ASIC設(shè)計中不可忽視的幾大問題

　　ASIC的復(fù)雜性不斷提高，同時工藝在不斷地改進(jìn)，如何在較短的時間內(nèi)開發(fā)一個穩(wěn)定的可重用的ASIC芯片的設(shè)計，并且一次性流片成功，這需要一個成熟的ASIC的設(shè)計方法和開發(fā)流程。

　　本文結(jié)合NCverilog，DesignCompile，Astro等ASIC設(shè)計所用到的EDA軟件，從工藝獨立性、系統(tǒng)的穩(wěn)定性、復(fù)雜性的角度對比各種ASIC的設(shè)計方法，介紹了在編碼設(shè)計、綜合設(shè)計、靜態(tài)時序分析和時序仿真等階段經(jīng)常忽視的問題以及避免的辦法，從而使得整個設(shè)計具有可控性。

　　1.基本的ASIC設(shè)計流程

　　ASIC設(shè)計流程可以粗分為前端設(shè)計和后端設(shè)計，如果需要更細(xì)的劃分，可以分成如下幾個步驟：

　　1.包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析設(shè)計、RTL編碼以及功能驗證;

　　2.邏輯綜合、PreLayoutSTA以及形式驗證(RTL代碼與邏輯綜合生成的Netlist之間);

　　3.Floorplan、Placement、ClockTree插入以及全局布線(GlobalRouting)

　　4.形式驗證(邏輯綜合的Netlist與帶有CT信息的Netlist之間)、STA;

　　5.DetailedRouting，DRC;

　　6.PostlayoutSTA，帶有反標(biāo)延遲信息的門級仿真;

　　7.Tape-Out

　　當(dāng)然，這還是一個比較粗的流程，其中每個步驟還可以分得更細(xì)，通常所說的前端設(shè)計主要包括上述流程中的1，2，4，6這幾個部分。同時，這個流程是一個迭代的過程。對于一些通常的問題以及其中的一些方法，已經(jīng)有大量的文獻(xiàn)中提到，本文將不再贅述，因此本文著力于討論在設(shè)計各個階段中一些容易被忽視的或者可能帶來潛在危險的地方。

　　2.結(jié)構(gòu)分析設(shè)計、RTL編碼

　　這一階段在整個ASIC設(shè)計中占非常重要的地位，結(jié)構(gòu)分析設(shè)計階段主要是從產(chǎn)品的功能定義出發(fā)，對產(chǎn)品采用的工藝、功耗、面積、性能以及代價進(jìn)行初步的評估，從而制定相應(yīng)的設(shè)計規(guī)劃，對于規(guī)模很大的ASIC設(shè)計，在這一階段估算芯片的功耗面積非常困難。

　　在這里引入一個ASIC設(shè)計中很重要的概念：劃分(Partitioning)，在不同的設(shè)計階段這個概念都將提到。首先，必須在芯片的Top-1級進(jìn)行功能劃分，Top-1級通常可以分為4個大的功能模塊，IOPads、邊界掃描邏輯、核心功能邏輯，以及PLL時鐘模塊，然后再對核心功能邏輯依據(jù)功能進(jìn)一步細(xì)化。核心功能部分將是RTL編碼設(shè)計的重點部分，下面就這一部分展開說明。

　　2.1良好的編碼風(fēng)格

　　編碼風(fēng)格對芯片的正確性、可讀性、可維護(hù)性以及綜合后芯片的性能、面積都有很大的影響。自然，對于編碼中遇到的所有問題一一闡述不是一篇論文所能做到的，下面只對一些經(jīng)常遇到的可能產(chǎn)生錯誤的地方進(jìn)行重點說明。

　　無論從可重用設(shè)計的角度還是代碼仿真行為與實際芯片的行為一致性的角度來說，采用工藝獨立的設(shè)計是必要的，一些工程師在編碼時可能用到一些延遲單元或者延遲線，來生成一個脈沖來操作，由于延遲單元對溫度、電壓以及制造工藝敏感，這些因素的改變也會改變生成的脈沖的寬度，因此，可能在仿真的時候沒有問題，或者在某些操作條件下沒有問題，而實際芯片工作時或者工作條件改變時芯片就沒有按照設(shè)計目標(biāo)工作了。

