引言

數(shù)字集成電路設(shè)計中，單元庫和IP庫宛如一塊塊精心打磨的“積木”，是數(shù)字IC設(shè)計的重要基礎(chǔ)。從標準單元庫（Standard Cell）、輸入輸出接口（I/O Interface）、存儲器單元（如 SRAM、ROM等），到大量數(shù)?；旌?IP（如物理層接口 PHY、鎖相環(huán) PLL 等）——這些模塊經(jīng)過“K 庫”流程，形成預先定義好、經(jīng)過參數(shù)特征化的標準模塊集合，方可被數(shù)字 IC 設(shè)計流程所調(diào)用。設(shè)計師無需從零開始，直接調(diào)用這些“積木”，即可高效搭建復雜的電路系統(tǒng)，從而大幅提升設(shè)計效率與可靠性。

K庫，全稱為“Library Characterization”（庫特征參數(shù)提?。琴x予這些“積木”生命力的關(guān)鍵步驟。它通過電路仿真，提取出單元在各種工況下的時序、功耗、噪聲等核心特性參數(shù)，最終形成邏輯信息模型文件（如Liberty格式文件）。這些模型文件是后續(xù)數(shù)字設(shè)計流程——綜合、布局布線、時序簽核和功耗簽核——不可或缺的輸入，直接決定了芯片的性能、功耗和良率?？梢哉f，沒有高質(zhì)量的K庫，就沒有成功的數(shù)字芯片。

在此背景下，華大九天Empyrean Liberal應運而生，以其高效精確的特征化提取能力，AI智能化技術(shù)和全面的單元庫質(zhì)量驗證功能，構(gòu)建了業(yè)界領(lǐng)先的全棧式K庫解決方案，為數(shù)字集成電路設(shè)計提供了強大的賦能體系。

全類型覆蓋：覆蓋從標準單元庫、輸入輸出接口、存儲器Memory到復雜數(shù)?；旌螴P庫，實現(xiàn)從基礎(chǔ)單元到復雜設(shè)計的一站式支持；

雙平臺支持：不僅能夠在CPU上運行，更提供CPU-GPU協(xié)同加速能力，恰似戰(zhàn)斗機配備的雙引擎發(fā)動機，憑借多元異構(gòu)釋放極致算力，大幅提升特征化效率；

Signoff級全工藝認證：歷經(jīng)完整的系統(tǒng)級Certification流程，包括從成熟工藝到先進工藝節(jié)點，確保最終生成的Liberty文件嚴格滿足業(yè)界簽核（Signoff）級要求，為芯片設(shè)計質(zhì)量筑牢根基。

挑戰(zhàn)：工藝演進下的K庫困境

1模型復雜度爆炸

隨著工藝節(jié)點的不斷推進和設(shè)計復雜度的顯著提升。K庫的類型、數(shù)目急劇增加，特征化模型描述也愈發(fā)復雜：

對于90nm以上成熟工藝，NLDM（非線性延時模型）和NLPM（非線性功耗模型）即可滿足基礎(chǔ)標準單元需求，K庫對象通常為普通基礎(chǔ)單元。

進入40-90nm工藝后，需引入CCS（復合電流源延時模型），以應對電阻主導的互連效應。

當工藝發(fā)展至16-28nm先進節(jié)點，CCS全面替代NLDM，并擴展出CCSN（噪聲模型）與CCSP（功耗模型）。同時出現(xiàn)了Multi-Bit Cell和PB/PM多電壓域單元等復雜單元。

至16nm以下尖端工藝，模型不僅需要CCS/CCSN/CCSP，進一步疊加了LVF格式的統(tǒng)計時序分析內(nèi)容。各種多元化、定制化的特殊單元庫設(shè)計對K庫能力要求甚高。

2工藝角覆蓋激增

PVT（工藝/電壓/溫度）組合從早期的幾種擴展至數(shù)十種，先進工藝下更是常常多達上百種。多維參數(shù)組合，使得K庫任務量呈指數(shù)級增長，對特征化工具的性能提出嚴峻挑戰(zhàn)。例如：

