這是一篇介紹集成電路的設計流程的文章,不討論高深理論,盡量用通俗易懂的比喻讓中文系的人都都能看明白。
集成電路設計和房屋設計原理上是相似的。假設你要設計房屋,假設你要設計IC((integrated circuit)芯片,第一步要做什么?,第一步要想,你要做什么?這就是所謂的SPEC.,SPEC.告訴你要做一個計算機IC芯片,對應設計房屋,例如你要設計一座大別墅。
SPEC.告訴你要設計什么芯片,接下來就是RTL(Register-Transfer-Level) Code,你要設計的計算機芯片主要有什么功能呢?比如最起碼能實現四則運算,加減乘除,RTL Code要設計加法器,減法器,乘法器,除法器等;對應你的別墅設計要三層樓,五個臥室,三間廁所,兩個客廳,一個廚房等等。
RTL Code完成后需要做Pre-Simulation,也就是模擬,你寫的加法器,是否能正確運算,1+1=2,不能算出來等于3吧,減法器也是如此,你寫的每個元件都要進行Pre-Simulation,確定能實現相對的功能;Pre-Simulation在別墅設計中對應的是,你設計的廚房要可以燒飯,廁所是不能燒飯的吧,臥室可以睡覺,客廳可以接待客人等等。模擬完以后進行Synthesis合成,所謂的合成,在IC設計過程中,標準庫里有一些元件可以直接拿來用,用來實現你想要的功能;Synthesis在別墅設計中對應的就是去商店買家具,比如客廳需要沙發,臥室需要床,廁所需要馬桶,你不用自己設計制作,可以直接去宜家購買。Synthesis的目標是用最少的標準元件實現功能,你的芯片性能就越好,這就好像在別墅設計中,有的設計師能力不行,廁所設計了三個馬桶,這就不合理,資源浪費,別墅設計的目標就是用最少的家具材料實現最完善的功能。
合成完以后就可以把RTL Code轉換成Gate level Netlist,這時候還是抽象的標準元件,具體擺放位置,如何連線還不知道;對應別墅設計中,你只知道需要多少張床,多少馬桶,電視,柜子數量等等,但是具體擺放位置還不知道。接下來就是Placement,確定標準元件在芯片上的具體位置;對應別墅設計中客廳在幾樓,廁所在幾樓,臥室在哪里。標準元件擺放位置影響芯片性能,例如你把廁所放在別墅四樓,那你每次都要爬到四樓上廁所,這顯然不好,廁所位置放在每層樓靠近窗戶位置肯定最合理,如果放在中間位置,那肯定臭死了,Placement同理,每個標準元件擺放位置一定要合理。Placement結束后是Routing的步驟,決定標準元件在芯片中的連線,對應別墅中,水管如何鋪設,電線如何走向等等。
接下來就是Layout,是一份具體的,詳細的IC設計圖紙,所有元件的位置,以及布局走線的方向等等;對應別墅的詳細設計圖紙。有了詳細設計圖紙,然后就是Post-Simulation&Verification,其作用就是驗證這張IC設計圖紙真的能實現計算機的功能,可能乘法運算有問題,這就需要修改;對應別墅設計中,你需要確定每個房間,每個設計是否滿足你的要求,比如你需要臥室要有陽臺等等。驗證沒有問題接下來就是Tape-out,將Layout給IC制造公司,請他們幫忙制造,別墅設計中接下來就是將設計圖紙交給建筑商,請他們幫忙施工。Fabrication就是芯片制造;對應就是打地基,砌磚,蓋房子。
制造完以后是Packaging & Testing,先測試制造的芯片有沒有問題,然后在封裝保護芯片;房子蓋好以后,需要進行測試,比如抗震測試,漏電測試,水管是否連通等等。
最后就是成品Chip,對應就是房子蓋好咯。
以上簡單介紹IC芯片從設計到制造完成的過程,實際過程遠比這復雜,每個步驟都有相應的公司,目前還沒有一家可以從頭到尾完成。接下來給大家講一下各個流程每家公司扮演的角色。
在Tape-out之前,都是在設計階段,IC設計公司被稱為Design House,著名的公司有高通,海思,聯發科,展訊等等,為什么有這么多design house呢?很好理解,就像房屋設計,有的設計公司擅長居民樓設計,有的擅長商場設計,有的擅長工廠廠房設計等等。Design House里面還有一類公司叫EDA company,它是提供所有IC 設計過程中 的軟件 ,有Cadence,Synopsys,SIEMENS等,就像在你設計蓋房子的時候,不可能拿出紙筆進行手繪吧,現在都是用AUTO-CAD,用軟件輔助設計,EDA軟件可以理解為AUTO-CAD軟件。
Tape-out之后就是fabrication,芯片制造公司就是所謂 的Foundry,制造工廠稱為Fab,著名的公司有TSMC,GF(不是女票,是global foundry),SMIC,HHgrace等等。
制造完之后是封裝測試,Assembly & Test,著名的公司有日月光 ASE(沒錯,就是那個徐匯日月光商場,其實它的主營業務是半導體封測),矽品SPLI(學中文的妹子知道,矽是硅元素的舊稱,臺灣地區把硅元素稱為矽)。
半導體集成電路產業極其復雜,分工合作非常重要,國內半導體公司,海思是設計龍頭,中芯國際是制造龍頭 ,長電是封測龍頭,各公司與國際公司還有差距,仍需繼續努力。
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史海拾趣
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