　　在RTL級編碼時應(yīng)該盡量避免采用例化標(biāo)準(zhǔn)單元門的方式編碼，這不僅降低代碼的可讀性，當(dāng)采用新的單元庫或者新的工藝時，這些代碼就需要反復(fù)的修改，綜合工具也不會對這些代碼進(jìn)行邏輯優(yōu)化。

　　其他問題如：由于沒有對所有的條件分支賦值引起潛在的Latch問題、always塊中的敏感列表問題，以及阻塞賦值與非阻塞賦值的選擇問題很多文獻(xiàn)中都提到，就不再贅述。下面提到一個容易被忽視的問題，在定義時序塊時，有些信號是需要復(fù)位的，有些不需要復(fù)位，如果編碼時把它們寫在一個always塊中，綜合出來的電路就不是我們設(shè)想的。對于那些不需要復(fù)位的信號，綜合后可能把復(fù)位信號連到對應(yīng)的觸發(fā)器使能端，這樣導(dǎo)致RTL代碼和Netlist的行為不一致，而這類問題在形式驗證時也沒法發(fā)現(xiàn)，需要通過大量的門級仿真才可能發(fā)現(xiàn)。

　　ASIC設(shè)計應(yīng)該盡量避免采用Latch作為時序單元，Latch設(shè)計潛在的問題，如：如果使能輸入端有Glitch，就會導(dǎo)致鎖存噪聲數(shù)據(jù)?；蛘吣隳軌虮ＷC數(shù)據(jù)穩(wěn)定時間可以包住使能信號，可你很難保證在使能關(guān)閉的瞬間D輸入端沒有Glitch，尤其在接收總線數(shù)據(jù)的時候。同時，Latch設(shè)計還帶來STA和DFT的困難，而采用觸發(fā)器的設(shè)計，通過setup/Hold時間的檢查報出這些問題。因此，盡管Latch設(shè)計有面積、低功耗等方面的優(yōu)勢，由于這些潛在的風(fēng)險使得設(shè)計變得不可控，因此不推薦使用。

　　盡量避免把時鐘當(dāng)作信號使用，在RTL驗證時不會出現(xiàn)什么問題，但是，如果在后端設(shè)計的時候忽略了對這些點的時鐘skew控制，就會產(chǎn)生意想不到的結(jié)果。例如：

　　例1：

　　這個代碼在RTL級仿真時是不會有任何問題的，其中潛在的問題留待后面討論。

　　2.2同步設(shè)計和跨時鐘域數(shù)據(jù)傳輸

　　盡管異步系統(tǒng)有很多優(yōu)勢，如低功耗，也沒有同步系統(tǒng)中讓工程師頭疼的時鐘分布以及skew問題，但是其復(fù)雜的各種握手協(xié)議，以及異步電路在測試上的困難，使得同步系統(tǒng)還是數(shù)字電路設(shè)計的首選。同步設(shè)計的一個特點就是所有的時序單元都是對統(tǒng)一的時鐘邊沿敏感。要使整個芯片只采用一個時鐘并不現(xiàn)實，因此，異步時鐘域之間的數(shù)據(jù)傳輸以及其中的一些問題將是本節(jié)討論的重點。

　　通常，為了能夠更好的綜合和STA，需要對設(shè)計進(jìn)行劃分，一般的原則是將異步時鐘域之間有數(shù)據(jù)交換的部分獨立出來單獨處理，其他的模塊都在單一的同步時鐘域中工作。對于這些模塊如何在綜合過程中特殊處理在下面的章節(jié)中討論，本節(jié)主要討論在代碼設(shè)計中需要考慮的問題。

