分类 VLSI&IC验证 下的文章 - 我的学记|刘航宇的博客

浅谈如何学好IC验证 要成为一名IC验证工程师，一定要懂一些设计，如果都不清楚自己在验什么东西，后面的工作也都无从谈起了。所以在时间足够的情况下，最好从最基础的数字电路知识开始学习，之后是 Verilog → SystemVerilog → UVM 这样一个顺序，需要具备以下一些能力：掌握数字电路和Verilog的基础知识，了解芯片设计的流程和结构。学习SystemVerilog和UVM等验证语言和方法学，能够搭建和使用验证环境，构建测试用例和激励场景。熟悉Linux操作系统和常用的EDA工具，能够使用脚本语言如Perl或Python进行自动化测试。能够阅读和理解设计规格，分析设计功能和边界条件，设计有效的覆盖率和断言。能够对设计缺陷进行调试和修改建议，与设计工程师进行沟通和协作。不断学习新的协议、技术和验证方法，提高验证效率和质量。学习UVM的方法有很多，但是一般来说，需要具备以下几个方面的知识：SystemVerilog的基础语法和面向对象编程的概念，如类、继承、多态等。UVM的基本构架和组件，如test、env、agent、driver、monitor、sequencer、sequence等，以及它们之间的连接和通信机制。UVM的高级功能和技巧，如factory、callback、register model、coverage等，以及如何使用它们来提高验证效率和可重用性。UVM的实际应用和案例分析，如如何搭建一个完整的UVM验证环境，如何编写不同类型的测试用例，如何处理异常情况等。为了学习UVM，可以参考以下一些资源：Verification Academy是一个提供免费在线课程和视频的网站，其中有专门针对UVM的基础和进阶课程，以及一些实例代码和演示。https://verificationacademy.com/courses/uvm-basicsUVM实战是一本中文书籍，介绍了UVM的基本概念和方法，以及一些常见的验证场景和技巧。UVM Cookbook3是一个在线文档，提供了UVM的各种知识点和示例代码，可以作为一个参考手册。https://www.cnblogs.com/dpc525/p/5047032.html

VLSI设计基础11-运算模块之加法器 参考书：数字集成电路-电路、系统与设计，本文栏目对其重点进行精简化1. 总论在时序电路中，时序电路=组合电路+存储电路在（9）~（11）中，已经详细介绍了存储电路（寄存器）在本文中，将介绍组合电路中比较重要的数据通路上的电路，可以认为是在时序电路中提到的​​，即用于逻辑运算和算数运算。在数集中，常用的数据通路组合电路有加法器乘法器移位器我们的目的，是追求以下几个方面的优化性能面积功耗如何优化：逻辑层次优化：利用状态机、真值表等，优化布尔方程得到一个速度更快、面积更小的电路电路层次优化：改变管子的尺寸；改变电路的拓扑连接（互补CMOS、动态CMOS等）2. 加法器加法器在数据通路电路中的地位类似于反相器在与或等简单逻辑电路的位置数据通路的电路的基础是加法器乘法器也是加法器扩展而来的加法器是限制数据通路运算速度的元件。1. 一位全加器（FA）传统表达方式定义：根据输入的二值数据、进位信号，计算得到结果和进位。【注】：异或，常见结构有：同或，结构如下（即“异或门结构2”的“非”）：P、G、D​函数表达真值表如下：逐位（行波）加法器所谓逐位（行波）加法器，指的是将N个​一位全加器（FN​​​​）串联在一起构成加法器。如下图2. 【结构】设计全加器FA互补静态CMOS结构FA镜像加法器该加法器是根据互补静态CMOS结构FA改进得到的，镜像加法器的下拉网络和互补CMOS结构FA完全相同。电路图如图所示，3. 传输门型加法器——传统型4. 传输门型加法器——曼切斯特FA静态电路动态电路动态电路简单动态电路单向工作，传输门使用NMOS管实现该电路不需要D曼切斯特进位链加法器【逻辑】设计全加器FA旁路进位加法器 延时 $t_}=t_}+M t_}+\left(\frac-1\right) t_}+(M-1) t_}+t_}$线性进位选择加法器平方根进位加法器4. 【重要】超前进位加法器原理块运算点操作步骤如下：Kogge-Stone 16位超前进位加法器Brent-Kung 16位超前进位加法器

