如標題所寫，我們今天聊一聊IC設計種的ECO。在展開關于ECO的概念之前，我們先大致捋下數字IC設計的流程，有助于我們后面的討論。

數字IC設計流程簡述

1、確定項目需求

根據市場或者芯片功能要求，設計芯片的spec，得到可行的芯片設計方案。

2、系統(tǒng)級設計

用系統(tǒng)建模語言對各模塊進行描述

3、前端設計

RTL設計、功能仿真、硬件原型驗證、電路綜合、DFT、STA

4、后端設計

版圖設計、物理驗證、后仿真

在復雜的設計流程中，bug是難以避免的。對于芯片設計而言，bug自然是越早發(fā)現(xiàn)越好。但是仿真驗證差不多，進入RTL freeze階段后，一旦發(fā)現(xiàn)新的bug，就變得有些麻煩。

因為RTL freeze前，你可以通過修改RTL來更正你發(fā)現(xiàn)的bug。然而RTL freeze之后，后端人員做好了floorplan，或者已經開始布局布線，這個時候再去重新做一遍，既耗時耗力，又會惹怒后端。這顯然不是好的選擇。

如果這個時候即將tapeout，甚至已經tapeout，根本就沒有機會修改RTL了。

這個時候，我們就需要ECO，來修正我們的失誤了。

什么是ECO？

ECO，即Engineering Change Order的縮寫，指工程改變命令。

什么意思呢？簡單來說就是手動修改集成電路的過程，換句話說，就是直接手動修改netlist。

一般應用于數字芯片版圖設計。

對于數字IC設計而言，ECO這一步實際上是正常設計流程的一個例外。它是對設計的layout進行局部的小范圍的修改和重新布線，而不影響到設計的其它部分的布局布線，所以其它部分的時序信息沒有改變。

根據功能的不同，ECO可以分為功能改變和非功能改變。功能改變是指由于來自客戶對設計的追加需求（spec改變）或者設計的最后階段發(fā)現(xiàn)芯片存在 bug 的情況下進行的 ECO；而非功能改變則是為了在不改變 RTL 網表的基礎上修復部分時序以及串擾等問題而做的 ECO。

說到底，ECO的目的就是省錢省時間。

那么在不同階段，進行ECO，有什么樣的區(qū)別呢？

在階段上，數字IC設計中的ECO大體可以分為：tapeout前的ECO，tapeout過程的ECO，tapeout后的ECO。

Tapeout前的ECO

在RTL freeze后，tapeout前這一階段，RTL已經沒法修改，但是好歹也沒有進入tapeout，還有補救的機會。

此時數字前端負責寫coding的工程師需要在final RTL的基礎上，通過寫ECO腳本的方式來實現(xiàn)功能上的ECO。

ECO代價：時間成本，相對較小

Tapeout過程中的ECO

當數字后端實現(xiàn)后的design，timing已經符合signoff標準，DRC已經clean，LVS已經pass，IR drop，MVRC，F(xiàn)ormality，DRCPLUS等都已經pass。

但是，數字前端設計工程師還沒來得及做完大部分case的后仿，而且芯片又面臨著Timing-TO-Market的壓力。此時，進入tapeout階段。

為什么不給自己留更多余地呢？因為foundary會先做base layer的加工。只要后期仿真發(fā)現(xiàn)的問題，不需要再添加額外的cell，就不耽誤之前的tapeout（此處有點像流水線）。即使發(fā)現(xiàn)需要新加幾個cell，這個時候仍然可以通過替換后端實現(xiàn)過程中所加的ECO cell或者spare cell來實現(xiàn)。

ECO代價：時間成本較大

Tapeout后的ECO

當芯片已經tapeout回來，我們在測試過程中卻發(fā)現(xiàn)了必須修復的bug。這個時候做ECO的代價相對前面兩種，就要大很多。

改動少的可能僅需要改幾層Metal layer，改動大的話可能需要動十幾層Metal layer，甚至重新流片。在此階段，前端設計工程師需要出具ECO方案，同時讓后端工程師進行評估，主要評估需要改動的層數，timing 是否能快速收斂等方面的風險。