　　異步時鐘之間的亞穩(wěn)態(tài)(Metastability)問題，亞穩(wěn)態(tài)主要是由于被采樣數(shù)據(jù)的變化十分靠近采樣時鐘的邊沿引起的，這樣接收(采樣)觸發(fā)器的輸出就是亞穩(wěn)態(tài)，并在傳輸過程中發(fā)散而引發(fā)邏輯錯誤，也就是通常所說的同步失敗。在同步時鐘域中的這種問題是Hold問題，可以通過EDA工具或插入buffer消除，因為EDA工具可以檢測到這種問題。那么在異步接收設(shè)計中通過兩級Flipflop來消除這種可能出現(xiàn)的亞穩(wěn)態(tài)?，F(xiàn)在也有工具檢測代碼中可能出現(xiàn)的亞穩(wěn)態(tài)問題。多位接收控制信號之間的skew引起的問題如圖1，如果其中一位如C2延遲大于C1，Ck采樣的數(shù)據(jù)就變成了C2=1，C1=0，如果按照無skew傳輸?shù)牟ㄐ问荂2’的樣子，應(yīng)該是00才對。而skew是不可避免的，可能是由于C2C1信號的Launch時鐘本身的skew引起，也可能是傳輸延遲引起。對于簡單的情況，我們可以通過簡化邏輯，盡量讓控制信號是1位寬。而這樣的問題同樣出現(xiàn)在多位寬的數(shù)據(jù)接收情況。這時通常推薦使用異步FIFO接收，或者通過握手協(xié)議接收。有的系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)交換協(xié)議約定，異步接收過程中，當(dāng)某個事件發(fā)生后(如圖1中采樣到V信號為1后)的1個Cycle后(也可以約定多個Cycle)數(shù)據(jù)肯定是正確的;也可以消除這種skew問題，但是，這種實現(xiàn)需要后端設(shè)計時保證這些相關(guān)信號的skew不會超過約定的周期，同時發(fā)送方的數(shù)據(jù)也要保持足夠的周期數(shù)。如圖1中C2”信號，如果skew2>Period(一個CKCycle)，則收到V信號一個Cycle后采樣數(shù)據(jù)還是錯誤的。

　　2.3復(fù)位策略

　　復(fù)位信號中最主要的問題是Removal，也就是要保證所有的觸發(fā)器必須在同一節(jié)拍內(nèi)離開Reset狀態(tài)，另外，Reset信號完成的時刻不能與時鐘邊沿太靠近，以防止觸發(fā)器進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)(Metastability)。同步復(fù)位和異步復(fù)位各有利弊，很難說哪種更有優(yōu)勢。除了在編碼風(fēng)格時講到的一個問題，在這里再對兩種策略中可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析說明。

　　同步復(fù)位有一個好處就是復(fù)位的時刻發(fā)生在時鐘的邊沿，這樣可以防止復(fù)位信號的Glitch。如果是內(nèi)部生產(chǎn)的Reset信號，就必須保證Reset脈沖有足夠的寬，至少2個Cycles，能夠讓時鐘采樣到。同時，這也是它的缺點，因為它需要一個活動的時鐘，在加電時無法對一些電路產(chǎn)生復(fù)位。另外，綜合可能把同步復(fù)位的邏輯移到觸發(fā)器的D輸入端，作為普通的信號處理，由于Reset信號通常有傳輸負(fù)載和延遲，這樣處理會導(dǎo)致DataPath上較長的延遲。

　　異步復(fù)位的最大好處就是不需要活動的時鐘，對于一些需要加電復(fù)位的電路，如總線，是很必要的;同時，不像同步復(fù)位那樣，復(fù)位信號會被用作D端的輸入邏輯，使得整個DataPath非常干凈。如果異步復(fù)位有Glitch可能使芯片進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，這時可以通過兩級DFF接收Reset，再通過tree給復(fù)位觸發(fā)器使用，這樣可以消除輸入引起的Glitch，如果設(shè)計中有多個時鐘域，可以對每個時鐘分配兩個DFF接收Reset信號。

　　2.4門控時鐘

　　GatedClock主要的優(yōu)點在于能夠降低功耗面積，也可以簡化邏輯從而提高頻率。在編碼時需要考慮無Glitch的門控信號設(shè)計。同時，在DFT設(shè)計時，由于觸發(fā)器的時鐘是前一級邏輯的輸出(其他派生時鐘也有同樣的問題)，為了測試這類觸發(fā)器，需要為時鐘增加一級Mux，在正常工作模式下，采用派生時鐘，在掃描測試時采用正常的時鐘。門控時鐘的主要問題出現(xiàn)在綜合、CTS插入以及STA分析的時候，在后面將進(jìn)行特別的分析討論。

