《電子技術(shù)應(yīng)用》
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半導(dǎo)體科普:IC 功能的關(guān)鍵,,復(fù)雜繁瑣的芯片設(shè)計流程

2015-08-03
關(guān)鍵詞: 晶圓 IC HDL EDA

       在前面已經(jīng)介紹過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,。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多由專業(yè)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,。

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  設(shè)計第一步,,訂定目標

  在IC設(shè)計中,最重要的步驟就是規(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)格制定的第一步便是確定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)范,,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,。最后則是確立這顆IC 的實作方法,,將不同功能分配成不同的單元,并確立不同單元間鏈接的方法,,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,,便是使用硬件描述語言(HDL)將電路描寫出來。常使用的 HDL有 Verilog,、VHDL 等,,藉由程序碼便可輕易地將一顆IC地功能表達出來。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,。

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  ▲ 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,。

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  ▲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?

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  ▲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(wù),。下圖為簡單的光罩例子,,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明,,一般讀者也較難弄清,在這里就不多加細究,。

  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,最后便會產(chǎn)生期望的芯片了,。

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  至此,,對于IC 設(shè)計應(yīng)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(fù)雜的專業(yè),,也多虧了電腦輔助軟件的成熟,,讓IC 設(shè)計得以加速。IC 設(shè)計廠十分依賴工程師的智能,,這里所述的每個步驟都有其專門的知識,,皆可獨立成多門專業(yè)的課程,像是撰寫硬件描述語言就不單純的只需要熟悉程序語言,,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)換成程序、合成軟件是如何將程序轉(zhuǎn)換成邏輯閘等問題,。

  在了解IC 設(shè)計師如同建筑師,,晶圓代工廠是建筑營造廠之后,接下來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重要的技術(shù)。


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