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芯片是如何设计

2019/11/2

  芯片制造为何如此艰难?

  芯片是一个伟大的发明。可以说是一个奇迹。

  2016年,我国芯片进口额高达2271亿美元,连续4年进口额超过2000亿美元。而芯片进口的花费已经连续两年超过原油,过去十年已经累计耗资高达1.8万亿美元。芯片被喻为国家的“工业粮食”,普遍应用于计算机、手机、汽车、网络通信等几大核心领域,但是国内芯片产业却长期受制于人。不要说手机、电脑的芯片掌握在英特尔、三星等科技巨头手中,连空调、DVD播放机的芯片都要依赖进口。

  芯片,作为集成电路的载体,是集成电路经过设计、制造、封装、测试后的结果。根据企业在产业链所处的上游、中游和下游阶段的差异,可大致分为设计企业、IC制造企业、封装测试企业。我们熟悉的高通和联发科属于知名IC设计厂商,而台积电则属于制造代工领域。

  芯片制造真的很难!

  芯片制造的过程就如同用乐高盖房子一样,先有晶圆作为地基,再层层往上叠的芯片制造流程后,就可产出必要的 IC 芯片(这些会在后面介绍)。然而,没有设计图,拥有再强制造能力都没有用,因此,建筑师的角色相当重要。但是 IC 设计中的建筑师究竟是谁呢?本文接下来要针对 IC 设计做介绍。

  在 IC 生产流程中,IC 多由专业 IC 设计公司进行规划、设计,像是联发科、高通、Intel 等知名大厂,都自行设计各自的 IC 芯片,提供不同规格、效能的芯片给下游厂商选择。因为 IC 是由各厂自行设计,所以 IC 设计十分仰赖工程师的技术,工程师的素质影响着一间企业的价值。然而,工程师们在设计一颗 IC 芯片时,究竟有那些步骤?设计流程可以简单分成如下。

  设计第一步,订定目标

  在 芯片 设计中,最重要的步骤就是规格制定。这个步骤就像是在设计建筑前,先决定要几间房间、浴室,有什么建筑法规需要遵守,在确定好所有的功能之后在进行设计,这样才不用再花额外的时间进行后续修改。IC 设计也需要经过类似的步骤,才能确保设计出来的芯片不会有任何差错。

  规格制定的第一步便是确定 IC 的目的、效能为何,对大方向做设定。接着是察看有哪些协定要符合,像无线网卡的芯片就需要符合 IEEE 802.11 等规範,不然,这芯片将无法和市面上的产品相容,使它无法和其他设备连线。最后则是确立这颗 IC 的实作方法,将不同功能分配成不同的单元,并确立不同单元间连结的方法,如此便完成规格的制定。

  设计完规格后,接着就是设计芯片的细节了。这个步骤就像初步记下建筑的规画,将整体轮廓描绘出来,方便后续制图。在 IC 芯片中,便是使用硬体描述语言(HDL)将电路描写出来。常使用的 HDL 有 Verilog、VHDL 等,藉由程式码便可轻易地将一颗 IC 地功能表达出来。接着就是检查程式功能的正确性并持续修改,直到它满足期望的功能为止。

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