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在AI、大模型、智駕、物聯網等技術持續演進的推動下，晶片設計正加速邁入“高度定製化”時代。過去那種依賴標準單元構建大規模晶片的模式，已難以滿足日益精細化、場景化的設計訴求。
為了在面積、功耗與效能之間找到更優平衡，越來越多設計團隊開始引入非標準單元/定製單元——如高速CDC（時鐘域跨越）模組、脈衝鎖存器、動態暫存器、多輸入線與latch等，用於打破傳統架構限制，實現更具針對性的系統最佳化。然而，定製設計的靈活背後，也帶來了新的挑戰。非標單元因其結構多樣、行為複雜，給EDA工具的建模能力提出了更高要求。尤其在晶片開發過程中，K庫（Library Characterization）特徵提取這一關鍵環節，正成為影響設計進度與成品可靠性的“隱形引擎”。
小知識
興
趣
班
如果說標準單元庫是功能搭建的“樂高積木”，那麼K庫就是賦予這些積木真實物理行為的特徵化“基因圖譜”。它透過高精度模擬提取時序、功耗、噪聲等關鍵引數，生成Liberty格式模型檔案，為時序收斂、邏輯驗證與效能最佳化提供堅實支撐。
在K庫的EDA工具方面，華大九天推出的Liberal產品，以其高效精確的特徵化提取能力，AI智慧化技術和全面的單元庫質量驗證功能，構建了業界領先的全棧式K庫解決方案，其K庫物件包括標準單元Standard Cell，IO，Memory和混合IP等，籤核Signoff級別輸出，全方位“K庫”+“驗庫”工具鏈(包括Qualib質量驗證工具、XTime高精度時序模擬分析工具以及Liberty Python API介面等)，同時支援CPU和GPU平臺。更多請點選檢視《全棧式K庫解決方案Liberal，賦能數字IC設計》。
越定製，越考驗K庫工具的能力。正是在這一背景下，華大九天Liberal產品針對客戶的定製非標準單元更是提出了有力解決方案，用高效率高精度的籤核（Signoff）標準為先進工藝的複雜設計保駕護航。下文將圍繞幾類常用的非標準單元電路，一起看Liberal如何為晶片設計注入新動能。
高速CDC單元
在多時鐘域晶片設計中，資料傳輸的亞穩態問題如同隱藏的 “定時炸彈”，隨時可能引發系統錯誤。高速 CDC（Clock Domain Crossing）單元應運而生，它採用兩級或多級鎖存器流水線設計，就像為資料搭建了一座堅固的“跨時鐘橋樑”，確保資料在不同時鐘域之間實現安全、可靠的傳輸。
然而，對高速CDC單元進行K庫特徵化提取並非易事。其亞穩態特徵極易受工藝、電壓、溫度等複雜因素的干擾，因此需要極其精準的建模技術。任何微小的偏差，都可能在後續設計中埋下隱患，引發難以察覺的時序問題。
脈衝鎖存器
脈衝鎖存器打破傳統時鐘邊沿觸發的常規，利用窄脈衝進行資料鎖存，大幅降低了功耗，在追求低功耗的晶片設計中備受青睞；在高速設計中還可以利用latch的特性實現timing-borrow。它的工作原理類似於用“短脈衝快門”捕捉資料瞬間，在合適的脈衝寬度內，資料被精準鎖存。
但這種創新設計也帶來了K庫提取的難題。脈衝寬度的精確控制直接影響鎖存器的效能，過寬或過窄的脈衝都會導致資料鎖存錯誤,其魯棒性不好，且該脈衝脈寬需要滿足一個最小脈寬要求。同時，如何準確捕捉其時序視窗，成為 K 庫建模必須攻克的難關。
動態暫存器
動態暫存器採用電容儲存狀態，相比靜態暫存器，面積小、功耗低。由於電容儲存存在洩漏，狀態不能一直保持，需要定時更新。
