淺談芯片設(shè)計(jì)流程

芯片是今天中國(guó)最熱門(mén)的話題，隨著國(guó)際環(huán)境的變化，芯片設(shè)計(jì)和自主創(chuàng)新的重要意義越來(lái)越凸顯。在數(shù)字化、互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代，主要的計(jì)算任務(wù)運(yùn)行在CPU處理器上;而大數(shù)據(jù)、人工智能、5G時(shí)代，主要的計(jì)算任務(wù)運(yùn)行在GPU、DSP、人工智能專用處理器以及形式多樣的專用硬件加速器上。多種計(jì)算單元的混合、搭配、集成統(tǒng)稱為異構(gòu)計(jì)算。異構(gòu)計(jì)算的發(fā)展由來(lái)已久，但新一代異構(gòu)計(jì)算已經(jīng)成為處理器芯片設(shè)計(jì)創(chuàng)新的主要熱點(diǎn)之一，其特點(diǎn)是不同計(jì)算單元的軟、硬件要素相互協(xié)同，形成一個(gè)統(tǒng)一的、高效的、簡(jiǎn)化的異構(gòu)計(jì)算芯片設(shè)計(jì)和應(yīng)用開(kāi)發(fā)的平臺(tái)。

芯片半導(dǎo)體元件產(chǎn)品的統(tǒng)稱，集成電路 IC;或稱微電路、微芯片、晶片/芯片在電子學(xué)中是一種把電路(主要包括半導(dǎo)體設(shè)備，也包括被動(dòng)組件等)小型化的方式，并時(shí)常制造在半導(dǎo)體晶圓表面上。芯片制作完整過(guò)程包括芯片設(shè)計(jì)、晶片制作、封裝制作、測(cè)試等幾個(gè)環(huán)節(jié)，其中晶片制作過(guò)程尤為的復(fù)雜。

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(gè)環(huán)節(jié)。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)出想要的IC 芯片，然而，沒(méi)有設(shè)計(jì)圖，擁有再?gòu)?qiáng)大的制造能力也無(wú)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。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(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，定目標(biāo)

在 IC 設(shè)計(jì)中，最重要的步驟就是規(guī)格制定

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。

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。

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。

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(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?

層層光罩，疊起一顆芯片。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)。

芯片的正向設(shè)計(jì)

在工程技術(shù)人員的腦海中，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程都是從無(wú)到有，即在工程技術(shù)員的腦海中構(gòu)思產(chǎn)品的外形，技術(shù)參數(shù)，性能等，然后通過(guò)繪制圖建立產(chǎn)品的三維數(shù)字化模型，最終將這個(gè)模型轉(zhuǎn)入到制造流程中，這就是芯片的正向設(shè)計(jì)。

芯片的正向設(shè)計(jì)流程

一、總體規(guī)劃

隨著集成電路設(shè)計(jì)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，出現(xiàn)了很多成熟的常用設(shè)計(jì)模塊，也被成為IP核，現(xiàn)在芯片正向設(shè)計(jì)，不再是完全從0開(kāi)始，都是基于某些成熟的IP核，并在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行芯片功能的添加。芯片正向設(shè)計(jì)依然是從市場(chǎng)未來(lái)需求著手，從開(kāi)發(fā)成本和預(yù)期收益來(lái)衡量是否進(jìn)行芯片的開(kāi)發(fā)的。明確市場(chǎng)未來(lái)需求之后，就將這些需求轉(zhuǎn)化為芯片的各項(xiàng)重要參數(shù)指標(biāo)，然后進(jìn)行任務(wù)劃分，模擬設(shè)計(jì)師負(fù)責(zé)模擬，數(shù)字設(shè)計(jì)師負(fù)責(zé)數(shù)字。個(gè)人對(duì)于模擬部分不太熟，所以就略過(guò)。重點(diǎn)總結(jié)數(shù)字設(shè)計(jì)部分，當(dāng)然這部分也不是很熟，因?yàn)闆](méi)有真正做過(guò)。

二、架構(gòu)/算法

現(xiàn)在數(shù)字電路在芯片中占有極大的比重，數(shù)字邏輯也變得越來(lái)越復(fù)雜，所以必須從架構(gòu)和算法上進(jìn)行考慮。個(gè)人所略知的關(guān)于芯片架構(gòu)的是，架構(gòu)可以分為三種大的方向：

