復雜繁瑣的芯片設(shè)計流程

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)計圖，擁有再強制造能力都沒有用，因此，建筑師的角色相當重要。但是IC設(shè)計中的建筑師究竟是誰呢？本文接下來要針對 IC 設(shè)計做介紹。

在 IC 生產(chǎn)流程中，IC 多由 IC 設(shè)計公司進行規(guī)劃、設(shè)計，像是聯(lián)發(fā)科、高通、Intel 等知名大廠，都自行設(shè)計各自的 IC 芯片，提供不同規(guī)格、效能的芯片給下游廠商選擇。因為 IC 是由各廠自行設(shè)計，所以 IC 設(shè)計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)計一顆IC芯片時，究竟有那些步驟？設(shè)計流程可以簡單分成如下。

設(shè)計步，訂定目標

在IC設(shè)計中，重要的步驟就是規(guī)格制定。這個步驟就像是在設(shè)計建筑前，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行設(shè)計，這樣才不用再花額外的時間進行后續(xù)修改。IC 設(shè)計也需要經(jīng)過類似的步驟，才能確保設(shè)計出來的芯片不會有任何差錯。

規(guī)格制定的步便是確定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)範，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。則是確立這顆 IC 的實作方法，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)計完規(guī)格后，接著就是設(shè)計芯片的細節(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)計藍圖。在 IC 設(shè)計中，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。

，將合成完的程式碼再放入另一套EDA tool，進行電路布局與繞線（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、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。下圖為簡單的光罩例子，以積體電路中基本的元件 CMOS 為範例，CMOS 全名為互補式金屬氧化物半導體（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體（MOS）？這種在芯片中廣泛使用的元件比較難說明，一般讀者也較難弄清，在這裡就不多加細究。

下圖中，左邊就是經(jīng)過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攤開的樣子。制作是，便由底層開始，依循上一篇 IC 芯片的制造中所提的方法，逐層制作，便會產(chǎn)生期望的芯片了。

至此，對于 IC 設(shè)計應該有初步的了解，整體看來就很清楚 IC 設(shè)計是一門非常復雜的，也多虧了電腦輔助軟體的成熟，讓 IC 設(shè)計得以加速。IC設(shè)計廠十分依賴工程師的智慧，這裡所述的每個步驟都有其專門的知識，皆可獨立成多門的課程，像是撰寫硬體描述語言就不單純的只需要熟悉程式語言，還需要了解邏輯電路是如何運作、如何將所需的演算法轉(zhuǎn)換成程式、合成軟體是如何將程式轉(zhuǎn)換成邏輯閘等問題。