【在此特別鳴謝原文作者邵亞利】【芯人類】EDA 是芯片之母是IC 設計最上游、最高端的產(chǎn)業(yè)。也是中國集成電路產(chǎn)業(yè)最薄弱的環(huán)節(jié)。為向集成電路專業(yè)師生和從業(yè)者中系統(tǒng)介紹EDA技術(shù)的前沿進展，芯人類將分多期全文引入《電子報》EDA前沿技術(shù)專欄。專欄特邀行業(yè)多位專家，全面系統(tǒng)地介紹國內(nèi)外EDA 的狀況和國產(chǎn)EDA 的發(fā)展。本文為電子報授權(quán)發(fā)表。包含混合SOC的設計，驗證和實現(xiàn)的方法流程三方面內(nèi)容，并重點介紹了驗證所需要了解的仿真器原理，和行為級建模相關(guān)的知識。共分三次發(fā)表。

片上系統(tǒng)（SOC）混合信號含量越來越高

集成電路從模擬電路開始，后來數(shù)字電路蓬勃發(fā)展，而今為了能夠滿足多種場合的不同復雜應用，例如高集成/低成本/可移動/多接口等要求，混合信號片上系統(tǒng)SOC（System On Chip）日益流行。SOC中的數(shù)模混合信號含量已經(jīng)從10%~20%增加到50%或更高。

例如，在以數(shù)字為主的SOC中，離不開連接真實世界的ADC（Analog-to-Digital-Converter），DAC（Digital-To-Analog-Converter），還有提供高速時鐘的PLL（Phase-Locked-Loop）以及射頻收發(fā)器，存儲器接口等。在以模擬為主的SOC中，也增加了Control/Trim/Calibration等數(shù)字邏輯，來補償PVT（Process， Voltage， Temperature）的變化，提高性能指標和良率。數(shù)模電路甚至在不同層次中緊密結(jié)合。

圖1 混合信號SOC典型框圖

這張圖是一顆混合SOC芯片，藍色部分是數(shù)字部分，通常有微處理器、基帶（BB）、總線、SRAM （緩存，或者叫內(nèi)存）、有NVM（非易失性存儲器），比如說像FLASH、EEPROM，或者OTP，還有Video， Audio， USB，以及外設的一些接口控制電路，像SPI、I2C、HDMI接口或者UART、GPIO、PWM控制等。

綠色部分是模擬或者模擬為主的混合模塊，通常有OSC/PLL振蕩器，有作為數(shù)字和外界的窗口ADC或者DAC，有邏輯控制的GPIO作為通用的I/O接口，為了給數(shù)字電路供電有LDO，因為數(shù)字電路需要比較穩(wěn)定的電源。

右邊第一個是PHY，是協(xié)議物理層，通常它本身也是一個數(shù)模混合的模塊，它既有數(shù)字電路也有模擬電路，把它放在這里就表示需要模擬工程師對它進行重點的關(guān)注。還有作為對微弱信號處理的放大器和模擬前端AFE（Analog Front End），AFE將模擬信號經(jīng)過放大處理，把它輸入到ADC或者數(shù)字電路當中。Power Management是經(jīng)常會用到的一個模塊，包括BUCK，BOOST或Charge Pump等模塊，另外就是傳感器的控制電路。前面這幾個模塊每個芯片都不一樣，有可能有，有可能沒有。但是左邊這一列，基本上每個SOC芯片都會有。

數(shù)模混合SOC設計常用流程與工具

既然數(shù)模混合SOC市場需求越來大，那么如何設計與實現(xiàn)一款混合SOC呢？本章節(jié)主要探討數(shù)模集成電路設計常用的流程與工具。

1.以數(shù)字為主的SOC設計流程

常用文檔編輯工具，從高級描述開始，采用Verilog， System Verilog或者C語言，去設計數(shù)字電路并制作Test Bench（TB）和層次化的模型，再用仿真工具去仿真模型，然后通過標準單元庫，自動綜合成門級電路，生成網(wǎng)表，再對網(wǎng)表進行布圖并生成三個文件（GDS、Netlist和Timing信息的SDF），設計告一段落。