VLSI设计基础9-时序逻辑电路设计(一) 参考书：数字集成电路-电路、系统与设计，本文栏目对其重点进行精简化1. 时序电路的相关概念1. 时序电路框架：时序电路=组合电路+存储电路结果：取决于当前的输入和过去的状态。2. 静态/动态存储器静态存储器：上电就保持存储状态通过正反馈，有意将输入和输出连接如果长时间不用可以用门控时钟关闭（起到降低功耗的作用）动态存储器：简单而言，即传输门+反相器，如下图。利用寄生电容存储高低电平只能存储较短的时间（ms级别）（电容小等原因使得存储时间短）需要周期性刷新来补偿泄露电荷（参见（9）动态门）结构简单，有较高性能（管子少，RC​小）和较低功耗（不存在静态功耗）3. 时序参数（重点）为何这么说？因为只有当满足了建立时间，此时时钟CLK​​​​才可以翻转，即此时的数据才是输入端输入的数据所以输入端数据的50%即为时钟的50%小贴士：建立时间tsu和保持时间thold​​​都是​针对时钟的有效沿而言的。即，输入数据50%的时间对时钟有效沿50%的时间；对于传播延时，输入信号50%（即时钟信号）时间对输出信号50%时间4. 时序约束条件（重点）1.时钟周期T2.保持时间thold5. 锁存器和寄存器静态锁存器/寄存器1. 静态锁存器1. 电路图与分析以正锁存器为例，电路图如下，电路结构：以传输门为主体的二选一选择器；CLK=1，Q=D；而CLK=0，通过正反馈，输出端和输入端连接。2. 时序参数分析1.5中提到，分析正锁存器时，需要注意的时钟边沿是时钟的下降沿。这是因为，在CLK=1时，Q=D​，属于透明传输，即输出随输入随时变化。其信号传播路径：D-①-②-③-Q当CLK=1->0时，锁存器将要对输入数据进行所存。因此需要考虑建立时间tsu​。如果要让数据可以正确锁存下来，需要④⑤之间的节点的电平等于③⑤之间节点的电平，即$$ D_=D_ $$2. 静态寄存器——边沿触发寄存器边沿触发寄存器，又称主-从寄存器，由主、从两个锁存器组成电路图与分析主-从寄存器，由主锁存器——负锁存器、从锁存器——正锁存器组成。时序参数分析寄存器复位——同步/异步同步复位（RST=0时复位）异步复位（clr=0时复位）3. 动态锁存器/寄存器动态锁存器电路图：使用电容电荷表示一个逻辑信号。但是值的保存时间有限（ms）（漏电时间），需要周期性进行刷新。动态寄存器电路图工作原理：时间参数分析：存在的问题优化——提高噪声容限3.C2MOS寄存器4. 流水线和多周期路径(重点)流水线电路的工作速度取决于时序电路间的组合逻辑可以通过将复杂、延迟大的组合逻辑（如计算lg(AB)）通过寄存器进行分割，提高做工效率。需要注意时序设计。每增加一个寄存器，结果就落后一拍！多周期路径主要是写RTL代码时需要注意。如果一个组合逻辑计算需要多个时间周期完成，可以通过一个cnt进行移位（移位运算量小）。当满足某个条件时，寄存器en=1，输出结果。如：某运算需要经过四个周期完成，可以声明cnt=4'b0001，每个时钟进行左移，当cnt[3]==1'b1时，en=1，输出结果。