在一次次確認后，敲定方案，進行ECO。

ECO代價：時間與金錢成本巨大

由此可見，即使ECO能夠亡羊補牢，但是為了節(jié)省更多的時間和金錢成本，還是盡早發(fā)現(xiàn)問題，盡早解決吧。

關于ECO的分類：

常見的ECO可以分為pre mask ECO和post mask ECO，也就是任何layer都可以動到的ECO和只修改metal layer的ECO。

兩者的區(qū)別在于，pre mask ECO的晶體管和布線層都還沒有開始做出mask，此時可以往netlist里面添加cell。而post mask ECO的晶體管層已經開始進行加工了，但是布線層還沒有加工，還能修改，可以通過ECO改變各種已有cell的連線關系，但是不能添加新的cell，有一定局限。

換句話說，從freeze到tapeout之間的ECO叫pre mask ECO；tapeout之后，已經加工完芯片的晶體管，但是還沒有做晶體管連線期間的ECO叫做post mask ECO。

Pre mask ECO：

Pre mask ECO比Post mask ECO要靈活得多。在tapeout之前，如果發(fā)現(xiàn)有任何需要修改的地方，都可以用這種方法。它可以改成百上千個單元。該操作主要是針對靜態(tài)時序分析和后仿真中出現(xiàn)的問題，對電路的網表直接進行修改，待網表修改完畢之后反饋到PR工具中對標準單元的布局和連線進行小范圍的改動。當然，直接對網表進行修改是存在風險的，所以之后一定要進行形式驗證（formal verification），確保功能實現(xiàn)。

Post mask ECO：

Post mask ECO是利用預先留好的備用單元（Spare Cell），做的邏輯修改。如果后期發(fā)現(xiàn)Timing存在問題（或者想小動Function），可以利用附近的Spare Cell搭配上層金屬連線來修改電路結構。比起Pre mask ECO，這種ECO受限于Spare Cell的位置，所以它的修改規(guī)模十分有限。

Spare Cell：

Foundry提供一種服務，允許客戶在wafer加工到poly以及M1層的時候，讓大部分wafer暫時停止加工，而少量wafer繼續(xù)加工直至完成。之后可以對這些完成了的wafer上的die進行測試，如果發(fā)現(xiàn)存在功能或者時序上的問題，那么可以通過利用那些預布在die上的spare cell來解決。

由于絕大部分的金屬層都沒有加工，因此在不修改標準單元布局的情況下，只用改動幾層金屬的mask并利用spare cell去修復這些問題。如此一來，也大大降低了流片的風險。而Post mask ECO則提供了一種根據silicon測試結果進行Debug的方法。

Post mask ECO 可行的前提是設計里有足夠的可供新功能實現(xiàn)的cell, 如Spare cell, Freed cell, GA cell。

Freed cell，這些cell原本服務于原始的邏輯功能，但是因為邏輯功能更改，被釋放出來，既然已被釋放故可以用于來實現(xiàn)新的功能。GA cell，是內部晶體管沒有鏈接的cell，是可以被“編程”的cell，在做ECO 時，通常用最底層金屬如M1 將GA cell 內部的晶體管鏈接起來，以實現(xiàn)對應的邏輯功能，如：與或非、選擇器、寄存器等。

而Post mask ECO的修復則受制于這些cell的位置，可以說是不太靈活了。

從邏輯和物理來看，ECO又可以分為Logic ECO和Physical ECO。Logic ECO是對網表的邏輯功能的修改。在芯片設計的后期階段，前端工程師可能會發(fā)現(xiàn)設計上的某些bug，進而需要對電路做修改，而此時的schedule已經不允許進行重新綜合，因此會選擇在PR的網表上進行邏輯修改，一般情況是會增加一些邏輯或者將某些邏輯的net重新連接；而Physical ECO主要是針對PR工具無法完全修復的問題進行手動修正。一般包括Timing ECO，drc fix等。

ECO的實際運用與技巧

對于版圖工程師來說，經常會碰到一些function ECO的需求：

從上圖可以看到，為了保證數據庫有優(yōu)先級的收斂，最后的timing ECO會分為幾個主要步驟

·功能模式的時序修復：function mode

·存儲器自測模式的時序修復：mbist mode

·其他測試模式的時序修復：test mode

·芯片接口時序修復：IO mode

功能模式的重要性、工作量和難度都是最大的，需要盡早修復，然后是其他的模式。整個流程基本上是按照步驟和優(yōu)先級完成整個芯片的時序修復的。

改變功能的ECO被稱之為function ECO，但是實際上，這種ECO可能是針對真正的function mode的，也有可能是針對mbist 邏輯的，或者有可能是針對at-speed test mode的。