在驗證階段需要模擬的Model，供數(shù)字控制模擬或者模擬返回到數(shù)字的模擬驗證。也需要固件的二進制碼供給TB對SOC進行仿真。

2.以模擬為主的SOC設計流程

區(qū)別于寫代碼，模擬IC設計通常是以電路圖來做設計，電路圖中包括電阻電容/MOS管等基本元件，和相關(guān)拓撲連接關(guān)系。模擬工程師通常先設計子模塊，電路圖的頂層則是由一個模擬頂層的線路圖和一個空的數(shù)字模塊構(gòu)成。

頂層仿真開始階段用Digital的RTL的IP模塊和Firmware組合，加之模擬電路，進行Analog On Top的仿真。仿真驗證通過后，RTL進行PR，再由Schematic Verilog-in組成最終頂層的線路圖，結(jié)合數(shù)字的SDF的Timing約束，完成PR后的仿真。

從后端看，頂層仿真后進行Analog layout將等在Digital PR完成，然后Stream-in進來一起形成TOP的Layout，即使有些IP可能不會給底層的GDS，通過Phantom View形成TOP的Layout，再對它進行LVS。

3.數(shù)模集成電路設計的常見工具

圖2 數(shù)模混合設計與實現(xiàn)的常見工具

數(shù)模混合驗證需要在頂層同時整合兩套設計流程。模擬工程師熟悉的流程是Schematic Based，數(shù)字設計師使用RTL module。

通常熟悉Cadence Virtuoso schematic + Spectre的是模擬設計者。數(shù)字設計工具Synopsys用VCS+Verdi，Cadence用的是Xrun+Simvison，此外還要搭建Firmware的設計環(huán)境。當然，寫程序和編譯還要用到ARM CC或者像GCC之類的工具。

后端設計，模擬往往用Virtuoso Layout，再加上Calibre，做LVS和DRC；數(shù)字設計要用DC綜合，時序分析PT（Prime Time），布圖用ICC（或Encounter），還有FM（形式驗證），Patten（測試矢量的自動生成）工具。

4.數(shù)模混合SOC并行協(xié)同設計流程

公開的/工業(yè)標準的數(shù)據(jù)庫的出現(xiàn)，例如Open Access（OA），對數(shù)模混合SOC方法學的開發(fā)與應用做出了重要貢獻。OA是一種層次化的數(shù)據(jù)庫，能同時存儲數(shù)字和模擬，從而不需要將數(shù)據(jù)從一種格式轉(zhuǎn)換到另外一種格式。公共數(shù)據(jù)庫是同步混合信號設計的基本要求，否則在以前單獨的模擬或者數(shù)字方法學中，每個區(qū)域?qū)Ψ蕉远际呛诤凶樱头浅Ｈ菀壮鲥e，甚至是低級錯誤，因為復雜的功能，不同的Background， 模糊的“Common Sense”，都增加了芯片出bug的風險，一些簡單錯誤可能會導致很嚴重的后果，例如功能不正常，過長的流片后的debug時間，昂貴的再流片成本，更重要的是Delay的研發(fā)周期，錯失的市場窗口。

通過OA數(shù)據(jù)庫的支持，數(shù)字和模擬之間完全透明，從而誕生了數(shù)模混合并行協(xié)同設計的流程，它可以同時汲取數(shù)模流程中的優(yōu)點，回避其缺點，從而最高效率地設計混合SOC。

以下表格對比和總結(jié)了以上三種數(shù)模混合IC的設計驗證與實現(xiàn)流程。

表1 數(shù)模混合IC的設計/驗證/實現(xiàn)流程

混合SOC驗證的挑戰(zhàn)與方法介紹

驗證是在流片前，保證芯片的設計滿足客戶應用的指標要求。數(shù)模混合SOC的驗證面臨很多挑戰(zhàn)，Time To Market的壓力，芯片的研發(fā)周期Schedule在不斷被壓縮，成本也越來越低，且IC人才又相對有限。驗證更需要一些對應的技巧與流程規(guī)范來達到驗證目的。