VLSI设计基础7-传输管与传输门逻辑 参考书：数字集成电路-电路、系统与设计，本文栏目对其重点进行精简化传输管逻辑1. 有比逻辑传输管逻辑是有比逻辑；互补CMOS是无比逻辑。简单而言，无比逻辑：输出的高低电平和尺寸无关。比如互补CMOS可以直接把输出电压拉到VDD或者GND有比逻辑：输出的高低电平和尺寸有关。基本没办法直接拉到最大逻辑摆幅。上拉网络由一个负载代替，如下三种常见的负载（电阻负载、有源负载、伪NMOS负载）输出端的电压摆幅和门的功能取决于NMOS和PMOS的尺寸比对于伪NMOS管负载优点：逻辑门减小，面积减小，只需要n+1个管子，而互补CMOS需要2n个管子缺点：有比逻辑，达不到最大逻辑摆幅。可能没办法完全关断MOS管，静态功耗增加。应用：面积要求严格，性能要求不高的场景。2. 传输管逻辑区别传输管逻辑和互补CMOS有以下差别：串联综合以上的区别，原因主要出在于输入端可以从D、G，而输出从S，从而使输出和输入之间存在VTH的压降为了减小VTH​带来的影响，传输管串联采用D-S-D-S的方式，而不采用D-S-G-S的方式前者只有一个VTH压降，而后者有两个如下：3. 互补传输管逻辑（CPL）优点：互补输入输出每个输出节点都有一个低阻路径连接到VDD或者GND模块化缺点：存在VTH，充电充不到VDD，只能充到VDD-VTH解决方法：电平恢复、多种阈值晶体管、传输门逻辑确定输出：3. 传输门逻辑

VLSI设计基础5-CMOS组合逻辑门电路 参考书：数字集成电路-电路、系统与设计，本文栏目对其重点进行精简化1. CMOS电路的分类静态互补CMOS电路即常见的CMOS电路——开关模型=理想开关+有限电阻门输出通过一个低阻连接到VCC和GND​，输出为该电路实现的布尔值（0或者1）特点如下：高噪声容限（见（4）噪声门限）。高输入阻抗，低输出阻抗静态功耗可忽略（见（4）功耗）动态CMOS集成电路信号暂时存储在高阻抗电路节点上面的电容上——RC大特点如下：门电路简单、速度快设计和制作工艺复杂对噪声敏感2. 静态互补CMOS设计何为互补CMOS互补CMOS由上拉网络（PUN）和下拉网络（PDN）组成，每个输入都分配到上拉和下拉网络如下图，以与非门为例：规则以NMOS管作为分析对象， 串与，并或 即，NMOS管串联，实现与非功能；NMOS管并联，实现或非功能。其关系如下图：为何是非？因为互补CMOS本身脱身于反相器，故自带非逻辑。PMOS与之对偶【静态CMOS】分析逻辑门电路CMOS管构成的电路分析，使用开关模型——理想开关+有限电阻+电容以两输入与非门为例，如下图注意：有节点的地方，一般都有电容。如上图两输入与非门所示，两个串联的NMOS管之间存在节点，于是存在一个电容Cint​；上拉和下拉网络之间存在节点，这个节点正好是输出结果的节点​，为CL2. 【重点】如何确定晶体管尺寸3. Elmore延时模型【用途】：用于大概估算具有众多电容、电阻电路的延时，适用于【RC树】最基本的公式：$t_p=0.69 R C=0.69 \tau$$\tau=R_1 C_1+R_1 C_2+\left(R_1+R_3\right) C_3+\left(R_1+R_3\right) C_4+\left(R_1+R_3+R_i\right) C_i$于是4. 【Elmore延时】计算复合门延时——【多扇入】分析【多扇入】：晶体管串联导致电阻增大，传播延时随着扇入数的增大而增大一个门的无负载本征延时最坏情况下，延时约为扇入数的二次函数实际应用中，一般扇入数不超过45. 降低【多扇入】的电路的延时调整管子尺寸​ ——逐级加大晶体管尺寸，即在Elmore分析中出现最多次的管子的电阻应该减小（W增大）尺寸：M1>M2>M3....>MN重新安排输入​ ——关键路径上的晶体管应该靠近输出端。关键信号：一个门的输出信号中，在所有输入中最后到达稳定的信号。关键路径：决定一个结构最终速度的逻辑路径称为关键路径。原理：越靠近输出端，信号需要经过的管子少，RC延时短。1.重构逻辑结构​ ——多扇入逻辑电路拆解成若干个较低扇入的逻辑电路。前面Elmore延时模型已经知道，延时和扇入数接近平方关系增长。于是降低扇入数，可以降低电路的整体延时。加入buffer隔开大扇入和大扇出6. 延时和【扇出】7. 总结关于逻辑门的延时，给出如下的公式进行描述$t_p=a_1 F_I+a_2 F_I^2+a_3 F_O$​FI表示总的等效扇入，Fo表示总的等效扇出。可见，延时与扇入成平方关系，同扇出成线性关系

