一个轻松的内容,聊聊反向设计的特点,我个人认为主要有三点:速度快、信息大、问题多;如何理解呢?首先来谈谈速度快,这主要指的进入电路设计的时间和思考,由于避开了需求收集、系统分析和性能分解,而且有现成的架构和电路可供分析和调试,感觉上难度不是那么的大,但只是有隐患的,后面我会在注意事项中讲到;信息大指的是后端的信息量非常大,设计人员在有限的时间内不一定能够完全吸收,需要在后面的工作中不断的体会积累,其实对个人的要求还是比较高的;问题多,是由于前两个特点导致的,如果希望能够将速度快和信息大都包含掉,并且能够在最短的时间内掌握足够的设计能力,需要问的问题一定很多,如果在反向设计时提不出20个以上的问题,那么可以说反向设计是失败的,当然也许集成电路设计没失败,我这里指的是对设计人员而言。

最后我想讲讲反向设计需要注意的事项;主要是三项:

一、对觉得可能是问题的地方一定要弄懂;

二、对觉得理所当然的地方一定要找到理由;

三、如果不能对自己提出问题,反向设计会将设计人员的能力逐步消耗掉;

总结一下,反向设计就像华山派的剑宗,可以快速提高战斗力,但是如果不对自身提出一个更高的要求,未来提高的可能性比较低,提高的难度也是非常大;也许大家会问,那什么是“气宗”呢?有,我下一讲会谈到,敬请大家期待!

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刚表态过的朋友 (7 人)

发表评论 评论 (2 个评论)

回复 QinrenYao 2021-3-6 23:41
感谢分享经验!
回复 ztstg2018 2021-3-28 17:40
这里面么有谈及工艺选择问题,反向能否可以实现其中一个最大的问题就是能否找到合适的新工艺满足电路设计要求,其次就是ESD设计,也是非常重要的一个环节

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