原创 典型的自動化設計流程

1.系統規格制定（Define Specification）

在ASIC設計之初，工程師們須根據產品的應用場合，為ASIC設定一些諸如功能、操作速度、介面規格、環境溫度及消耗功率等規格，以做為將來電路設計時的依據。在這方面，目前已有廠商提供系統級模擬器（system-level simulator），為系統設計提供不錯的解決方案；透過此類模擬器，工程師們可以預估系統的執行效能，並可以最佳化的考量，決定韌體模組及硬體模組該如何劃分。除此之外，更可進一步規劃哪些功能該整合於ASIC內，哪些功能可以設計在電路板上，以符合最大的經濟效能比。

2.設計描述（Design Description）

一旦規格制定完成，便依據功能（function）或其他相關考量，將ASIC劃分為數個模組（module）；此階段是整個設計過程中最要的關鍵之一，它直接影響了ASIC內部的架構及各模組間互動的訊號，更間接影響到後續電路合成的效能及未來產品的可靠性。

決定模組之後，便分交由團隊的各個工程師，以VHDL或Verilog等硬體描述語言進行設計－亦即功能的行為描述（behavioral description）；為能明確及有效率地描述模組的內部功能，各模組之下可能再細分成數個子模組（sub-module），直到能以可合成（synthesizible）的語法描述為止。這種一層層分割模組的設計技巧，便是一般所謂的階層式設計（hierarchical design）；這與早期直接以繪製閘級電路進行設計的時代，所使用的技巧是相類似的。此一步驟所完成的設計描述，是進入高階合成電路設計流程的叩門磚 ；習慣上，稱之為硬體描述語言的設計切入點（HDL design entry）。

關於此一步驟，亦有相關的輔助工具相繼推出。Design Book便是其中的代表；它利用一般工程師熟悉的圖形介面－如狀態圖及流程圖，協助初接觸以硬體描述語言進行設計的工程師，自動編寫出相對應的硬體語言描述碼。效能如何筆者不敢斷言，但它能依使用者決定，整合慣用之其他EDA工具的特點，倒是滿吸引人的地方。

3.功能驗證（Function Verification）

完成步驟2的設計描述，接下來便是利用VHDL或Verilog的電路模擬器，針對先前的設計描述，驗證其功能或時序（timing）是否符合由步驟1所制定的規格。通常，稱這類驗證為功能模擬（function simulation），或行為模擬（behavioral simulation），而這類的HDL電路模擬器，則通稱為行為模擬器（behavioral simulator）。

對於這一類功能驗證的模擬而言，模擬器並不會考慮實際邏輯閘或連線（connenct wires）所造成的時間延遲（time delay）、閘延遲（gate delay）及傳遞延遲（transport delay）。取而代之的是，使用單一延遲（unit delay）的數學模型，來粗略估測電路的邏輯行為；雖然如此無法獲得精確的結果，但其所提供的資訊，已足夠作為工程師，針對電路功能的設計除錯之用。
為了能順利完成模擬，在此，您還需要準備一分稱為測試平台（test bench）的HDL描述檔。在這份測試平台的描述檔中，必須盡可能地細描述所有可能影響您設計功能的輸入訊號組合，以便激發出錯誤的設計描述位於何處。幸運的話，或許在幾次修改之後，就可得到您想要的結果，順利進入下一個步驟。

4.邏輯電路合成（Logic synthesis）

確定設計描述之功能無誤之後，便可藉由合成器（synthesizer）進行電路合成。合成過程中，您必須選擇適當的邏輯閘元件庫（logic cell library），作為合成邏輯電路時的參考依據。元件庫的取得，可能直接來自於您的ASIC供應商（ASIC vendor, 負責協助客戶設計ASIC的廠商）、購自其他元件庫供應商（third-party ASIC library vendor），或是為了某種特殊原因，您亦可能考慮自行建立。

事實上，元件庫內含的邏輯閘資訊非常廣泛，大致上包括了以下各項。

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• cell schematic，用於電路合成，以便產生邏輯電路的網絡列表（netlist）。
  
• timing model，描述各邏輯閘精確的時序模型；元件工程師會萃取各邏輯閘內的寄生電阻及電容進行模擬，進而建立各邏輯閘的實際延遲參數。其中包括閘延遲（gate delay） 、輸出入的延遲（input delay / output delay）及所謂的連線延遲（wire delay）等；這在進入邏輯閘層次的電路模擬，以及在P&R之後的模擬都會使用到它。
  