一個好的驗證，需要達到什么目的呢？首先是最起碼保證芯片的質(zhì)量，以便First Silicon Sample。在保證質(zhì)量的基礎上，需要提高效率。主要有三個維度：首先是Automatic，如何讓驗證環(huán)境自動化產(chǎn)生，Test Bench自動產(chǎn)生，甚至Model自動產(chǎn)生等；其次是Reusable，例如Stimulus，Checker等，又或是DV/AE（Application Engineer）和TE（Test Engineer）之間的Reuse。第三是Scalable，高度集成的數(shù)模混合驗證，通常需要很多人參與。如何讓新資源快速的Ramp Up起來縮短適應時間；這么多人工作在同一個項目上，且做到彼此不相互影響，不Block Other’s work， 那就更需要驗證環(huán)境和整個流程的分配協(xié)調(diào)，從而保證大家能夠“各自為戰(zhàn)”。

圖3 驗證目標

1.混合SOC驗證的挑戰(zhàn)

混合信號設計的復雜度急劇增長，促使設計隊伍需要各種技能的工程師緊密合作；隨工藝尺寸變小，需要電路抽象級別更高，以便在系統(tǒng)級進行分析和驗證；為縮小數(shù)模之間的設計差距，需要更多采納軟硬件結(jié)合的自動化方法；數(shù)模之間數(shù)據(jù)交互，需要EDA工具和設計方法學支持，以加速數(shù)模混合驗證的收斂。但是正如上文所述，數(shù)字模擬IC采用了不同的設計流程和工具，加之SOC復雜的功能性能要求，然而模擬工程師和數(shù)字工程師的背景卻很不相同，任何一個環(huán)節(jié)出錯，都可能造成嚴重的后果。

圖4數(shù)模混合設計驗證的挑戰(zhàn)

圖4列出來了目前公認的混合信號SOC所面臨的挑戰(zhàn)：模擬Spice/Fast Spice在復雜的SOC系統(tǒng)中仿真速度顯然不夠快，使得如果用最精確的模擬仿真會嚴重影響研發(fā)周期。晶體管-門級協(xié)同混合仿真比全Spice仿真要快，但是依然比較慢。對模擬電路去創(chuàng)建模型，則需要人才儲備，知識積累，以及模型開發(fā)與驗證時間。這是混合IC驗證面臨的前三大挑戰(zhàn)。另外還有缺乏模擬混合設計驗證IP，功耗意圖，為覆蓋率（Coverage）產(chǎn)生測試向量，軟硬件協(xié)同驗證等挑戰(zhàn)。

另外物聯(lián)網(wǎng)在低功耗方面的要求越來越高。造成芯片測試成本超過硅片本身，可測性設計就應該在設計過程中考慮。為此在保證正常功能與性能不降低的同時，增加片內(nèi)自建的測試電路（Scan，IDDQ等），會使芯片尺寸增大10%左右，加上冗余修復等電路，都為提高產(chǎn)品品質(zhì)和Debug提供了良好的基礎，但也增大了數(shù)模混合的驗證難度，因為不僅要驗證正常功能，還需要驗證可測試性功能。

2.混合SOC驗證的方法流程

為了模擬和數(shù)字仿真同步的、平行的運行，解決混合信號驗證的問題，有以下幾項選擇方案：

表2 混合SOC仿真驗證方案

顯然這四種方案各有優(yōu)缺點，經(jīng)常需要幾種方案交互使用。這就誕生了基于Model的驗證方法，以及層次化的驗證技巧。

行為建模使得仿真在速度與精度之間做了非常好的折中，極大的提高了仿真效率；而且也能夠讓驗證在項目的早期就介入其中，與設計并行，縮短整體研發(fā)周期。所以接下來本文第五部分將重點介紹Model知識。

層次化的驗證方法，是將Block級設計者與驗證者的工作，納入了整體驗證考量因素之中。哪些性能指標是應該在Block級進行驗證，無須在Sub-System再驗證，是需要有經(jīng)驗的工程師進行驗證規(guī)劃的。層次化的驗證，重點強調(diào)每個級別上驗證的側(cè)重點的不同，使其形成一種整體的互補策略。同時也在層次化的Reuse驗證部分的相同環(huán)節(jié)，減少Test Case 中Stimulus與Checker的創(chuàng)建。

