一颗芯片的前世今生：设计（流程概述）

1. 绪论

经过了立项和规格和计划的确认，此处我们开始讲芯片设计。

这个内容就挺多了，也可能是大家最关心的一个部分，可能要分几次讲。在整个流程中处于这位置。

此处由于我自己还是对数字芯片系统更了解，所以按数字的来。模拟芯片的设计流程后续有精力或者请个大佬补个概述。芯片的设计流程还是比较长的，我们先来个birdmap。这个图很复杂，看不懂的名词不要慌，我会一步一步讲。

2. 算法设计

我们先来讲第一部分，这个部分其实比较简单。所以就在此处讲讲，后续不再单独开章节来讲这个东西。芯片最终还是算法的一种加速。如果一个东西你用C++都实现不了，芯片怎么可能实现。第一步就是算法。

算法实现其实有两个步骤的。为什么有两个步骤呢，这就涉及到浮点和定点的区别。浮点精读高，但是硬件实现代价大，定点成本低，硬件实现代价小。一般先设计浮点算法，然后再牺牲一点精度，搞成定点算法。

浮点算法设计 浮点算法偏重于功能，由于浮点精度高，最原始的功能一般会用浮点实现。比如你要整一个AI芯片，你首先得用pytorch或者tensorflow训练出一个浮点网络，看看效果是不是还行，能不能实现网络正常的功能。算法链路先测试好了后续才能用芯片加速。浮点算法一般由纯软件工程师设计的。他们并不需要知道硬件实现，只需要对功能的正确性负责即可。

定点算法设计 定点算法就是找个位置，把浮点中的指数为给归一了。精度是肯定会损失的，但是换来了硬件设计的简单。这个也容易理解，用芯片算一个3.5+0.025和用芯片算一个3500+25复杂程度完全不一样啊。为了平衡精度和定点位宽，此处定点化可以有各种门道，比如采用批处理的定点化，一部分数据采用一个定点位置，另一部分数据采用另一个定点位置等等。总之就是，这一步实现的是如何用最小的定点位宽，在精度可接受的前提下实现浮点的算法。

3. 前端设计

和其他一些复杂的东西类似，比如编译器，网站等等类似，芯片设计也有前端和后端之分，前端到网表，后端到版图。

前端主要包含4个步骤：文档设计、编码、验证、前端实现。主要就是从设计需求到网表的一个流程。

4. 后端设计

这个步骤，主要是把网表整成我们最后的版图。可以直接丢给代工厂生产了。

一共7个步骤。此处给个概述，后面专门写文章介绍。

准备：这一个步骤中准备主要是准备一些库文件，前端准备好的网表，划分好harden, 然后穿线。

设计规划：设计规划主要是摆放一些大件，比如memory硬核，IO PAD, 电源网络等等，方便下一个步骤摆放小单元。

布局：这个步骤就把具体的单元摆放到版图上。

综合时钟：把时钟网络摆放好，保证到各个地方的长度都差不多。

布线：真正把线联通。此处会通过STA，不断调整布局以及routing。

ECO: 版图搞定后，需要工程师手动修一些东西。

芯片收尾：加入dummy, filler cells等等，让密度满足光刻需求。

最后验证：交芯片前，最后再验证一把。主要包含了后仿，形式验证，物理验证。

这7个步骤完成以后，就可以交版图给代工厂了，接下来就是等芯片回片。

最后的输出大概这设个样子的。

5. 总结

本篇内容是芯片设计的提纲。这个阶段的输入是设计需求，输出是芯片版图。设计主要涉及到3方面的内容，算法设计，芯片前端设计，芯片后端设计。一整个流程很长，至此芯片的设计过程就结束了，下一个过程就是制造！