• routing model，描述各邏輯閘在進行繞線時的限制，作為繞線工具的參考資料。
  
• silicon physical layout，在製作ASIC的光罩（mask）時會使用到它。

使用合成器有幾個需要注意的事項，其一就是最佳化（optimize）的設定。根據步驟1所制定的規格，工程師可對合成器下達一連串限制條件（constrain），根據這些條件，合成器便會自動合成滿足您規格要求的邏輯電路。最常見的三個限制條件（註3）有：操作速度、邏輯閘數及功率消耗。事實上，這三項限制條件之間是呈現互相矛盾的關係；也就是說：一旦您所下的限制條件太過嚴苛，將使電路合成的速度變得非常的慢，更甚者，有可能在花費大把時間後，仍得不到您想要的結果。

design entry硬體語言設計描述檔，其語法的編寫風格（HDL coding style） ，亦是決定合成器執行效能的另一個因素。事實上，無論是對VHDL或是Verilog而言，合成器所支援的HDL語法均是有限的；過於抽象的語法只適用於編寫cell library，或是做為系統規劃評估時的模擬模型所用，而不為合成器所接受。

此外，由於一般合成器的最佳化演算法則，都只能達到區域性最佳化（local optima）；因此，對於過分刁鑽的語法描述，將影響合成器在最佳化過程的執行時間。

利用圖3，可以簡單地說明coding style與最佳化之間的關係：一個良好的coding style，便如同位於A點上的球，合成器僅需花費些許的氣力，便可將其推至最低點（最佳點）。而相反地，較差的coding style，就猶如位在C點上的球，合成器需花費較大的功夫，才能將其推到B點；假若又加上較嚴苛的限制條件，則可能連B點都到不了。工程師應清楚的明白，對您所使用的合成器而言，哪些才是“良好的”coding style，而這些在使用手冊中都可以查得到。

5.邏輯閘層次的電路功能驗證（Gate-Level Netlist Verification）

由合成器產生的netlist，會在這個階段進行第二次的電路模擬；一般稱之為邏輯閘層次的電路功能驗證，或稱為P&R前的模擬，簡稱前段模擬（pre-simulation）。在此階段，主要的工作是要確認，經由合成器所合成的電路，是否如同原始的設計描述般，符合您的功能需求；利用邏輯閘層次模擬器（gate-level simulator），配合在功能驗證時已經建立的test bench，便可達到這個目的。

這裡出現兩個新的名詞：VITAL（VHDL Initiative Toward ASIC Library）、library及Verilog library；兩者均可視為先前所提及的cell library當中的timing model。在pre-simulation中，一般只考慮閘延遲，而連線延遲在此處是不予考慮的（通常在電路合成階段，是無法預測實際連線的長度，因此也就無法推測連線所造成的延遲）。
時序變異（timing variation）是此處經常出現的發生錯誤，這當中包括了，設定時間（set-up time）或保持時間（holding time）的不符合，以及脈衝干擾（glitch）現象的發生。而這些時序變異，基本上都是只是單純考慮閘延遲時所造成的結果。

6. 配置與繞線（Place and Routing）

這裡包含了三項主要的工作：平面規劃（floor planning）、配置（placement）及繞線（routing）。還記得在設計描述的步驟，您已將ASIC劃分成數個模組了嗎？floor planning的工作便是，適當地規劃這些劃分好模組在晶片上的位置。

比起模組內邏輯閘間的接線，各模組之間互連訊號的接線，通常會比較長，因此，他們所產生的延遲會主控ASIC的性能；在次微米製程上，此種現象更為顯著，這也就是為何先前特別強調，模組劃分的重要性。完成平面規劃之後，P&R工具便接著完成各模組方塊內邏輯閘的放置與繞線。

7.繞線後的電路功能驗證（Post Layout Verification）

在這個階段，經過P&R之後的電路，除了須重複驗證，是否仍符合原始之功能設計之外，工程師最關心的是，在考慮實體的閘延遲及連線延遲的條件之下，電路能否正常運作。與邏輯閘層次的電路功能驗證時發生的情況相同，您將面對諸如set-up time、hold time及glitch的問題；不同的是，此時若真有錯誤發生，您將面對更冗長的重複修正週期（iteration cycle）。也就是說，您可能需要回到最原始的步驟：修改HDL設計描述，重新再跑一次相同的流程。

麻煩還沒有完，由於需要參考的參數非常的多，模擬時間將花費您數倍於先前的模擬。經由P&R工具所產生的標準延遲格式（Standard Delay Format, SDF）檔，提供了詳實的物理層次的延遲參數；透過VITAL的參數回傳機制（back-annotation），模擬器能夠精確的預估數位電路的電氣行為，並且指示出發生時序錯誤的時間點，而您所須付出的代價就是“時間”。最後，非常幸運的您完成了這項驗證工作，便可以sign-off，等著您的ASIC vendor交貨了。