圖5數(shù)模混合SOC驗證的方法

芯片的PVT變化，加之數(shù)字Random的概念，要求混合SOC必須做Regression測試，以便能夠遍歷所有的Mode和Setting，同時自動化的檢查PASS或者FAIL的仿真結(jié)果，以應對設計變化時候的快速驗證迭代。基于覆蓋率Coverage和斷言Assertion的指標驅(qū)動驗證（MDV），是數(shù)模混合驗證的重要內(nèi)容。這在純數(shù)字驗證中，已經(jīng)作為Sign Off標準。數(shù)字覆蓋率主要有代碼覆蓋率，有限狀態(tài)機覆蓋率，功能覆蓋率和結(jié)構(gòu)覆蓋率。混合信號的覆蓋率通過采用數(shù)據(jù)分級（bin）的概念，將連續(xù)的電壓電流等模擬值，轉(zhuǎn)換為離散的用戶自定義的范圍，從而實現(xiàn)覆蓋率的概念。斷言Assertion，就是捕捉設計的預期行為，來判斷數(shù)模混合屬性是否滿足Spec需求。標準的Assertion語言有PSL和SVA。為了滿足混合信號，IC標準委員會正在致力于模擬SVA（ASVA）和System-Verilog的AMS（SV-AMS）。

FPGA驗證對于驗證數(shù)字模塊有用，簡單的數(shù)字模塊仿真能夠覆蓋。復雜的數(shù)字模塊，比如有上位機軟件互動等，可以有效減少仿真驗證工作量。對于提前開發(fā)軟件、燒錄工具、自動測試有幫助。對于數(shù)模混合部分，F(xiàn)PGA驗證環(huán)境很難搭建。形式驗證和硬件加速目前還沒有針對模擬電路大量使用。所以以模擬為主的混合SOC主要以仿真驗證為主。

數(shù)字驗證已經(jīng)有了比較流行的UVM（Universal Verification Methodology）方法學，混合信號領域的UVM-MS方法擴展包括模擬模塊的驗證計劃，模擬信號的產(chǎn)生，模擬屬性的檢查和斷言技術(shù)，以及模擬功能覆蓋的分析。

圖6 驗證流程介紹

最后，從項目研發(fā)進度的角度談一下驗證的流程。在項目剛開始階段，需要考慮混合驗證的策略（Strategy），主要包括驗證目標是什么，客戶要求Spec有哪些，項目周期，開發(fā)人員數(shù)量與技能等。項目風險在哪里，以前類似產(chǎn)品有哪些Bug。在方法學上采用自上而下與自下而上的結(jié)合么？怎么樣做層次化的驗證？建立Model的策略是什么？

清楚了策略之后，就需要開始具體制定驗證計劃。包括驗證需要哪些Input File，哪些Output result，采用什么樣的驗證工具與手段，是否需要形式驗證等。哪些通過RTL進行，哪些需要通過混合仿真，哪些需要通過晶體管仿真進行。

制定完計劃后就是具體的實施階段。主要包括驗證環(huán)境（ENV）的搭建，UVM的引入，基于Model驗證的Model本身的創(chuàng)建，以及Test Case所涉及的Stimulus，Checker與Assertion。

當Test Case建立完成以后，就需要開始跑Regression，分析Coverage，做MDV驗證。

最后還要做一些后仿真。模擬的寄生R，C，的仿真，數(shù)字基于SDF的門級仿真。也需要做一些和可靠性相關(guān)的檢查，例如電子遷移EM，過壓OV，浮點Floating Nodes，與老化Aging等檢查。

【在此特別鳴謝原文作者邵亞利】

作者簡介

邵亞利，模擬混合信號設計驗證專家。浙江大學本碩，“模擬混合信號設計驗證”公眾號（yaliDV）創(chuàng)始人。曾就職于德州儀器（TI），現(xiàn)就職于亞德諾（ADI）半導體公司。ADI（Analog Devices） 是全球領先的高性能模擬技術(shù)公司，憑借杰出的檢測、測量、電源、連接和解譯技術(shù)，搭建連接現(xiàn)實模擬世界和數(shù)字世界的智能化橋梁。

責任編輯:pj