【Design Compiler】介紹 Synopsys 提供的 Library

前言

在使用 Synopsys Design Compiler (DC) 進行綜合的過程中，library（庫）是最關鍵的資源之一。許多初學者在剛開始學習 DC 時，即使知道如何設定 .synopsys_dc.setup，卻常常搞不清楚需要載入哪些庫，這是很多初學者常常會遇到錯誤。其實多半是因為沒有弄清楚 library 的來源 與 用途 ，因此本文將詳細介紹 Synopsys 提供的各類 library，幫助大家快速理清觀念。

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1. Library 在 IC 設計中的角色

在 RTL → Gate-Level 綜合過程中，library 主要提供：

• 功能：每個 cell 的邏輯定義（AND, OR, DFF…）。
• 時序：延遲、setup/hold、clk→Q 等。
• 功耗：動態功耗與靜態漏電。
• 面積：單元大小，用來做面積估算。

Design Compiler 在 mapping、優化、時序分析時，都需要依賴這些資訊。

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2. Synopsys 官方提供的幾大類 Library

(1) Example / 範例庫

• 檔案範例：
  • lsi_10k.db,lsi_10k.sdb,
  • lsi_7k.db
  • lsi_9k.db
  • lsi_lsc15.db
• 用途：
  • 主要用於學習與教學。
  • 提供一個「虛擬製程」的標準 cell 庫，適合 新手熟悉 DC 的基本流程。
• 特色：可用於示範 DC 綜合流程，但不能用於實際 Tapeout。

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(2) DesignWare Library

• 檔案範例：dw_foundation.sldb, standard.sldb
• 用途：
  • Synopsys 的 IP Library，內建常用算術模組。
  • 例如：加法器（DW01_add）、乘法器（DW02_mult）、除法器、比較器、FIFO、編碼器、ALU。
  • DC 在遇到高階運算時，可以直接用 DW 元件來實現。
• 特色：合成後會展開，最終 mapping 到 target_library 的製程 cell。

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(3) Synthetic Library

• 檔案範例：同 DesignWare Library（dw_foundation.sldb、standard.sldb）
• 用途：
  • 合成過程的「中介庫」。
  • 告訴 DC 有哪些"高階運算功能"，如:加、減、乘、除等，可以由 DesignWare 來支援。而非基本的cell。
  • Synthetic Library 定義了 DesignWare 裡面的 IP 元件可以提供的功能和介面，讓 DC 知道如何使用 DesignWare Library 裡的元件。
  • 最後並不會直接進 layout。
• 特色：僅作為高階運算模組支援的中介描述，不會直接成為最終網表。

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(4) Symbol Library

• 檔案範例：generic.sdb, lsi_10k.sdb, umc18.sdb
• 用途：只用於 GUI 工具（如 Design Vision），顯示電路符號，與 timing 無關。
• 提供者: Synopsys/PDK/Foundry

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(5) Generic Library — gtech.db

• 檔案範例：gtech.db
• 用途：Synopsys 提供的 Generic Technology Library。
• 特色：
  • 裡面只有邏輯功能定義（AND, OR, INV, DFF），沒有真實 timing/功耗。
  • DC 在還沒指定 target_library 時，會先用 gtech 作為「暫存庫」。
  • 在 link_library 中，常會保留 gtech.db 當備援。

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3. Target Library（製程 cell 庫）與官方庫的關係

需要特別強調的是：

• Target library 並不是 Synopsys 提供的！
• Target library 必須由 晶圓廠（TSMC, UMC, Samsung…）或 PDK 供應商 提供。
• 檔案範例: slow.db, typical.db, fast.db
• 檔案格式：
  • .lib（文字版）
  • .db（二進位版，給 DC 用）。
• 包含完整的 timing、功耗、面積資訊。

在 DC 中：

• target_library → 真正 mapping 的 cell。
• link_library → target_library + 其他 macro/IO 庫 + Foundry 提供的基本 Cell Library (optional)。
• synthetic_library → DesignWare。
• symbol_library → GUI 顯示。

