揭秘！芯片設(shè)計(jì)及制造全過程

駕車時(shí)，車輛可以自動(dòng)感知周圍環(huán)境動(dòng)態(tài)信息，自動(dòng)避障;外出旅游，隨身攜帶的智能相機(jī)就能輕松拍出超高清畫面，即時(shí)分享;回到家中，燈光自動(dòng)開啟、機(jī)器人已經(jīng)家中打掃干凈……芯片的出現(xiàn)，無疑讓生活步入了更加智慧的模式。芯片究竟是什么?為什么會(huì)成為人類不可或缺的核心科技?一個(gè)小小的硅片，承載著幾千萬甚至數(shù)百億的晶體管，它是如何被設(shè)計(jì)和制造出來的?這條短視頻，幫你快速了解芯片設(shè)計(jì)、制造全過程。一顆芯片的誕生，可以分為芯片設(shè)計(jì)與芯片制造兩個(gè)環(huán)節(jié)。芯片設(shè)計(jì)： 規(guī)劃“芯”天地芯片設(shè)計(jì)階段會(huì)明確芯片的用途、規(guī)格和性能表現(xiàn)，芯片設(shè)計(jì)可分為規(guī)格定義、系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)、前端設(shè)計(jì)和后端設(shè)計(jì)4大過程。

1. 規(guī)格定義，工程師在芯片設(shè)計(jì)之初，會(huì)做好芯片的需求分析、完成產(chǎn)品規(guī)格定義，以確定設(shè)計(jì)的整體方向。例如：成本控制在什么水平，需要多少TOPS的AI算力，是否功耗敏感，支持哪些聯(lián)接方式，系統(tǒng)需要遵循的安全等級(jí)等。

2. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)， 基于前期的規(guī)格定義，明確芯片架構(gòu)、業(yè)務(wù)模塊、供電等系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)，例如CPU、GPU、NPU、RAM、聯(lián)接、接口等。芯片設(shè)計(jì)需要綜合考量芯片的系統(tǒng)交互、功能、成本、功耗、性能、安全及可維可測(cè)等綜合要素。

3. 前端設(shè)計(jì)，前端設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)確定的方案，針對(duì)各模塊開展具體的電路設(shè)計(jì)，使用專門的硬件描述語言(Verilog或VHDL)，對(duì)具體的電路實(shí)現(xiàn)進(jìn)行RTL(Register Transfer Level)級(jí)別的代碼描述。代碼生成后，就需要嚴(yán)格按照已制定的規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，通過仿真驗(yàn)證來反復(fù)檢驗(yàn)代碼設(shè)計(jì)的正確性。之后，用邏輯綜合工具，把用硬件描述語言寫成的RTL級(jí)的代碼轉(zhuǎn)成門級(jí)網(wǎng)表(NetList)，以確保電路在面積、時(shí)序等目標(biāo)參數(shù)上達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。邏輯綜合完成后需要進(jìn)行靜態(tài)時(shí)序分析，套用特定的時(shí)序模型，針對(duì)特定電路分析其是否違反設(shè)計(jì)者給定的時(shí)序限制。整個(gè)設(shè)計(jì)流程是一個(gè)迭代的流程，任何一步不能滿足要求都需要重復(fù)之前的步驟，甚至重新設(shè)計(jì)RTL代碼。

4. 后端設(shè)計(jì)，后端設(shè)計(jì)是先基于網(wǎng)表，在給定大小的硅片面積內(nèi)，對(duì)電路進(jìn)行布局(Floor Plan)和繞線(Place and Route)，再對(duì)布線的物理版圖進(jìn)行功能和時(shí)序上的各種驗(yàn)證(Design Rule Check、Layout Versus Schematic等)，后端設(shè)計(jì)也是一個(gè)迭代的流程，驗(yàn)證不滿足要求則需要重復(fù)之前的步驟，最終生成用于芯片生產(chǎn)的GDS(Geometry Data Standard)版圖。

芯片制造：點(diǎn)“沙”成金芯片制造環(huán)節(jié)中，芯片是如何被“點(diǎn)沙成金”的呢?看似無關(guān)且不起眼的沙子，富含二氧化硅，而二氧化硅通過高溫加熱、純化、過濾等工藝，可從中提取出硅單質(zhì)，然后經(jīng)特殊工藝鑄造變成純度極高的塊狀單晶硅，稱作單晶硅棒(Crystal Ingot)。單晶硅棒根據(jù)用途被切割成0.5mm-1.5mm厚度的薄片，即成為芯片的基本原料，硅晶圓片，這便是“晶圓(Wafer)”。晶圓(Wafer)經(jīng)過拋光處理及一系列嚴(yán)格篩查后，投入第一階段的生產(chǎn)工藝，即前段生產(chǎn)(Front End Of Line)。這一階段主要完成集成晶體管的制造，包括光刻、薄膜、刻蝕、清洗、注入等幾大模塊的工藝。

第一階段前段生產(chǎn)(FEOL)完成后，接著開始后段生產(chǎn)(BEOL)，BEOL由沉積無摻雜的氧化硅(也就是硅玻璃)開始，通孔由金屬鎢填充，然后制作晶體管間的電連線，最終得到滿足芯片要求的晶圓。獲得晶圓后，用圓鋸切割芯片，嵌入封裝中。芯片使用引線與封裝的引腳結(jié)合，封裝蓋子保護(hù)芯片不受外界灰塵污染。一顆融合人類智慧結(jié)晶的芯片就誕生了!

本文展示的芯片設(shè)計(jì)及芯片制造流程已經(jīng)大幅簡(jiǎn)化，微處理器的生產(chǎn)實(shí)際上包含著數(shù)千道工藝過程，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)周。從個(gè)人通信到家庭生活，從交通出行到城市管理等每個(gè)人生活的方方面面，都離不開芯片，它是現(xiàn)代社會(huì)真正憑借“小身材”而擁有“大智慧”的硬核存在。