【E課堂】IC功能的關(guān)鍵 復雜繁瑣的芯片設計流程

　　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，再層層往上迭的芯片制造流程后，就可產(chǎn)出必要的IC芯片。然而，沒(méi)有設計圖，擁有再強制造能力都沒(méi)有用，因此，建筑師的角色相當重要。但是IC設計中的建筑師究竟是誰(shuí)呢?接下來(lái)要針對IC設計做介紹。

　　在IC生產(chǎn)流程中，IC多由專(zhuān)業(yè)IC設計公司進(jìn)行規劃、設計，像是聯(lián)發(fā)科、高通、Intel等知名大廠(chǎng)，都自行設計各自的IC芯片，提供不同規格、效能的芯片給下游廠(chǎng)商選擇。因為IC是由各廠(chǎng)自行設計，所以IC設計十分仰賴(lài)工程師的技術(shù)，工程師的素質(zhì)影響著(zhù)一間企業(yè)的價(jià)值。然而，工程師們在設計一顆IC芯片時(shí)，究竟有那些步驟?設計流程可以簡(jiǎn)單分成如下。

　　圖1 設計流程

　　設計第一步，訂定目標

　　在IC設計中，最重要的步驟就是規格制定。這個(gè)步驟就像是在設計建筑前，先決定要幾間房間、浴室，有什么建筑法規需要遵守，在確定好所有的功能之后在進(jìn)行設計，這樣才不用再花額外的時(shí)間進(jìn)行后續修改。IC設計也需要經(jīng)過(guò)類(lèi)似的步驟，才能確保設計出來(lái)的芯片不會(huì )有任何差錯。

　　規格制定的第一步便是確定IC的目的、效能為何，對大方向做設定。接著(zhù)是察看有哪些協(xié)議要符合，像無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡的芯片就需要符合IEEE 802.11等規范，不然，這芯片將無(wú)法和市面上的產(chǎn)品兼容，使它無(wú)法和其他設備聯(lián)機。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，如此便完成規格的制定。

　　設計完規格后，接著(zhù)就是設計芯片的細節了。這個(gè)步驟就像初步記下建筑的規畫(huà)，將整體輪廓描繪出來(lái)，方便后續制圖。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，藉由程序代碼便可輕易地將一顆IC地菜單達出來(lái)。接著(zhù)就是檢查程序功能的正確性并持續修改，直到它滿(mǎn)足期望的功能為止。

　　圖2 32 bits加法器的Verilog范例

　　有了計算機，事情都變得容易

　　有了完整規畫(huà)后，接下來(lái)便是畫(huà)出平面的設計藍圖。在IC設計中，邏輯合成這個(gè)步驟便是將確定無(wú)誤的HDL code，放入電子設計自動(dòng)化工具(EDA tool)，讓計算機將HDLcode轉換成邏輯電路，產(chǎn)生如下的電路圖。之后，反復的確定此邏輯閘設計圖是否符合規格并修改，直到功能正確為止。

　　圖3 控制單元合成后的結果

　　最后，將合成完的程序代碼再放入另一套EDA tool，進(jìn)行電路布局與繞線(xiàn)(Place And Route)。在經(jīng)過(guò)不斷的檢測后，便會(huì )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(zhù)一張光罩。至于光罩究竟要如何運用呢?

　　圖4 常用的演算芯片-FFT芯片，完成電路布局與繞線(xiàn)的結果

　　層層光罩，迭起一顆芯片

　　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組件CMOS為范例，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組件比較難說(shuō)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(guò)電路布局與繞線(xiàn)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(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。  

　　圖5 電路圖

　　至此，對于IC設計應該有初步的了解，整體看來(lái)就很清楚IC設計是一門(mén)非常復雜的專(zhuān)業(yè)，也多虧了計算機輔助軟件的成熟，讓IC設計得以加速。IC設計廠(chǎng)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，皆可獨立成多門(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作、如何將所需的算法轉換成程序、合成軟件是如何將程序轉換成邏輯閘等問(wèn)題。

　　在了解IC設計師如同建筑師，晶圓代工廠(chǎng)是建筑營(yíng)造廠(chǎng)之后，接下來(lái)該了解最終如何把芯片包裝成一般用戶(hù)所熟知的外觀(guān)，也就是“封裝”。下面將介紹IC封裝是什么以及幾個(gè)重要的技術(shù)。