一文看懂高大上的芯片設(shè)計(jì)和生產(chǎn)流程

　　芯片，指的是內(nèi)含集成電路的硅片，所以芯片又被稱集成電路，可能只有2.5厘米見方大小，但是卻包含幾千萬個晶體管，而較簡單的處理器可能在幾毫米見方的芯片上刻有幾千個晶體管。芯片是電子設(shè)備中最重要的部分，承擔(dān)著運(yùn)算和存儲的功能。

　　高大上的芯片設(shè)計(jì)流程

　　一顆芯片的誕生，可以分為設(shè)計(jì)與制造兩個環(huán)節(jié)。芯片制造的過程就如同用樂高蓋房子一樣，先有晶圓作為地基，再層層往上疊的芯片制造流程后，就可產(chǎn)出想要的IC 芯片，然而，沒有設(shè)計(jì)圖，擁有再強(qiáng)大的制造能力也無濟(jì)于事。

　　在 IC 生產(chǎn)流程中，IC 多由專業(yè) IC 設(shè)計(jì)公司進(jìn)行規(guī)劃、設(shè)計(jì)，像是聯(lián)發(fā)科、高通、Intel 等知名大廠，都自行設(shè)計(jì)各自的 IC 芯片，提供不同規(guī)格、效能的芯片給下游廠商選擇。所以，IC設(shè)計(jì)是整個芯片成型最重要的一環(huán)。

　　先看看復(fù)雜繁瑣的芯片設(shè)計(jì)流程：

　　芯片制造的過程就如同用樂高蓋房子一樣，先有晶圓作為地基，再層層往上疊的芯片制造流程后，就可產(chǎn)出必要的 IC 芯片(這些會在后面介紹)。然而，沒有設(shè)計(jì)圖，擁有再強(qiáng)制造能力都沒有用，因此，建筑師的角色相當(dāng)重要。

　　但是 IC 設(shè)計(jì)中的建筑師究竟是誰呢?接下來要針對 IC 設(shè)計(jì)做介紹：

　　在 IC 生產(chǎn)流程中，IC 多由專業(yè) IC 設(shè)計(jì)公司進(jìn)行規(guī)劃、設(shè)計(jì)，像是聯(lián)發(fā)科、高通、Intel 等知名大廠，都自行設(shè)計(jì)各自的 IC 芯片，提供不同規(guī)格、效能的芯片給下游廠商選擇。因?yàn)?IC 是由各廠自行設(shè)計(jì)，所以 IC 設(shè)計(jì)十分仰賴工程師的技術(shù)，工程師的素質(zhì)影響著一間企業(yè)的價值。然而，工程師們在設(shè)計(jì)一顆 IC 芯片時，究竟有那些步驟?設(shè)計(jì)流程可以簡單分成如下。

　　設(shè)計(jì)第一步，定目標(biāo)

　　在 IC 設(shè)計(jì)中，最重要的步驟就是規(guī)格制定。這個步驟就像是在設(shè)計(jì)建筑前，先決定要幾間房間、浴室，有什么建筑法規(guī)需要遵守，在確定好所有的功能之后在進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣才不用再花額外的時間進(jìn)行后續(xù)修改。IC 設(shè)計(jì)也需要經(jīng)過類似的步驟，才能確保設(shè)計(jì)出來的芯片不會有任何差錯。

　　規(guī)格制定的第一步便是確定 IC 的目的、效能為何，對大方向做設(shè)定。接著是察看有哪些協(xié)定要符合，像無線網(wǎng)卡的芯片就需要符合 IEEE 802.11 等規(guī)范，不然，這芯片將無法和市面上的產(chǎn)品相容，使它無法和其他設(shè)備連線。最后則是確立這顆 IC 的實(shí)作方法，將不同功能分配成不同的單元，并確立不同單元間連結(jié)的方法，如此便完成規(guī)格的制定。

　　設(shè)計(jì)完規(guī)格后，接著就是設(shè)計(jì)芯片的細(xì)節(jié)了。這個步驟就像初步記下建筑的規(guī)畫，將整體輪廓描繪出來，方便后續(xù)制圖。在 IC 芯片中，便是使用硬體描述語言(HDL)將電路描寫出來。常使用的 HDL 有 Verilog、VHDL 等，藉由程式碼便可輕易地將一顆 IC 地功能表達(dá)出來。接著就是檢查程式功能的正確性并持續(xù)修改，直到它滿足期望的功能為止。

　　▲ 32 bits 加法器的 Verilog 范例

　　有了電腦，事情都變得容易

　　有了完整規(guī)畫后，接下來便是畫出平面的設(shè)計(jì)藍(lán)圖。在 IC 設(shè)計(jì)中，邏輯合成這個步驟便是將確定無誤的 HDL code，放入電子設(shè)計(jì)自動化工具(EDA tool)，讓電腦將 HDL code 轉(zhuǎn)換成邏輯電路，產(chǎn)生如下的電路圖。之后，反覆的確定此邏輯閘設(shè)計(jì)圖是否符合規(guī)格并修改，直到功能正確為止。

　　▲ 控制單元合成后的結(jié)果

　　最后，將合成完的程式碼再放入另一套 EDA tool，進(jìn)行電路布局與繞線(Place And Route)。在經(jīng)過不斷的檢測后，便會形成如下的電路圖。圖中可以看到藍(lán)、紅、綠、黃等不同顏色，每種不同的顏色就代表著一張光罩。至于光罩究竟要如何運(yùn)用呢?

　　▲ 常用的演算芯片- FFT 芯片，完成電路布局與繞線的結(jié)果