7. 模拟集成电路的正向设计入门

大家好！今天我们就来聊聊模拟集成电路设计中的“气宗”——正向设计。之所以将其称之为“气宗”，是由于它是一个设计人员希望能独挡一面的必由之路；而且它是对有一定经验反向设计的设计人员对以前的积累的一个活学活用；同时它也是推动设计人员对模拟集成电路的理解提升一个层次；最后它能够帮助反向设计人员扩展自身的知识和能力界面。这样，通过时间的积累，正向设计人员的提升空间会比只从事反向设计人员更大，更高，而且更快。

接下来，我们谈谈正向设计的特点，主要有三个：和客户更近；信息更真实；问题少。如何理解呢，我觉得和客户更近是相对于反向设计而言，我们在开始时就直接面对客户，需要将其需求和我们的模拟集成电路设计进行对接，而不是像反向设计哪里，只要将模拟集成电路设计出来就可以了，不需要和客户进行接触；正是由于我们直接面对客户，所以有些集成电路的功能和性能不是说明书上冰冷的数字，而是客户的具体需求，这种体验必须亲历才会有感觉；而且正向设计的出发点是去解决问题，而不是像反向设计那样是接收问题，所以在整个过程中碰到的问题就会比较少，当然这并不意味着正向设计简单，有时候可能恰恰相反，正向设计会更困难。

在开始正向设计之前我们和反向设计一样，得准备好工具，我这边决定需要三样工具：钢笔、笔记本、EDA软件；对于第三样工具大家可能并不陌生，但是前两样，大家可能会觉得很奇怪，做学习笔记也非常重要吗？可以说是，但不全是；这里面其实还有一个工作需要，就是设计人员去和客户进行沟通，这个工作比较繁琐，需要设计人员有耐心有恒心，还需要细心。

下面我开始谈谈正向设计的流程步骤了，通过统计，正向设计的步骤比反向设计少一点，一共有二十四步，它们分别是：

第一步，客户沟通，这一步是正向设计的重要环节，虽然它不需要设计人员有非常理性的头脑，但是需要设计人员有一定的洞察力，能够较为准确的把握客户中的只言片语；第二步，需求收集，这一步是对客户沟通后收集其中有用的需求，并将要求剔除；第三步，系统分析，这一步是对收集后的需求进行系统实现的分析，看这些需求需要哪些功能系统来实现；第四步，性能分解，这一步主要是对系统功能的性能进行主意细化，并拟定性能指标；第五步，封装设计，这一步是对系统性能拟定后，需要对芯片的封装进行设计，主要是确定：功耗、尺寸、类型、金线直径、金线长度，独立管脚的金线数目等；第六步，PAD设计，这一步是在封装确定后，依据封装的管脚来确定模拟集成电路的PAD布局、大小；第七步，系统版图区域设计，这一步是对整体版图中所使用的公共信号和电源进行一个初步设计，主要是确定信号走向、金属线的宽度、模块之间的间距、保护环的形状、保护环的宽度等，后面可能会有微调，但总体布局不能有大的改变，不然会使得封装的难度加大；第八步，模块版图区域设计，这一步是对模块版图在整体版图中的位置和大小进行一个初步设计，后面可能会有微调，但总体布局不能有大的改变，不然会使得封装的难度加大；可以说第七步和第八步比较虚，但是如果能够一次设计成功，而没有微调，也是一个比较见功力的工作。

第九步，模块功能分解，这一步是将系统功能分解到模块功能，从而让多个模块组一起完成一到两个系统功能；第十步，模块性能分解，这一步是将系统功能特性分解为模块的功能特性，以保障模块特性能够支持系统特性的实现；第十一步，系统电路设计，这一步是基于系统分析和模块功能分解这两步的结果，来设计系统所需模块组，并进行模块之间的信号走向连接；第十二步、模块输入输出引脚设计，这一步是在模块功能和性能确定的情况下，设计出模块所需的输入输出引脚，并按照功能和性能来对引脚进行命名，这和反向设计中的第十七步不同，反向设计时命名是按照仿真的结果和电路分析的结果来进行的，而正向设计是在还没有进行仿真时就已经确定了引脚的名称；第十三步，模块电路设计，这一步也是基于模块和系统的功能和性能，通过已有的知识库，选取或者设计能够实现相关功能和性能的电路和系统架构，从而为后面的器件调试打下基础，其实这一步中还包含有理论计算，不过这个内容太丰富，需要单独一讲才能讲清楚；第十四步，模块仿真，这一步是对模块的器件进行调试仿真，以实现模块功能，到达模块预期的性能，其实从这一步开始相关工作和反向设计的步骤开始重合，目标都是相同的，只是使用的电路和版图背景知识不一样；第十五步，系统仿真，这一步是在模块功能和性能实现的基础上，对多个模块进行联合调试仿真，以实现系统功能，达到系统预期的性能；从第十六步，模块版图设计，这一步的版图布局和布线需要版图设计人员和电路设计人员通力配合，基于第八步的基础，按照版图设计人员的经验和设计原则来完成布局布线，以及输入输出引脚的位置和大小；第十七步，系统版图设计，这一步和第十五步类似，以第七步的设计为基础，来完成系统版图的布局布线。

第十八步，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；第十九步，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；第二十一步，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。

第二十二步，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；第二十三步，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；第二十四步，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。

可以看出，如果学过我们反向设计这一讲的同学会发现从第十七步开始，以后的内容和方向设计的步骤完全一样，因为从这个时候其后面步骤的目标和背景都基本一致了。从这里也可以看到，其中正向设计和反向设计还是有部分共同之处的。

最后我也谈谈自己对正向设计中需要注意的事项，主要有三个：

一、区分客户需求和客户要求；

二、有时候客户自己都不知道自己真实的需求；

三、在设计时一定要有自己的优势点，以区别于同类产品；

总结一下，如果大家希望自己能在模拟集成电路设计上更上一层楼的话，请大家尽快开始正向设计，它虽然很难、很慢、也很累；但是它可以不断的提升你的各种能力，让你后劲十足，可以负责任的将，这才是成为模拟集成电路高手的唯一路径。好，希望这一讲对大家能有所帮助。