芯片设计流程详解(芯片设计流程图)

处理器流水线可以分为前端和后端，芯片设计也可以分为前端和后端。前端负责逻辑设计，输出网表，后端负责物理设计，输出版图。下一步是芯片制造，这一过程通常被称为流片。为什么叫tapeout？这里面也有故事。布局文件非常大。以前是存储在磁带上，送到工厂生产，所以叫tapeout。后来这个词一直沿用到现在。芯片设计流程图如下:

如果面试官问一个东西的设计过程，第一步是回答“系统设计”，这是一个通用的答案，因为任何设计都可以采用自上而下逐渐细化的过程。系统设计完成了设计建模与仿真、模块划分等。确保正确的设计思路，其次是设计的具体实施过程。

8.2.3硬件描述语言-硬和软。

1.电子设计自动化

计算机辅助设计(CAD)已经融入各行各业。制作一双鞋、赛车、广告等。可以全部由计算机来设计，还有计算机本身的设计，无论是处理器，内存电路，计算机结构，外观等。，也是在计算机上进行的，所以出现了计算机辅助设计这个有趣的现象。

EDA是电子设计自动化的简称，是电路领域的计算机辅助设计。设计师可以在EDA软件平台上完成一整套集成电路设计，直到设计交给工厂。Cadence和Synopsys公司在芯片设计的各个阶段都提供EDA工具。早期Synopsys的前端工具更有优势，Cadence的后端工具更有优势。现在两者差别不大。

2.2的基础。高密度脂蛋白

设计一个电路，可以通过画电路图来实现，如下图所示:

成百上千个元件的电路图可以用手工画出来，但一个芯片可以包含几亿甚至几十亿个晶体管，用画图的方法是画不出来的。幸运的是，人们已经开发了硬件描述语言(HDL ),并使用编程方法来开发集成电路。

业界有两种硬件描述语言:VHDL和Verilog，其中Verilog应用较为广泛。硬件描述语言主要用于数字电路的建模。建模的层次从高到低可以分为四个层次:

行为级描述电路的功能，RTL级描述电路的结构，门级描述门级电路的结构，电路级描述晶体管电路的结构。

层次描述不关心电路的具体结构，只关注算法，主要用于建模仿真，不能直接合成具体电路。集成电路的设计主要采用RTL级建模。

众所周知，逻辑电路的基本结构如下:

这个电路可以理解为寄存器之间的信号传输，所以也叫寄存器传输级(Register TransferLevel，RTL)电路。这类电路可以用Verilog语言实现，具体电路可以综合。

逻辑综合

在软件开发中，需要使用编译器将C源代码编译成处理器可以识别的二进制代码，可以在集成电子中使用。

在道路开发中，Verilog源代码也需要编译成特定的电路，但这里的编译叫做综合。

(合成)，如下图所示:

软件开发系统提供库，硬件开发系统也提供库，不需要设计师从零开始设计一切。

在软件开发中，编译器不仅仅做简单的翻译，还要对软件进行优化。在硬件开发中，合成器也是如此，它可以优化电路。编译器有编译选项，供程序员在存储空和速度之间进行权衡，合成器有设计约束，供设计人员在电路面积和速度之间进行权衡。

在软件编译中，函数内联将函数体复制到函数的调用处，增加了代码空间空，减少了执行时间。硬件合成时，合成器会执行类似的操作。对于同一个电路，合成电路面积小，通常速度慢，合成电路面积大，通常速度快，如下图所示:

HDL代码合成的文件称为网表，描述电路的门级结构。门级电路基于与门、非门等。

8.2.5硬件描述语言和软件描述语言的区别

1.指令和电路

软件描述语言描述处理器指令，而硬件描述语言描述硬件电路。同样的语句z=x y是用软件描述语言编译的指令，用硬件描述语言合成的电路。

在软件中，如果修改了x的值，只要不调用这个语句，z的值就不会被修改。在硬件电路中，当X被修改时，Z立即改变，这是软件描述语言和硬件描述语言最典型的区别。

2.数据通道和控制通道处理器内核可分为数据通道和控制通道。数据通道是指令的计算部分(ALU模块)，控制通道控制指令的计算(取指、译码等模块)。

在软件描述语言中，程序员只需要关心数据通道，即输入是什么，操作是什么，输出是什么。用硬件描述语言。后设计&猫路。更关注控制通道，即控制指令的执行。

3.串行和并行

是同样的两种说法:

假设处理器只有一个加法器，如果是软件描述语言，这两条语句由处理器的一个加法器轮流执行，而如果是硬件描述语言，则直接生成两个加法器并行处理。

4.时序

在软件描述语言中，程序员只需要关心指令的顺序，先完成什么，后完成什么，不需要关心处理器硬件电路的执行细节。在硬件描述语言中，设计者需要知道电路在每个时钟的执行状态。

物理设计

物理设计是后端设计，利用EDA工具对前端网表进行版图和物理验证，最终生成GDSIⅱⅱ数据文件进行制造。Netist描述了集成电路的逻辑结构，GDSIⅱ文档描述了集成电路的物理结构。

物理设计可以分为三个主要步骤:布图规划(layout)、布局(Placement)和布线(Routing)，其中布图规划和布局通常没有太严格的区分。设计房子，先划定一个长方形的区域，然后规划房子的布局，比如卧室、厨房、车库在哪里。而且每个房间的摆放位置都可以改变，在总面积不变的情况下会有多种布局方式。平面图的字面意思是建筑平面图，即从上面看的建筑结构。集成电路的物理设计是在芯片上完成电路的布局。这和房子的布局是一样的。布图规划计算最佳布局方法，并完成电路模块的布局和布局。布线就是布线，比如在一栋楼里布置电线和网线。

物理设计的输出是布局文件，以GDSⅱ(图形设计系统)格式存储。半导体芯片的布局和国家的地理布局一样，描述的是电路的拓扑结构和元器件的特性，是给芯片厂商的图样，作为生产电路的指南。集成电路的基本元件和连接是在硅片上一层一层蚀刻出来的。版图描述了电路结构，也描述了哪里腐蚀，哪里保留。

8.3芯片制造-点石成金

8.3.1探索微观世界

看到它，人们会想到苹果和富士康。富士康制造苹果iphone，利润被苹果拿走。富士康拿到的只是很小一部分辛苦费。人们通常理解的制造技术含量低，价值低。但是精密制造是相当有技术含量和价值的，美国和日本在这些方面都很厉害。中国是制造大国，但中国是加工大国。

芯片的制造工艺相当精密，与分子相差不远，技术含量可观，投资巨大。没有多少公司玩得起这个游戏。许多传统半导体公司逐渐转向“轻晶圆”战略，寻求与代工厂合作。他们只设计自己的芯片，将芯片制造外包给代工厂。全球最大的芯片制造代工厂是TSMC(台湾集成电路制造股份有限公司，台湾省称集成电路集成电路)。芯片的制造工艺有多精细？下图做了比较:

制造芯片的主要原料是硅，硅是地壳中仅次于氧气的第二丰富的化学物质。硅和氧构成了地球上最没有价值的沙子(二氧化硅)。芯片中使用的硅是从沙子中提炼出来的，所以半导体行业真的可以被形容为一个点石成金的行业。半导体制造公司利用半导体材料和半导体生产设备，将芯片设计公司设计的电路转换成芯片，如下图所示:

在芯片设计领域，美国占有优势。英特尔、IBM、TI、高通、苹果、思科等公司都精通芯片设计。在芯片制造领域，英特尔、三星和TSMC分别在处理器、内存和OEM方面处于领先地位。IBM的芯片制造技术也比较先进，经常会将技术转移给其他代工厂。

资源匮乏的日本非常重视半导体产业。早在上世纪70年代，日本就开始大规模布局半导体领域。虽然现在日本的芯片设计和制造已经衰落，但日本仍占全球半导体生产设备的37%，半导体材料供应的66%。

芯片制造流程

芯片的制造成本非常高，每一步都需要相当精密的工具，在相当恶劣的环境下实施。以下是芯片制造的基本流程。芯片的制造过程可以分为前端和后端。前端负责晶圆加工，包括晶圆制作和晶圆测试，后端负责芯片加工，包括晶圆划片、芯片封装和测试。英特尔大连工厂负责前端，英特尔成都工厂负责后端。他们生产65纳米芯片组。前端工厂也叫fab，后端工厂也叫组装测试工厂。

1.晶片

厨师总是一次炒很多人，芯片制造也是，就是一次制造多个芯片。晶圆是芯片电路的载体，一个晶圆可以做多个芯片。之所以叫晶圆，是因为它是硅晶，是圆盘。

常见的晶圆直径有300mm，200mm，150mm，现在开始出现更大的晶圆。晶片越大，晶片上可以制造的芯片就越多。大连晶圆厂用的晶圆是300mm，比一本书略大。一般能生产几百个芯片。