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4. 常見檔案類型整理

Library 類型	檔案範例	提供者	用途
Example Library	lsi_10k.db, lsi_7k.db	Synopsys	教學/學習用，虛擬製程
Symbol Library	generic.sdb, lsi_10k.sdb	Synopsys/PDK/Foundry	GUI 符號顯示
Synthetic Library	dw_foundation.sldb	Synopsys	高階運算模組支援，DesignWare 介面定義,告訴 DC 可用的高階運算模組
DesignWare Library	standard.sldb	Synopsys	算術與邏輯 IP 的實作模組（mult, add, FIFO…）
Generic Library	gtech.db	Synopsys	功能性 cell，製程無關
Target Library	slow.db, typical.db	晶圓廠/PDK	真正 mapping 的 cell 庫
IO/Macro Library	umc18io3v5v_fast.db	晶圓廠/PDK	IO、記憶體、PLL 等特殊 macro

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5. 附錄：Synopsys 安裝目錄中的範例與輔助庫

在 Synopsys 安裝目錄下，常會看到以下檔案：
此附錄中的檔案均由 Synopsys 提供，主要用於教學、功能支援與展示。請注意，這裡列出的 .db 檔都不是來自晶圓廠的真實製程庫，因此不能用於實際的晶片投片 (Tapeout)。

a) 教學/範例庫 (作為練習時的 target_library)

這些是虛擬製程庫，在學習 DC 流程時，常被用來當作 target_library 和 link_library。

• lsi_10k.db / .lib
  (角色: target_library, link_library)
• lsi_10k.sdb
  (角色: symbol_library)
• lsi_7k.db / .lib
• lsi_9k.db / .lib
• lsi_lsc15.db / .lib

b) Generic / 功能庫 (幾乎必加在 link_library 中)

這些是製程無關的通用邏輯庫，用於讓 DC 在早期階段能連結到基本邏輯閘。

• gtech.db
  (角色: link_library 的一部分，作為備援)
• generic.sdb / .slib
  (角色: symbol_library，用於顯示 gtech 中的元件)

c) DesignWare / Synthetic (用於 synthetic_library)

這些庫定義了高階的 DesignWare 元件（如加法器、乘法器），讓 DC 知道如何使用這些 IP。

• dw_foundation.sldb
  (角色: synthetic_library)
• standard.sldb
  (角色: synthetic_library)

e) DFT 相關庫 (用於 link_library 或 synthetic_library)

當設計中需要插入 DFT (可測試性設計) 相關邏輯時，需要連結這些庫。

• dft_jtag.sldb
• dft_lbist.sldb
• dft_mbist.sldb
  (角色: 根據不同 DFT 流程，可能加入 link_library 或 synthetic_library)

===>用於 JTAG / LBIST / MBIST 測試相關功能

f) 功耗/非線性模型庫 (作為分析用的輔助庫)

這些庫主要用於展示先進的功耗與時序模型，在一般綜合中較少直接使用。

• nonlinear.db / .lib
• power_sample.db / .lib
• power2_sample.db / .lib
  (角色: 特殊分析時才會載入，通常不屬於標準設定)

g) Demo/小型庫

• and_or.db / .lib
• class.db / .lib
• class.sdb / .slib
  (角色: class.db 可作 target_library, class.sdb 則是對應的 symbol_library)
• class_fpga.db / .lib
• demo.lib

===> 小型示範用庫，只有簡單邏輯單元。

h) 其他特殊檔

• tc6a_cbacore.db / .sdb、tc6a_cbamc.db / .sdb
• vhdlmacro.db
• *.flib / *.font（內部格式）
• iddq.fmd / iddq_tt.fmd（故障測試模型）

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6. 總結

• Synopsys 官方主要提供 範例庫 (lsi_10k 系列)、DesignWare、synthetic library、symbol library、gtech。
• 這些庫可用於學習、測試與工具支援，但 不能直接用於 Tapeout。
• 真正的 target library（製程庫）必須由晶圓廠提供。
• 在 DC setup 中，常見設定是：
  • target_library → 製程庫
  • link_library → target + gtech + macro + Foundry 提供的基本 Cell Library (optional)
  • synthetic_library → DesignWare
  • symbol_library → GUI 符號