由于function ECO會引起潛在的timing arc的變化，因此帶入function ECO的時間點是有講究的。一般來講，只會在一種模式的timing修復告一段落的時候，才會帶入這個模式的function ECO。

假如在時間節(jié)點Pre-B，前端準備好了一個比較大的function ECO，這個ECO是給mbist服務的。通常需要先驗證這個腳本的正確性，如果腳本本身沒問題，在這個Pre-B的時候并不帶入，因為這個時候整個mbist的時序還不夠穩(wěn)定。

等到了Pre-C的時間節(jié)點，mbist的時序修復基本完成的階段，這時可以代入這個ECO。理論上講，新出來的timing violation都是由于這個腳本引起的。

增量設計工作模式，是ECO階段的重重之重，任何違背增量設計方案的舉動，都會造成局部損耗，甚至更糟的結果。

功能ECO的腳本生成的探究和技巧

后端一般會在最終layout的節(jié)點，給前端分享最終layout版本的網表。一般為了閱讀方便，后端都是給前端一個不帶PG信息的netlist。前端同學在完善數據庫的過程中，同時也會對各種問題進行評估，最終給出解決方案：

·軟件改動

·約束用戶行為

·硬件改動

如果有任何需要在硬件方面做的功能修改，前端會先保證RTL修改、驗證完成后，對相應的final layout的網表進行修改。

綜上所述，一個function ECO的誕生過程大抵如下：

前端主要關注功能，后端主要關注實現(xiàn)，對于下面的幾個主題的關注度，這里展示一下：

前端基于final layout的網表，改出來一版帶function ECO的功能網表，這個流程基本就算大功告成了。

ECO版圖實現(xiàn)的技巧和經驗

在ECO中，版圖的實現(xiàn)是非常重要的步驟。是否能完成STA的腳本期望，是數據庫能否走向收斂的關鍵點。一般的STA對應的ECO和相應的修復方法如下：

ECO的物理實現(xiàn)就是兩種情形

·size_cell

·add buffer

這里邊最會產生的影響其實是面積和器件的位置變動（dis-placement）

器件的位置變動帶來的影響都可能導致ECO無法如期進行，因為原有數據庫的cell的放置被調整，之前的繞線需要做相應的調整，同時帶來更多的timing/驅動能力的問題，這樣就會給數據庫帶來不期望的抖動。

為了盡可能保證原有數據庫的狀態(tài)，這里引入一個新名詞：Minimal Physical Impact Flow（MPI）。

較小的dis-placement帶來更為穩(wěn)定的版圖數據，繞線的挑戰(zhàn)也比較小，這是MPI的核心思想。

ECO收尾階段的風險和注意點

在ECO收尾階段，所有決策和行動都需要慎重，否則出了問題就叫苦不迭了。

先說結論，兼顧metal fill，MCMM以及VT cell的靈活使用，是ECO后期成功收斂的關鍵要素。

MCMM，全稱為：multi_corner和multi_mode，而multi_corner（PVT）：process/voltage/tmperature。

multi_mode：function/scan_shift/scan_capture。

看到它的全稱，想必你就明白它的重要性了。

至于metal fill，先進工藝是需要fill的支持，來保證流片的物理需求，fill是基于繞線和布局的，如果繞線或者布局改變了，就需要重新跑fill。所以在先進工藝，一定不能忽略fill對timing的影響，tapeout之前，一定要保證fill的信息完全和真實的數據庫匹配，這樣跑出來的timing才完整可信。

ECO的時序信息通常是增量示的，除非你改變了繞線。這是需要在ECO后期階段牢記的一點。

對于一個數據庫，經常會遇到在接近TO的ECO的迭代中，會冒出一些和修復timing沒有關系的微小的setup/hold violation。這個大多是由于繞線的細微改變，而導致的時序變化。這個時候，VT cell就會派上用場。

時間是TO前最值錢的，使用VT cell進行ECO，最大的方便時省略了ECO 繞線、寄生參數的抽取和STA的re-run。這三個步驟的時間是非常長的。有了VT cell的幫忙，這些時間統(tǒng)統(tǒng)可以省略。

經歷了這么一系列流程與注意事項，我們終于可以完成ECO，確保tapeout順利，獲得一塊good chip。

以上，經過筆者粗淺的總結和整合，將ECO相關的知識點與大家分享。

審核編輯 ：李倩