晶圆来自沙子，沙子的主要成分是二氧化硅(SiO2)。晶圆用的单晶硅纯度很高，通常达到99.9999%。通过复杂的化学和物理方法，获得可用于半导体制造质量的硅锭，并切割硅锭以获得晶片。

晶圆很薄，至少比黄瓜面膜薄很多。300mm的晶圆厚度约为0.775mm，不同尺寸的晶圆厚度不同。晶圆厂本身不生产晶圆，大部分晶圆材料来自日本。2011年3月，日本一个小地方的地震影响了全球25%的晶圆供应。

2.洁净室——即使什么都没有，仍然有灰尘。

禅师慧能兄弟曾写过一句著名的诗:“菩提无树，明镜非台。里面什么都没有，那灰尘在哪里？”如果用这句话来形容人的心情，意境是挺高的，但是大自然没有这种意识。空空气中漂浮着大量的悬浮物，如灰尘、杂质等。虽然人们看不到它们，但它们确实存在。所以我们可以用这句话来形容我们生活的空室:“即使什么都没有，仍然有尘埃”。芯片制造过程中空气体的纯度很高。如果有颗粒附着在芯片上，可能会导致芯片出现缺陷，无法使用。芯片的制造过程需要在洁净室中进行。

洁净室起源于医院的手术室。为了防止患者伤口感染，对室内的空气体进行了净化。100%的清洁度很难达到。美国联邦标准209B将洁净室分为6个等级，即1级、10级、100级、1000级、10K级和100K级，10级是指每立方英尺0.5μ的尘粒不超过10个，5μ的尘粒数为0。半导体工厂的洁净室比医院的手术室干净1000倍(引自英特尔

3.晶圆制造

Fabrication是组装和制造的意思，Fab是它的缩写。Fab通常用来指晶圆厂。无晶圆厂是指没有晶圆厂的半导体设计公司，比如赛灵思和高通。

文明始于“雕版”。在古代，文字被刻在龟甲和石头上，后人了解到古代发生的事情。现在人们在硅片上雕刻集成电路，但是这种雕刻是手工做不出来的，机械雕刻也达不到精度要求，只能用光刻。

先将集成电路版图印刷在掩膜上，然后通过复杂的光刻、掺杂、刻蚀等步骤在晶圆上形成晶体管，再注入铜粒子形成导线，这样就完成了集成电路。晶圆上的集成电路也是一层一层的，就像建筑一样，如下图所示:

手工加工晶圆会用到很多腐蚀性的化学材料，所以污染控制也很重要。

4.晶圆测试

一个晶圆将包含许多方形芯片，也称为芯片。每个芯片包含一个独立的集成电路，集成电路将封装成一个独立的芯片。晶片加工后，某些地方可能会有缺陷，导致晶片损坏。所以晶圆在出厂前要进行测试，可以检测出好的管芯和坏的管芯。

上图中有38片晶圆，其中一片因某些问题出现缺陷，4片无效，晶圆良率为34/38=89%。

5、晶圆切割——我切，我切，我切

加工后的晶圆会被送到后端的封装测试厂进行后处理，后端会对晶圆进行切片得到晶圆。

6.包装——好马配好鞍

硅片很小，很软，容易碎，需要固定和密封。该封装可以防止芯片受到物理损坏，还可以将芯片产生的热量扩散到封装的更大区域进行冷却。封装的另一个功能是引出引脚。芯片外围的金属I/O引脚非常小。将它们引出到封装上较大的引脚，以便于芯片之间的连接，从而获得可用的芯片。

早期的多核处理器很多都是把多个处理器芯片封装在一个芯片里，后来的多核处理器基本都是一个处理器芯片包含多个处理器核心。如下图:

7.标志；徽标

制作芯片的最后一步是打logo。标注logo绝对是所有步骤中最重要的一步。如果英特尔的芯片标上AMD的logo，英特尔会大发雷霆。不是空，因为一个中国人曾经做过这样的事情，就是著名的“汉芯”事件。脱皮是Photoshop的专业技术，用来磨平面部。所有的技术都是相通的，在芯片的外观上也可以使用剥皮。这个中国人买了一个鼎尔飞思卡尔DSP芯片，请人把芯片上的logo剥下来，然后打上自己的logo，就这样代表“世界先进水平”的国产DSP芯片诞生了。

本文摘自《大话处理器:处理器基础知识读本》，感兴趣的朋友可以看原著。