VLSI设计基础3-导线与互联问题 参考书：数字集成电路-电路、系统与设计，本文栏目对其重点进行精简化1. 互连参数导线材料金属层多晶硅层n+或p+扩散层互连参数——电容平板电容模型边缘电容模型互连参数——电阻方块电阻：扩展:芯片中的互连，一般高层的金属层一般W较大,于是电阻更小。即W↑→R↓→功耗P↓,RC↓因此高层金属层，如M4、M5,常用于时钟、电源等关键信号的布线中间层金属用作于信号线。互连参数——电感当频率上GHZ的时候，才会去考虑电感的作用。2. 导线模型模型理想导线：一般用于较大尺寸的工艺中集总模型适用情况：电阻小；开关频率中低水平内容：将一条导线上的电容集总成一个电容集总RC模型适用情况：电阻较大，不可忽略；开关频率中低水平内容：将一条导线上的电容集总成一个电容，电阻集总成一个电阻不足：当互连线太长时，该模型当变得保守分布RC模型（重点）适用情况：互连线长；导线电阻、电容不可忽略根据推导可知，一条导线的延时同他的长度呈现二次方关系和集总RC模型对比分布RC模型得到的延时是集总RC模型的1/2适用于长互连线 传输线模型适用情况：高频、射频、微波；互连材料好，其导线电阻保持在一定范围内。内容：高频情况下，需要考虑电感的作用3. 总结互连问题寄生参数对于电路的危害：影响信号的完整性降低信号的性能增加延时增加功耗寄生的类型——电容、电阻、电感1. 电容寄生效应此处讨论电容寄生主要是串扰串扰的定义：由相邻的信号线之间不希望有的耦合引起的干扰小贴士：耦合有多种，常常是电容性的耦合串扰引起的噪声难以捕捉串扰的危害串扰将使得导线的延时难以预见，故产生了下文“可预见的导线延时设计”可预见的导线设计估计改进方法：不断参数提取，不断仿真，不断优化缺点：设计过程需要多次重复，时间长备注：最常用能动性的版图生成布线程序考虑相邻导线的作用缺点：主要由EDA工具完成，在如今EDA工具的要求高备注：有吸引力；已经有一些EDA工具具备该功能可预测的结构方法：密集型布线结构——同层信号线使用电源线隔离，相邻层采用垂直布线。缺点：面积和电容增加了+5%，功耗和延时增加优点：减小了电容串扰，延时差别也下降到不超过2%克服电容串扰的方法尽量避免浮空节点，对串扰敏感的节点，加保持器降低阻抗、敏感节点应当很好地与全摆幅信号隔离在满足时序约束的范围内尽可能加大上升（下降）时间在敏感的低摆幅布线网络中采用差分信号传输方法不要使两条信号线之间的电容太大在两个信号之间增加屏蔽线（即加GND或VDD​），使线间电容变成接地电容来消除串扰，但增加了电容负载使用屏蔽层GND或VDD2. 电阻寄生效应总论原因：芯片尺寸的减小，使得线宽减小，导线电阻增加，导线压降增加。常考虑：电源网络设计——导线消耗了电压，使得供给门电路的电压下降供给门电路的电压下降的危害噪声容限降低延时增加降低电迁移的方法改变金属线属性。​ 如合金或者Cu代替Al导线，但是成本增加。降低温度。​ 降低温度可以减小电迁移发射概率。​ 芯片封装上面需要考虑散热问题。增加线宽。​ 增加线宽可以降低平均电流密度。​ 缺点；增加布线资源，成本增加​ 优点：增加线宽不仅可以降低平均电流密度，还可以降低金属温度，间接又抑制了电迁移。3. 性能——长导线延时总论原因：根据导线模型——分布RC模型，可知$t_p \propto L^2$​。为了降低电路延时，提高电路的响应速度，需要降低导线寄生电阻。​降低长导线延时的方法采用更好的互连材料。​ 导线：铜、合金等；绝缘材料：低介电常数的材料​ ※但是，这种方法不是解决长导线延时的根本方法。增加互连金属层的数目​ 管子数目增多驱动这金属层数目增多。