　　2.5總線實現(xiàn)

　　在這里只討論總線實現(xiàn)的方式，不涉及總線的協(xié)議。在設(shè)計總線時將面臨著兩種基本方式的選擇，是采用三態(tài)總線還是采用多路選擇結(jié)構(gòu)的總線。在全定制設(shè)計時，設(shè)計者似乎更喜歡采用三態(tài)，掛在總線上的各個部件可以分布在芯片的各個部分。同時，由于可以減少連線的數(shù)量，它必須保證在任何時候，不發(fā)生總線沖突，如果多個驅(qū)動總線可能導(dǎo)致嚴(yán)重的錯誤，需要通過一些措施消除這種隱患，比如三態(tài)的使能通過解碼器產(chǎn)生Onehot的編碼，防止多驅(qū)動引起的邏輯錯誤和對芯片的損害;同時，三態(tài)總線需要連到上拉電阻上，以防止在一段時間內(nèi)不驅(qū)動總線產(chǎn)生總線數(shù)據(jù)不確定，而DC等綜合并不支持。另外，三態(tài)總線的電容負(fù)載也是一個不可忽視的問題，對性能和面積造成不利的影響，其負(fù)載主要來自總線連接的多個電路單元，總線布局本身帶來一定的負(fù)載;最后，三態(tài)總線給DFT設(shè)計也帶來困難?；谶@些理由，在非定制ASIC設(shè)計時，我們實在不必要選擇三態(tài)總線的方式。相比之下，采用多路選擇器的問題是較多連線帶來的布線擁塞問題，選擇器的延遲問題基本上不是什么問題，深亞微米設(shè)計中，門的延遲差別已經(jīng)變少，同時多層金屬也帶來了足夠的布線資源。

　　3.邏輯綜合以及后端設(shè)計相關(guān)問題

　　3.1編碼風(fēng)格檢查

　　DC對編碼風(fēng)格的檢查提供良好的支持，在進(jìn)行邏輯綜合之前最好先分析一下DC的log文件，看是否有上述的或其他的一些編碼風(fēng)格問題。通過set_dont_use命令可以禁止使用一些工藝相關(guān)的單元，all_registers帶參數(shù)也可以報告出設(shè)計中所用到的Latch。下面主要討論前面提到的一些情況在綜合以及后端實現(xiàn)時的特殊處理。同時，還有很多EDA工具提供編碼風(fēng)格進(jìn)行檢查。

　　3.2異步時鐘域

　　在編碼設(shè)計中我們通過劃分，將異步時鐘域接收模塊分離成獨立的模塊，其他模塊都采用單獨的時鐘，綜合約束相對簡單。對于那些帶有異步時鐘域的模塊，如果不進(jìn)行約束，DC總是試圖去滿足采樣時鐘的setup/hold時間，事實上，設(shè)計者并不關(guān)心異步時鐘域之間的這些問題，而其Metastability問題在編碼階段已經(jīng)解決。通常，可以設(shè)置異步時鐘域之間的Path為false_path。如：

　　set_false_path-from[get_clocksCLKB]-to[get_clocksCLKA]

　　如果異步接口數(shù)據(jù)的控制按照最后一種方式(也就是在約定的節(jié)拍內(nèi)讀取數(shù)據(jù))，也就需要發(fā)送方的數(shù)據(jù)skew控制在一定范圍內(nèi)。由于沒有對這些路徑進(jìn)行約束(雖然可以設(shè)置這些path的Maxdelay，但是這種約束對于skew的控制并不能取得好的效果)，工具無法對這些路徑進(jìn)行自動優(yōu)化。因此最好采用手工布局的方法，讓這些skew在一個可控的范圍內(nèi)，在STA階段，也需要對這些skew進(jìn)行單獨的分析。

　　3.3特殊時鐘信號處理

　　門控時鐘像所有的內(nèi)部時鐘一樣，時鐘的skew可能引起一些保持時間問題，默認(rèn)條件下，時鐘樹綜合工具并不把邏輯門相連的時鐘信號連到時鐘樹上，非門控的觸發(fā)器上的時鐘是連在時鐘樹上，這個時鐘延遲是相當(dāng)可觀的，為了控制門控時鐘與非門控時鐘的skew，通常從時鐘樹葉子節(jié)點的上一級引出時鐘信號作為控制門的時鐘輸入。在STA階段需要對門控時鐘的Setup/Hold時間進(jìn)行特殊分析,以及Glitch檢查。然后，我們再回顧一下例1的代碼中的情況，可以用圖2的示意圖表示。