1，數(shù)據(jù)流;

2，控制流，

3，總線流。

算法都是以數(shù)據(jù)處理為主要目的的，所以這些算法都要求有較強(qiáng)的數(shù)學(xué)功底。做算法開(kāi)發(fā)，主要工具為MATLAB，都是先在MATLAB上做原型開(kāi)發(fā)驗(yàn)證，再轉(zhuǎn)化為RTL級(jí)的代碼。結(jié)合架構(gòu)和算法，將芯片的總體結(jié)構(gòu)搭建出來(lái)，為后續(xù)的工作做好了準(zhǔn)備。

三、RTL代碼

當(dāng)算法工程師把芯片架構(gòu)設(shè)計(jì)好，各種算法在MATLAB上通過(guò)了驗(yàn)證，以及其他必要條件的考量之后，便將工作交接給ASIC工程師去做RTL代碼的翻譯工作，就是將MATLAB上的算法翻譯成RTL。

四、仿真驗(yàn)證

這一步的工作比較關(guān)鍵，可以說(shuō)是設(shè)計(jì)部分的第一個(gè)分水嶺。仿真驗(yàn)證，視不同的公司，不同的項(xiàng)目，復(fù)雜度有非常大的不同。

五、工藝選擇

正向設(shè)計(jì)在一開(kāi)始的整體規(guī)劃中就要考慮工藝的問(wèn)題，這涉及到有關(guān)工藝的相關(guān)知識(shí)，有些工藝就是特別為某種類型的芯片而開(kāi)發(fā)的。

六、綜合、時(shí)序&功耗分析

這一步是在RTL仿真驗(yàn)證完之后進(jìn)行，當(dāng)然還有一個(gè)前提，制造工藝必須選定，否則，如果中途換了工藝，這部分的工作還得重新來(lái)做，這樣將會(huì)消耗特別多的時(shí)間。

七、 形式驗(yàn)證

綜合出來(lái)的網(wǎng)表正確與否如何判定呢?這需要用到形式驗(yàn)證技術(shù)，該技術(shù)與RTL的仿真不同，它是從數(shù)理邏輯出發(fā)，來(lái)對(duì)比兩個(gè)網(wǎng)表在邏輯上的等效性。如果等效，則綜合的網(wǎng)表就是符合要求的。

八、自動(dòng)布局布線

這個(gè)步驟嚴(yán)重依賴于軟件和經(jīng)驗(yàn)，目前常用的軟件為Cadence Encounter不同版本的自動(dòng)布局布線軟件名字可能不一樣。

傳統(tǒng)以來(lái)，工業(yè)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)均是循著序列嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难邪l(fā)流程，從功能與規(guī)格的預(yù)期指標(biāo)確定開(kāi)始，構(gòu)思產(chǎn)品的零組件需求，再由各個(gè)元件的設(shè)計(jì)、制造以及檢驗(yàn)零組件組裝、檢驗(yàn)整機(jī)組裝、性能測(cè)試等程序來(lái)完成，此為芯片正向設(shè)計(jì)的由來(lái)。

當(dāng)把一顆芯片設(shè)計(jì)出來(lái)之后，接下來(lái)便是芯片制造了。設(shè)計(jì)和工藝都是芯片制造的兩大難點(diǎn)，兩者一定程度上相輔相成。在這里我們就不詳細(xì)介紹芯片制造的過(guò)程了。

過(guò)去三十年，人類經(jīng)歷了數(shù)字化、互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)變革，背后關(guān)鍵的推手，就是以處理器為代表的計(jì)算技術(shù)的飛速進(jìn)步。因此，即使是在芯片產(chǎn)業(yè)全球化的背景下，也需認(rèn)識(shí)到，國(guó)產(chǎn)處理器的創(chuàng)新能力代表了一個(gè)國(guó)家對(duì)新一代信息技術(shù)的掌控能力。當(dāng)大數(shù)據(jù)、人工智能、5G浪潮席卷而來(lái)，新一輪計(jì)算革命已然到來(lái)，全球處理器行業(yè)正面臨全新的挑戰(zhàn)。