電壓范圍：從0.6V到1.2V 的多電壓域；

閾值電壓：涵蓋ULVT、LVT、SVT、HVT等多種閾值電壓類型；

MOS管長度：包含不同尺寸的MOS管；

溫度范圍：從-40℃到125℃的不同溫度條件；

3單元類型復雜多樣

K庫范圍不僅包括常規(guī)的STD標準單元庫，還涵蓋了定制單元、I/O單元、Memory存儲器單元以及IP庫等。

定制單元：先進工藝條件下，為了追求極致性能和功耗，越來越多的定制化或特殊結(jié)構(gòu)單元需要進行特征化提取。例如：高速CDC單元、脈沖鎖存器、動態(tài)觸發(fā)器等。

I/O 單元：一些I/O 接口庫，例如GPIO通用輸入輸出接口，LVDS低壓差分信號、Flash-IO等。

Memory：SRAM、ROM等存儲單元規(guī)模龐大，結(jié)構(gòu)規(guī)則但有大量重復單元，傳統(tǒng)方法仿真效率低下；其讀/寫時序、功耗、穩(wěn)定性的精確提取至關(guān)重要且計算密集。

IP：物理層接口、通用串行總線、鎖相環(huán)、低壓差穩(wěn)壓器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器等復雜IP模塊往往包含模擬/混合信號電路，其K庫需要處理連續(xù)信號、混合仿真域、復雜的互作用和非理想效應，難度和耗時遠超純數(shù)字單元。

華大九天Liberal家族：

高效精準的K庫Signoff工具

面對以上嚴峻挑戰(zhàn)，Liberal家族推出了從標準單元庫、I/O、存儲器到混合信號IP等四大品類。除了K庫本身，華大九天更構(gòu)建了業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的“特征化-驗證”一體化閉環(huán)流程，建立了強大的單元庫質(zhì)量驗證工具鏈，包括Qualib（單元庫/IP質(zhì)量驗證工具）、XTime（高精度時序仿真分析工具）以及Liberty API（Python API接口）等。這種“K庫+驗庫”的深度整合與無縫銜接，正是Liberal作為真正完整解決方案的核心競爭力所在。Liberal家族產(chǎn)品本身具有以下特點：

1Signoff簽核級別的高精度單元庫特征化提取

高精度引擎：內(nèi)置高性能電路仿真引擎ALPS，提供快速且具有SPICE級簽核精度的仿真數(shù)據(jù)，確保模型準確性是設(shè)計的堅實后盾。

全面模型支持：支持業(yè)界所有主流時序/功耗模型格式，包括NLDM, NLPM，CCS, CCSN, CCSP, LVF等，滿足不同工藝設(shè)計的簽核要求。

2AI加速的單元庫特征化提取

Liberal AI基于給定PVT條件下的特征庫作為訓練數(shù)據(jù)，利用機器學習算法構(gòu)建特征化模型，預測其余PVT工藝角下的單元庫，而無需依賴SPICE仿真。Liberal AI能夠以比傳統(tǒng)流程快10-100倍的速度產(chǎn)生滿足設(shè)計精度的新PVT工藝角下的單元庫，為設(shè)計人員提供了極大的便利。

3單元庫質(zhì)量驗證

工具內(nèi)部豐富的單元庫質(zhì)量驗證功能：可以比較兩個單元庫的數(shù)據(jù)、屬性和結(jié)構(gòu)一致性，檢查不同模型之間（例如CCS和NLDM）的數(shù)據(jù)精度，進行電壓/溫度敏感性分析和內(nèi)差值的精度校驗，以及約束時間的檢查與更新等。

