芯片设计流程科普原创

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，那么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、封测设计的产业链非常庞大。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。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。

狭义上呢，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。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和后端，这是一个特别重要的概念划分，二者所涉及到的专业知识的差异是很大的，采用的eda工具和开发策略也是有很大不同的。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。去发现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，时不时的冒出点儿火花来，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。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risk five几个核能满足要求。DDR用什么规格，多大的存储空间？然后确定芯片的工艺用台积电的七纳米还是中芯国际的14纳米。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。

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lo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，现在各个互联网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。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？就是物理设计和物理验证。顾名思义，物理设计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，我们称之为版图。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，并能达到合理的量率和使用年限。

DRC就是d check。LVS就是检查版图和电路原理图的一致性。其他还包括air 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。否则的话，会导致芯片工作不正常。物理验证通过后，芯片设计公司就可以把芯片图纸通常是GDS two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，是最重要的一个时间节点。芯片制造的流程、设计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英特尔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、海思这一大批无晶元设计公司的崛起，才开创了目前消费电子行业蓬勃发展的局面。从代工厂出来的是按图纸制造好的晶圆，还要切割成一块一块的裸晶，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而起保护作用。同时把信号从裸晶引出到封装的管角上，这一步就叫做封装。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场完成的。最后，芯片终于安装在整机里面发挥功能了。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。如果定位确实是由于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诸东流了。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。欢迎大家关注芯片设计公众号I sok，和我做进一步的交流。谢谢大家，再见。嗨，大家好，我是IC sok，我是一名芯片设计工程师，网名IC sok就是集成电路和片上系统芯片的英文缩写。同时，ICY sok也代表了我是一个爱午休的打工人，因为她也是I can sleep ona的缩写。我在芯片设计这行已经做了接近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I sok。

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