​ 局部线（底层金属层做信号传输）采用高密度，全局线（高层金属层走全局信号，如时钟线、电源线）采用更好的互连策略——对角线法采用对角线式布线（如上图），现场可较小29%，但是对于EDA工具、掩膜制作的要求高，难度大。​ 目前一般采用曼哈顿式布线，即横平竖直式的布线。中间插入中继器——中继器​ 长的互连线中插入中继器（如inv buffer），强行减小导线长度。但是中继器也存在延时。优化互连结构——寄存器或锁存器​ 方法：导线流水线——长互连线中插入寄存器或者锁存器，将导线分成K段。​ 优点：可以提高数据处理能力。每段导线中可以加入中继器进行进一步优化。

VLSI设计基础1-数字IC引论：度量指标及版图基础 参考书：数字集成电路-电路、系统与设计，本文栏目对其重点进行精简化引论1. 数字设计中需解决的问题摩尔定律：技术突破才能推动摩尔定律特征尺寸：28nm是传统制程和先进制程的分界点存储器容量：存储器的容量增大，意味着功耗增大，意味着稳定性下降（发热）。如果想要实现更大容量的突破，需要寻找新技术或者新架构使功耗不能超过功耗红线晶圆尺寸：晶圆尺寸增加，单位硅片数量增加，所需的技术越先进，最终成品芯片价格也越低技术突破：大直径的硅片可以大大提高成品率2. 集成电路质量评价-重点注：①是取决于制造工艺复杂行参数，常取值3②单位面积缺陷数常取值0.5~1个缺陷/cm²③芯片成本 $=f(\text )^4$稳定性与功能性噪声：电容耦合、电感耦合、地线耦合※※※【重点】性能——延时tp、工作频率​​性能常与时钟周期、时钟频率相关重点：延时1、传播延时：输入和输入波形的50%翻转点之间的时间如图：定义传播时间tp为$t_p=\frac+t_}$一般而言，①TpLH和TpHL不会完全相等②如果要求传输延时＜t，则意味着TpLH<t并且TpHL<t2、上升时间tr3、下降时间tf功耗和能耗取决的因素太多了。常常有：瞬时功耗、峰值功耗（研究电源线尺寸）、平均功耗（研究冷却或者对电池的要求）3. 数字IC基本概念-重点电压传输特性VTC（DC传输曲线）可接受的高电压、低电压区域：VIH和VIL定义为VTC增益=-1的点噪声容限=minNMH=|VOH-VIH|NML=|VIL-VOL|再生性保证一个受干扰的信号经过若干个组合逻辑之后依旧回到一个额定电平（高或者低，不是不确定态）抗干扰能力方向性6.扇入和扇出扇入和扇出个数和一些延迟有关4. IC全定制流程版图基础1. CMOS版图1、图编辑工具：virtuoso、max2、工艺层的概念：将cmos使用中难以理解的掩膜转化为一组简单概念化的版图层3、可伸缩的设计：将版图所有参数定义与$\lambda$，利用EDA工具使之在想要兼容的工艺间转换。如0.25转为0.18。早期的工艺中，这个缩放比例可以达到75%左右，随着如今器件尺寸的减小，该比例只有90%左右了。不足：①由于不同工艺之间的非线性，线性缩放仅在有限尺寸范围内；②可缩放规则是保守的，结果会使得标准单元尺寸过大或者过小。4、晶体管的尺寸由W/L指定。 给定一个工艺，最小线宽为2$\lambda$；5、在版图中，只要多晶硅穿过扩散区，就形成一个晶体管随着工艺的发展，电源电压VDD呈现下降趋势。2. 设计规则检查设计规则检查工具：Calibre DRC设定规则的目的：可以很容易的把电路的概念转换为硅上的几何关系。Calibre的规则相当于是行业的标准了。其规则是基于边（edge）的DRC/LVE工具，所有的计算都是基于边来计算的，其中”边“分为”内边“和”外边“常见的三个指令：internal：检查多边形的内边距external：检查多边形的外边距enclosure：检查多边形的交迭3.棍棒图1、要求：①将棍棒图转为管级电路图、并且写出输出表达式；②将管级电路图转化为棍棒图2、特点：仅用象征性的符号表示电路的拓扑结构不需要标尺寸大小棍棒图中棍棒的位置很重要3、棍棒图中的串并联以下为版图的：串联：并联：