【技术创作101训练营】芯片设计流程概要

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演讲文稿：

开场

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嗨，大家好。我是韩京飞，网名icsoc。我是一名芯片设计工程师，网名icsoc就是集成电路（integrated circuit）和片上系统芯片（system on a chip）的英文缩写，同时icsoc也代表了我是一个爱午休的打工人，因为 I Can Sleep On Chair。

关于作者

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在芯片设计这行已经做了20年，有经验有教训，也喜欢做一些总结和分享，欢迎大家关注我的公众号icsoc，也欢迎加我的微信做进一步的交流。

聚焦：芯片、设计、流程

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刚刚过去的2020年是一个多事之秋，除了疫情，还有中美贸易争端。在贸易战中，大众印象最为深刻的事件就是我们的芯片被人卡脖子了。所以作为一个芯片行业的从业人员，也应该为大众做一些芯片产业的科普，今天就为大家做一个芯片设计的概要性介绍。

芯片从人才、设计到制造、封测，涉及的产业链非常庞大，今天我们仅仅聚焦于芯片的设计和流程两个方面。也就是今天分享的主题《芯片设计流程概要》。

芯片设计流程：广义和狭义、前端和后端

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做一个特别粗略的划分的话，整个芯片的流程可以分为下面九个步骤，这是广义上的芯片设计。这里的广义就是从我们有个想做一款芯片的想法、念头，到最后我们真正拿到大批量的芯片实物开始销售的所有流程。

狭义上，我们摘出其中的一部分，真正是由芯片设计工程师完成的步骤，就是其中的架构设计、功能设计、电路设计，我们叫做芯片的前端设计流程，把物理设计、物理验证划分为芯片的后端设计流程。

再往后的芯片制造、封测、芯片的量产，也分别有非常大的技术话题，今天就没办法介绍了。实际上做为一个芯片设计工程师，对后面这些也不是十分的了解（哈哈）。

所以谈到狭义上的芯片的设计流程，我们知道可以分为前端（frontend）和后端（backend），这是一个特别重要的概念划分。二者所涉及到的专业知识背景的差异是很大的，采用的EDA工具和开发策略也是有很大不同的。（EDA就是电子设计自动化的缩写）

系统规格

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这第一个步骤所有搞研发的工程师应该都不陌生。做芯片也是类似，首先要找到一个市场，我们要服务的系统是什么样子的，然后是这颗芯片要满足系统的什么功能。这一步就是市场部门和系统部门的激烈碰撞，吵来吵去，时不时地冒出点火花来，最终达成平衡，就形成了系统规格，也就是把我们要做的事情用严谨的语言定义下来。

架构设计

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然后就是我们的芯片架构师出马了，他们会根据系统规格，确定芯片的规格、架构。比如确定芯片里的处理器的型号，用ARM还是RISC-V，几个核能满足要求，DDR用什么规格，多大的存储空间；确定芯片的工艺，用台积电的7nm，还是中芯国际的14nm。

这一步花费的时间会很长，也会经常有反复，而且最终会评估多个方案。比如今年各个芯片代工厂的产能非常紧张，规划芯片的时候也要考虑未来的产能问题。

功能设计

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到了这一步，芯片架构非常明确，开发团队就可以开足马力开干了。写微架构的文档，各种评审，然后开始写行为级的代码。通常是用硬件描述语言来写，比如verilog和vhdl。

功能设计过程中，大量的工作在功能验证。需要投入大量的验证资源，包括工程师和算力。说到算力，现在各个大厂的芯片研发，都会依靠其庞大的云计算资源来加速传统的功能验证，从谷歌研发TPU的过程来看，相对无限的云算力改变了传统的设计策略。

电路设计

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完成了功能设计，下面就要开始电路级的设计了。这个步骤有手工设计，但大部分目前都依赖于逻辑综合工具，尤其是对于数字电路来说。电路设计输出的就是特定工艺的标准单元的连接关系，也就是类似于电路原理图的东西。

大家注意，这一步的输出还是电路原理图，还不是可以拿去给工厂开始芯片制造的图纸。这中间还差几步，就是物理设计和验证。

物理设计

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顾名思义，就是把原理图转换成真正的可以物理制造的图纸。这部分的工作量也很大，尤其是在特别先进的工艺节点。这一步主要完成的是布局布线，也包括芯片电源部分的设计、改善ESD的设计等等等等。

这一步输出的芯片图纸，我们通常称之为版图（layout）。

物理验证

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物理图纸交给代工厂的之前和之后，都要做详细的物理验证，以判断这个图纸是可以用来生产芯片的，并能达到合理的良率和使用年限。DRC就是design rule check，LVS就是检查版图和电路原理图的一致性。还包括IR-Drop，也就是电压降，是指芯片正常工作中，其内部电路的工作电压要能保持在合理范围内，否则会导致芯片工作不正常。

芯片制造

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物理验证通过后，芯片设计公司就可以把芯片图纸，通常是GDSII格式的电子文档，上传到代工厂的服务器，要求代工厂开始制造流程了。这个动作我们行业内叫做投片或者流片（Tapeout），是最重要的一个时间节点。

芯片制造的流程涉及的工艺步骤非常复杂，投资巨大。其中光刻这一步就要用到设计公司提供的图纸了。说到光刻，大家都知道光刻机是整个芯片工业皇冠上的最耀眼的那颗明珠，是一个国家综合工业能力的体现。

这里要特别提一下芯片代工模式，这个是台积电的首创，它打破了一直以来只有Intel、TI这种自带芯片生产能力、才能设计芯片的垄断开发模式；造就了像博通、高通、苹果、海思这一大批无晶圆设计公司（fabless design house）的崛起，才开创了目前消费电子行业蓬勃发展的局面。

封装和测试

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从代工厂出来的是按图纸制造好的晶圆（wafer），还要切割成一块一块的裸晶（die），这些裸晶很脆弱，也无法直接用在整机的电路板上，所以要在外面包一层壳起保护作用，同时把信号从裸晶引出到封装的管脚上。这一步就叫做封装（package）。

芯片封装出来也不是就万事大吉了，设计、制造、封装、运输过程中可能引入的各种缺陷，都要在芯片交给整机生产商之前筛选出来。这个筛选的步骤就是测试。除了筛选，还可能要在芯片内部写入固化的参数和程序，这一步通常也是在封测厂完成的。

芯片

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最后，芯片终于安装在整机里面发挥其功能了。当然，整机工作过程中可能会出现各种问题，这时候芯片设计公司的技术支持就要开始工作了，如果定位确实是这颗芯片引起的问题，还要做各种补救方案。最悲惨的就是无法补救，被迫召回。那么前面所有的努力就付之东流了。

小结

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通过上面九个步骤的概要性介绍，我们可以明白，芯片设计是一个高技术门槛、高资金投入、高风险的行业。只有依靠大批量的出货，才能摊薄每一颗芯片的售价。而大批量的稳定出货，依靠的是高质量的芯片设计。而高质量的芯片设计，依靠的是优秀的芯片设计人才和芯片设计流程管理。

只有深入的理解芯片设计的各个流程，才有可能做出一颗能够成功量产的芯片。

致谢

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谢谢大家。

欢迎大家关注芯片设计公众号icsoc，和我做进一步的交流。谢谢。

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