動態暫存器的形式有多種，以上圖為簡單例子來做介紹。它實際相當於兩個master和slave兩個latch構成的DFF。Master latch在cp=0時取樣，此時Slave latch保持之前狀態；cp從0變為1時，Master latch取樣關閉，依賴電容保持取樣的結果，而Slave latch取樣通路工作，暫存器透過Q輸出鎖存結果，由此實現上升沿觸發暫存器功能。因為Master latch靠電容儲存，對時鐘有一定要求。
動態暫存器的K庫提取充滿挑戰：其電荷保持時間和動態節點對噪聲的敏感性極高，任何微小的干擾都可能影響資料傳輸的準確性。在K庫建模時，需要全方位考慮各類噪聲因素，以確保模型的準確性。
多輸入線與latch
在定製電路中廣泛應用的多輸入線與latch單元，其結構包含多個數據取樣輸入，取樣結果經線與操作後，由一個保持電路維持穩定狀態。這類單元結構緊湊而規整，在定製化電路設計中佔據著不可替代的重要地位。
然而，它的K庫建模任務也充滿複雜性與挑戰性。其一，該單元的邏輯功能高度依賴於各個輸入訊號的時序關係與電平狀態；其二，由於其內部存在多個取樣路徑的線與邏輯組合，導致時序分析變得極為複雜；其三，保持電路的穩定性對噪聲極為敏感。這些都要求K庫提取工具具備極高的精度與靈活性，能夠全面、細緻地捕捉並量化不同場景下的特性變化，從而生成準確反映其行為的模型。
Liberal：給非標準單元K庫增添翅膀
面對使用者先進工藝下的定製非標準單元K庫難題，Liberal更是交出了一份亮眼答卷。Liberal基於先進的演算法和高效的模擬引擎，為客戶提供全方位的精準解決方案。其自動生成的模擬激勵高度契合客戶預期，過程控制與輸出控制精細入微，能夠精準的反應PVT的波動影響，能夠全方位考慮各種噪聲因素，透過海量資料模擬和智慧分析，K庫的準確性得到有力保障。
Liberal工具結果精準、滿足Signoff級別；上手容易、流程規範。同時，在效率方面，Liberal 憑藉強大並行處理能力和自動化流程，大幅縮減了K庫時間。無論是複雜的定製化非標準單元，還是大規模標準單元庫，均能實現高效與高精度的完美統一。
客戶案例：高效能晶片定製單元的K庫突圍
在尚未引入 Liberal K 庫之前，諸多客戶在高效能晶片設計的構建程序中，對於定製化設計K庫，面臨重重挑戰。例如，某知名晶片廠商在研發新一代高效能晶片時，採用了大量定製單元，K庫提取成為專案推進的關鍵瓶頸。傳統工具不僅耗時耗力，而且在極端定製化場景下，流程繁瑣與精度損失的問題尤為突出。
自從引入 Liberal K 庫後，華大九天的專業技術支援團隊便攜手客戶，精心構建了一套貼合專案需求的標準化流程，並量身定製了精準適配的引數設定。原本棘手的問題迎刃而解，在保證K庫質量的前提下，效率大幅度提升，最終保障客戶K庫檔案如期交付，贏得客戶高度認可。
結語
在先進晶片設計愈發追求“定製化、高可靠、高效率”的今天，K庫特徵提取早已不僅是工具鏈中的一個環節，而是決定設計成敗的關鍵一環。特別是在面對非標準單元時，其建模精度和提取效率更直接關係到晶片效能、功耗、良率，甚至能否如期流片。作為應對這一挑戰的前沿方案，華大九天Liberal不僅在標準單元領域表現出色，更以卓越的非標K庫能力，持續助力眾多客戶加速設計驗證、提升模型質量、縮短產品週期。
展望未來，隨著工藝節點不斷演進，非標設計日益常態化，Liberal將繼續推動K庫提取技術向更智慧、更高效、更精準的方向發展，為中國晶片產業注入持續突破的核心動能。
*免責宣告：本文由作者原創。文章內容系作者個人觀點，半導體行業觀察轉載僅為了傳達一種不同的觀點，不代表半導體行業觀察對該觀點贊同或支援，如果有任何異議，歡迎聯絡半導體行業觀察。
END
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