一文看懂高大上的芯片設計和生產(chǎn)流程

　　芯片，指的是內含集成電路的硅片，所以芯片又被稱(chēng)集成電路，可能只有2.5厘米見(jiàn)方大小，但是卻包含幾千萬(wàn)個(gè)晶體管，而較簡(jiǎn)單的處理器可能在幾毫米見(jiàn)方的芯片上刻有幾千個(gè)晶體管。芯片是電子設備中最重要的部分，承擔著(zhù)運算和存儲的功能。

　　高大上的芯片設計流程

　　一顆芯片的誕生，可以分為設計與制造兩個(gè)環(huán)節。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)有設計圖，擁有再強大的制造能力也無(wú)濟于事。

　　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。所以，IC設計是整個(gè)芯片成型最重要的一環(huán)。

　　先看看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，再層層往上疊的芯片制造流程后，就可產(chǎn)出必要的 IC 芯片(這些會(huì )在后面介紹)。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。

　　設計第一步，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)定要符合，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)品相容，使它無(wú)法和其他設備連線(xiàn)。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，并確立不同單元間連結的方法，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，便是使用硬體描述語(yǔ)言(HDL)將電路描寫(xiě)出來(lái)。常使用的 HDL 有 Verilog、VHDL 等，藉由程式碼便可輕易地將一顆 IC 地功能表達出來(lái)。接著(zhù)就是檢查程式功能的正確性并持續修改，直到它滿(mǎn)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)，讓電腦將 HDL code 轉換成邏輯電路，產(chǎn)生如下的電路圖。之后，反覆的確定此邏輯閘設計圖是否符合規格并修改，直到功能正確為止。

　　▲ 控制單元合成后的結果

　　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(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?

　　▲ 常用的演算芯片- FFT 芯片，完成電路布局與繞線(xiàn)的結果