全生態(tài)的“K庫+驗庫”工具鏈：Liberal結(jié)果通過Qualib實現(xiàn)簽核級單元庫/IP模型質(zhì)量驗證（涵蓋語法規(guī)則、時序/功耗模型一致性、電學約束完整性等）；利用XTime進行關(guān)鍵時序路徑SPICE級時序仿真比對，確保Liberty模型與晶體管級電路行為嚴格一致；同時提供Liberty API開放接口，支持用戶基于Python靈活開發(fā)定制化驗庫腳本。這套“K庫+驗庫”工具鏈，為Signoff簽核提供可追溯的驗證依據(jù)。

4高性能并行適配與多元異構(gòu)加速

高性能并行：采用高效的分布式并行調(diào)度技術(shù)，最多可支持高達200,000核并行運算，將海量的仿真任務并行處理，滿足K庫特有的多任務并行計算與協(xié)同的需求。

國產(chǎn)化生態(tài)適配：深度兼容鯤鵬處理器生態(tài)系統(tǒng)。

異構(gòu)計算賦能的加速：Liberal不僅支持在CPU上運行，還支持GPU和DCU（深度計算處理器）等異構(gòu)計算平臺，從而進一步大幅提升K庫效率，縮短研發(fā)周期。

技術(shù)創(chuàng)新推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展

Liberal的高精度也得到了實際的客戶端驗證。某國內(nèi)知名半導體公司采用Liberal作為K庫方案，在14nm工藝K庫開發(fā)項目中，Liberal的CCS模型精度如下圖所示，其最大延遲誤差嚴格控制在0.7%以內(nèi)，大部分數(shù)據(jù)更分布在0.3%以內(nèi)，高精度特性充分滿足了客戶對時序分析的要求。

先進工藝下Liberal K庫之CCS模型精度

實測結(jié)果顯示，Liberal 單元庫特征化提取精度契合業(yè)界Signoff簽核標準。其提供的高精度數(shù)據(jù)，為最終芯片設(shè)計在時序收斂及可靠性方面筑牢根基，成為強有力的保障支撐。

結(jié)語

在先進工藝與AI芯片爆發(fā)的雙重機遇下， K庫已不單是一個必經(jīng)的技術(shù)環(huán)節(jié)，而是一把直接決定產(chǎn)品上市速度和最終競爭力的鑰匙。Liberal作為華大九天的代表工具，正在以“效率+精度+智能”全新范式重塑單元庫特征化流程，以精準K庫數(shù)據(jù)筑牢數(shù)字設(shè)計基石，高效賦能用戶團隊。我們堅信，在Liberal的助力下，數(shù)字集成電路設(shè)計行業(yè)必將迎來更加輝煌的明天。

北京華大九天科技股份有限公司（簡稱“華大九天”）成立于2009年，一直聚焦于EDA工具的開發(fā)、銷售及相關(guān)服務業(yè)務，致力于成為全流程、全領(lǐng)域、全球領(lǐng)先的EDA提供商。

華大九天主要產(chǎn)品包括全定制設(shè)計平臺EDA工具系統(tǒng)、數(shù)字電路設(shè)計EDA工具、晶圓制造EDA工具、先進封裝設(shè)計EDA工具和3DIC設(shè)計EDA工具等軟件及相關(guān)技術(shù)服務。其中，全定制設(shè)計平臺EDA工具系統(tǒng)包括模擬電路設(shè)計全流程EDA工具系統(tǒng)、存儲電路設(shè)計全流程EDA工具系統(tǒng)、射頻電路設(shè)計全流程EDA工具系統(tǒng)和平板顯示電路設(shè)計全流程EDA工具系統(tǒng)；技術(shù)服務主要包括基礎(chǔ)IP、晶圓制造工程服務及其他相關(guān)服務。產(chǎn)品和服務主要應用于集成電路設(shè)計、制造及封裝領(lǐng)域。

華大九天總部位于北京，在南京、成都、深圳、上海、香港、廣州、北京亦莊、西安和天津等地設(shè)有全資子公司，在武漢、廈門、蘇州等地設(shè)有分支機構(gòu)。