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      IC芯片的設計

      編輯:中奧載帶 時間: 2020-10-27 09:45 瀏覽量: 54


      IC芯片的設計

      芯片由集成電路經過設計、制造、封裝等一系列操作后形成,一般來說,集成電路更著重電路的設計和布局布線,而芯片更看重電路的集成、生產和封裝這三大環節。但在日常生活中,“集成電路”和“芯片”兩者常被當作同一概念使用。

      芯片制造的過程就如同用樂高蓋房子一樣,先有晶圓作為地基,再層層往上疊的芯片制造流程后,就可產出必要的IC芯片(這些會在后面介紹)。然而,沒有設計圖,擁有再強制造能力都沒有用,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呢?本文接下來要針對IC設計做介紹。


      晶圓上的芯片


      在IC芯片生產流程中,IC芯片多由專業IC設計公司進行規劃、設計,像是聯發科、高通、Intel等知名大廠,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商選擇。因為IC芯片是由各廠自行設計,所以IC設計十分仰賴工程師的技術,工程師的素質影響著 一間企業的價值。

      那么,工程師們在設計一顆IC芯片時,究竟有那些步驟?設計流程可以簡單分成如下。

      芯片設計流程


      設計第一步,訂定目標


      IC設計中,最重要的步驟就是規格制定。這個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再進行設計,這樣才不用花額外的時間進行后續修改。IC設計也需要經過類似的步驟,才能確保設計出來的芯片不會有任何差錯。

      規格制定的第一步便是確定IC芯片的目的、效能為何,對大方向做出設定。接著是察看有哪些協定要符合,像無線網卡的芯片就需要符合 IEEE 802.11 等規范,不然,這芯片將無法和市面上的產品兼容,無法和其他設備連線。最后則是確立這顆IC的實作方法,將不同功能分配成不同的單元,并確立不同單元之間連結的方法,如此便完成規格的制定。

      設計完規格后,接著就是設計芯片的細節了。這個步驟就像初步記下建筑的規劃,將整體輪廓描繪出來,方便后續制圖。在IC芯片中,便是使用硬體描述語言(HDL)將電路描寫出來。常使用的HDL有Verilog、VHDL等,藉由程式碼便可輕易地將一顆IC芯片的功能表達出來。接著就是檢查程式功能的正確性并持續修改,直到它滿足期望的功能為止。

      32 bits 加法器的 Verilog 范例


      完整規劃后,接下來便是畫出平面的設計藍圖。在IC設計中,邏輯合成這個步驟便是將確定無誤的HDL code,放入電子設計自動化工具(EDA tool),讓電腦將HDL code轉換成邏輯電路,產生如下的電路圖。之后,反覆的確定此邏輯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,進行電路布局與繞線(Place And Route)。在經過不斷的檢測后,便會形成如下的電路圖。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一張光罩。

      常用的演算芯片- FFT 芯片,完成電路布局與繞線的結果


      至于光罩究竟要如何運用呢?

      首先,目前已經知道一顆IC芯片會產生多張光罩,這些光罩有上下層的分別,每層有各自的任務。下圖為簡單的光罩例子,以積體電路中最基本的元件CMOS為范例,至于什么是金屬氧化物半導體(MOS)?這種在芯片中廣泛使用的元件比較難說明,一般讀者也較難弄清,在這里就不多細究。

      CMOS全名為互補式金屬氧化物半導體Complementary metal–oxide–semiconductor),將NMOSPMOS兩者做結合,形成CMOS。

      下圖中,左邊就是經過電路布局與繞線后形成的電路圖,在前面已經知道每種顏色便代表一張光罩。右邊則是將每張光罩攤開的樣子。制作時,便由底層開始,依循上一篇IC芯片的制造中所提的方法,逐層制作,最后便會產生期望的芯片了。

      電路圖


          至此,大家對于IC設計應該有初步的了解,整體看來就很清楚IC設計是一門非常復雜的專業,也多虧了電腦輔助軟體的成熟,讓IC設計得以加速。IC設計廠十分依賴工程師的智慧,這里所述的每個步驟都有其專門的知識,皆可獨立成多門專業的課程,像是撰寫硬體描述語言就不單純的只需要熟悉程式語言,還需要了解邏輯電路是如何運作、如何將所需的演算法轉換成程式、合成軟體是如何將程式轉換成邏輯閘等問題。



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