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半导体科普:IC功能的关键,复杂繁琐的芯片设计流程

人生能绕几个圈
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发布于 2015/08/04 21:11
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在前面已经介绍过芯片制造的过程就如同用乐高盖房子一样,先有晶圆作为地基,再层层往上叠的芯片制造流程后,就可 产出必要的 IC 芯片。然而,没有设计图,拥有再强制造能力都没有用,因此,建筑师的角色相当重要。但是 IC 设计中的建筑师究竟是谁呢?本文接下来要针对 IC 设计做介绍。

在 IC 生产流程中,IC 多由专业 IC 设计公司进行规划、设计,像是联发科、高通、Intel 等知名大厂,都自行设计各自的 IC 芯片,提供不同规格、效能的芯片给下游厂商选择。因为 IC 是由各厂自行设计,所以 IC 设计十分仰赖工程师的技术,工程师的素质影响着一间企业的价值。然而,工程师们在设计一颗 IC 芯片时,究竟有那些步骤?设计流程可以简单分成如下。

IC 01

设计第一步,订定目标

在 IC 设计中,最重要的步骤就是规格制定。这个步骤就像是在设计建筑前,先决定要几间房间、浴室,有什么建筑法规需要遵守,在确定好所有的功能之后在进行设计, 这样才不用再花额外的时间进行后续修改。IC 设计也需要经过类似的步骤,才能确保设计出来的芯片不会有任何差错。

规格制定的第一步便是确定 IC 的目的、效能为何,对大方向做设定。接着是察看有哪些协定要符合,像无线网卡的芯片就需要符合 IEEE 802.11 等规范,不然,这芯片将无法和市面上的产品相容,使它无法和其他设备连线。最后则是确立这颗 IC 的实作方法,将不同功能分配成不同的单元,并确立不同单元间链接的方法,如此便完成规格的制定。

设计完规格后,接着就是设计芯片的细节了。这个步骤就像初步记下建筑的规画,将整体轮廓描绘出来,方便后续制图。在 IC 芯片中,便是使用硬件描述语言(HDL)将电路描写出来。常使用的 HDL 有 Verilog、VHDL 等,藉由程序码便可轻易地将一颗 IC 地功能表达出来。接着就是检查程序功能的正确性并持续修改,直到它满足期望的功能为止。

IC 02

▲ 32 bits 加法器的 Verilog 范例。

有了电脑,事情都变得容易

有了完整规画后,接下来便是画出平面的设计蓝图。在 IC 设计中,逻辑合成这个步骤便是将确定无误的 HDL code,放入电子设计自动化工具(EDA tool),让电脑将 HDL code 转换成逻辑电路,产生如下的电路图。之后,反覆的确定此逻辑闸设计图是否符合规格并修改,直到功能正确为止。

IC 03

▲ 控制单元合成后的结果。

最后,将合成完的程序码再放入另一套 EDA tool,进行电路布局与绕线(Place And Route)。在经过不断的检测后,便会形成如下的电路图。图中可以看到蓝、红、绿、黄等不同颜色,每种不同的颜色就代表着一张光罩。至于光罩究竟要如何运用呢?

IC 04

▲ 常用的演算芯片- FFT 芯片,完成电路布局与绕线的结果。

层层光罩,叠起一颗芯片

首先,目前已经知道一颗 IC 会产生多张的光罩,这些光罩有上下层的分别,每层有各自的任务。下图为简单的光罩例子,以集成电路中最基本的元件 CMOS 为范例,CMOS 全名为互补式金属氧化物半导体(Complementary metal–oxide–semiconductor),也就是将 NMOS 和 PMOS 两者做结合,形成 CMOS。至于什么是金属氧化物半导体(MOS)?这种在芯片中广泛使用的元件比较难说明,一般读者也较难弄清,在这里就不多加细究。

下图中,左边就是经过电路布局与绕线后形成的电路图,在前面已经知道每种颜色便代表一张光罩。右边则是将每张光罩摊开的样子。制作是,便由底层开始,依循上一篇 IC 芯片的制造中所提的方法,逐层制作,最后便会产生期望的芯片了。

IC 05

至此,对于 IC 设计应该有初步的了解,整体看来就很清楚 IC 设计是一门非常复杂的专业,也多亏了电脑辅助软件的成熟,让 IC 设计得以加速。IC 设计厂十分依赖工程师的智能,这里所述的每个步骤都有其专门的知识,皆可独立成多门专业的课程,像是撰写硬件描述语言就不单纯的只需要熟悉程序语言,还需 要了解逻辑电路是如何运作、如何将所需的演算法转换成程序、合成软件是如何将程序转换成逻辑闸等问题。

在了解 IC 设计师如同建筑师,晶圆代工厂是建筑营造厂之后,接下来该了解最终如何把芯片包装成一般使用者所熟知的外观,也就是“封装”。在下一篇中,将介绍 IC 封装是什么以及几个重要的技术。

(首图来源:Flickr/Rob Bulmahn CC BY 2.0)

本文转载自:http://technews.cn/2015/08/01/chip-design-flow/

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