　　圖2 時鐘作為普通信號使用的情況

　　為了方便討論，時鐘樹插入以后，假設(shè)A與B之間有1個ckaCycle的skew;從圖3可以看到如果采用A點作加法器的輸入時產(chǎn)生的波形是ckb’，采用B點作為輸入時的波形是ckb，顯然，從例1的代碼來看，ckb才是正確的。因此必須注意到，如果時鐘當(dāng)作普通的信號使用時可能帶來的問題，這類問題并沒有一個通用的解決辦法。在這個例子中，不采用時鐘樹上的信號才是正確的，但是在另外一些應(yīng)用中，就必須采用時鐘樹上的信號。比如，時鐘是CK的兩個觸發(fā)器中鎖存的數(shù)據(jù)再由CK的高電平和低電平選擇輸出，那么，這個時候就需要作為選擇信號的CK從時鐘樹上拉過來。因此，如果設(shè)計中用到了時鐘信號作為普通信號的情況，在后端設(shè)計時就必須特殊處理。

　　圖3 Skew引起的設(shè)計錯誤

　　如果設(shè)計中用到時鐘的上升沿和下降沿，在時鐘樹插入的時候也需要注意采用能夠平衡上升沿和下降沿的buffer，以保證較好的占空比。

　　3.4復(fù)位信號

　　復(fù)位中的Removal問題，對于異步復(fù)位信號，需要tree來平衡各個負(fù)載點上的skew，但是，Reset信號的skew控制不像時鐘那么嚴(yán)格，只要滿足Removal檢查就可以，PT等STA工具支持Removal的檢查。

　　4.帶Post-Layout延遲信息的門級仿真

　　門級仿真非常重要，它是最后一道關(guān)卡，可以從兩個方面入手，功能性驗證和時序驗證，最主要的是時序驗證，功能性驗證基本上由RTL級已經(jīng)做了很多充分的工作，如果等價性驗證通過，功能性基本沒問題。

　　時序仿真需要了解到一些仿真工具所采用的延遲模型，仿真工具的延遲計算都是基于一種簡單延遲模型：

　　CircuitDelay=TransportDelayInertialDelay

　　時序仿真的目標(biāo)是通過反標(biāo)SDF文件中延遲信息，模擬一些在RTL級無法出現(xiàn)的一些情況，如復(fù)位，狀態(tài)機的翻轉(zhuǎn)。充分的驗證應(yīng)該包括在bestcase下檢查短路徑的hold時間，在worstcase下檢查長路徑的setup時間。這些問題雖然在STA也作了檢查，門級仿真還是很必要的，尤其在用到時鐘雙邊沿的設(shè)計中;另外，對于有異步時鐘接口的設(shè)計，需要調(diào)整異步時鐘的相位關(guān)系，檢查是否存在著同步失敗問題;3.3中特殊時鐘問題，都可以通過門仿驗證其正確性;一些窄脈沖是否能通過IOBuffer。總之，這是一個非常重要的過程，需要花大量的時間去分析一些關(guān)鍵信號的波形與設(shè)想的是否一致。

　　總結(jié)

　　ASIC設(shè)計是一個復(fù)雜和全局的過程，從結(jié)構(gòu)設(shè)計、代碼設(shè)計、綜合以及物理設(shè)計、時序分析、門級仿真，整個過程周期長，每個環(huán)節(jié)都不能孤立的思考。需要設(shè)計人員花費大量的時間去降低或消除設(shè)計中潛在的風(fēng)險，才能設(shè)計出功能正確，性能滿足要求的產(chǎn)品。因此，IC設(shè)計的工具如果能在很大程度上緩解設(shè)計人員的操作壓力，令其可以安心進(jìn)行設(shè)計工作，這樣的設(shè)計工具對于設(shè)計師來說，可以說是一枚“利器”。