半導(dǎo)體科普：IC功能的關(guān)鍵 復(fù)雜繁瑣的芯片設(shè)計(jì)流程

在前面已經(jīng)介紹過(guò)芯片制造的過(guò)程就如同用樂(lè)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。然而，沒(méi)有設(shè)計(jì)圖，擁有再?gòu)?qiáng)制造能力都沒(méi)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(shuí)呢?本文接下來(lái)要針對(duì) IC 設(shè)計(jì)做介紹。

在 IC 生產(chǎn)流程中，IC 多由專(zhuān)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(lài)工程師的技術(shù)，工程師的素質(zhì)影響著一間企業(yè)的價(jià)值。然而，工程師們?cè)谠O(shè)計(jì)一顆 IC 芯片時(shí)，究竟有那些步驟?設(shè)計(jì)流程可以簡(jiǎn)單分成如下。

設(shè)計(jì)第一步，訂定目標(biāo)

在 IC 設(shè)計(jì)中，最重要的步驟就是規(guī)格制定。這個(gè)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(shí)間進(jìn)行后續(xù)修改。IC 設(shè)計(jì)也需要經(jīng)過(guò)類(lèi)似的步驟，才能確保設(shè)計(jì)出來(lái)的芯片不會(huì)有任何差錯(cuò)。

規(guī)格制定的第一步便是確定 IC 的目的、效能為何，對(duì)大方向做設(shè)定。接著是察看有哪些協(xié)定要符合，像無(wú)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(wú)法和市面上的產(chǎn)品相容，使它無(wú)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，并確立不同單元間鏈接的方法，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(gè)步驟就像初步記下建筑的規(guī)畫(huà)，將整體輪廓描繪出來(lái)，方便后續(xù)制圖。在 IC 芯片中，便是使用硬件描述語(yǔ)言(HDL)將電路描寫(xiě)出來(lái)。常使用的 HDL 有 Verilog、VHDL 等，藉由程序碼便可輕易地將一顆 IC 地功能表達(dá)出來(lái)。接著就是檢查程序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(huà)后，接下來(lái)便是畫(huà)出平面的設(shè)計(jì)藍(lán)圖。在 IC 設(shè)計(jì)中，邏輯合成這個(gè)步驟便是將確定無(wú)誤的 HDL code，放入電子設(shè)計(jì)自動(dòng)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，將合成完的程序碼再放入另一套 EDA tool，進(jìn)行電路布局與繞線(Place And Route)。在經(jīng)過(guò)不斷的檢測(cè)后，便會(huì)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。

層層光罩，疊起一顆芯片

首先，目前已經(jīng)知道一顆 IC 會(huì)產(chǎn)生多張的光罩，這些光罩有上下層的分別，每層有各自的任務(wù)。下圖為簡(jiǎn)單的光罩例子，以集成電路中最基本的元件 CMOS 為范例，CMOS 全名為互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary metal–oxide–semiconductor)，也就是將 NMOS 和 PMOS 兩者做結(jié)合，形成 CMOS。至于什么是金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)?這種在芯片中廣泛使用的元件比較難說(shuō)明，一般讀者也較難弄清，在這里就不多加細(xì)究。

下圖中，左邊就是經(jīng)過(guò)電路布局與繞線后形成的電路圖，在前面已經(jīng)知道每種顏色便代表一張光罩。右邊則是將每張光罩?jǐn)傞_(kāi)的樣子。制作是，便由底層開(kāi)始，依循上一篇 IC 芯片的制造中所提的方法，逐層制作，最后便會(huì)產(chǎn)生期望的芯片了。

至此，對(duì)于 IC 設(shè)計(jì)應(yīng)該有初步的了解，整體看來(lái)就很清楚 IC 設(shè)計(jì)是一門(mén)非常復(fù)雜的專(zhuān)業(yè)，也多虧了電腦輔助軟件的成熟，讓 IC 設(shè)計(jì)得以加速。IC 設(shè)計(jì)廠十分依賴(lài)工程師的智能，這里所述的每個(gè)步驟都有其專(zhuān)門(mén)的知識(shí)，皆可獨(dú)立成多門(mén)專(zhuān)業(yè)的課程，像是撰寫(xiě)硬件描述語(yǔ)言就不單純的只需要熟悉程序語(yǔ)言，還需要了解邏輯電路是如何運(yùn)作、如何將所需的演算法轉(zhuǎn)換成程序、合成軟件是如何將程序轉(zhuǎn)換成邏輯閘等問(wèn)題。

在了解 IC 設(shè)計(jì)師如同建筑師，晶圓代工廠是建筑營(yíng)造廠之后，接下來(lái)該了解最終如何把芯片包裝成一般使用者所熟知的外觀，也就是“封裝”。在下一篇中，將介紹 IC 封裝是什么以及幾個(gè)重要的技術(shù)。