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IC设计、制造、封测,看这篇就够了

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fpga_feixiang 发表于 2019-10-9 15:20:30 | 显示全部楼层 |阅读模式
复杂繁琐的芯片设计流程

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IC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。



▲32 bits加法器的Verilog范例。

☞有了电脑,事情都变得容易

有了完整规画后,接下来便是画出平面的设计蓝图。在IC设计中,逻辑合成这个步骤便是将确定无误的HDL code,放入电子设计自动化工具(EDA tool),让电脑将HDL code转换成逻辑电路,产生如下的电路图。之后,反覆的确定此逻辑闸设计图是否符合规格并修改,直到功能正确为止。



▲控制单元合成后的结果。

最后,将合成完的程式码再放入另一套EDA tool,进行电路布局与绕线(Place And Route)。在经过不断的检测后,便会形成如下的电路图。图中可以看到蓝、红、绿、黄等不同颜色,每种不同的颜色就代表着一张光罩。至于光罩究竟要如何运用呢?



▲常用的演算芯片- FFT芯片,完成电路布局与绕线的结果。

☞层层光罩,叠起一颗芯片

首先,目前已经知道一颗IC会产生多张的光罩,这些光罩有上下层的分别,每层有各自的任务。下图为简单的光罩例子,以积体电路中最基本的元件CMOS为範例,CMOS全名为互补式金属氧化物半导体(Complementary metal–oxide–semiconductor),也就是将NMOS和PMOS两者做结合,形成CMOS。至于什么是金属氧化物半导体(MOS)?这种在芯片中广泛使用的元件比较难说明,一般读者也较难弄清,在这裡就不多加细究。

下图中,左边就是经过电路布局与绕线后形成的电路图,在前面已经知道每种颜色便代表一张光罩。右边则是将每张光罩摊开的样子。制作是,便由底层开始,依循上一篇IC芯片的制造中所提的方法,逐层制作,最后便会产生期望的芯片了。



至此,对于IC设计应该有初步的了解,整体看来就很清楚IC设计是一门非常复杂的专业,也多亏了电脑辅助软体的成熟,让IC设计得以加速。IC设计厂十分依赖工程师的智慧,这裡所述的每个步骤都有其专门的知识,皆可独立成多门专业的课程,像是撰写硬体描述语言就不单纯的只需要熟悉程式语言,还需要了解逻辑电路是如何运作、如何将所需的演算法转换成程式、合成软体是如何将程式转换成逻辑闸等问题。

其中主要半导体设计公司有英特尔、高通、博通、英伟达、美满、赛灵思、Altera、联发科、海思、展讯、中兴微电子、华大、大唐、智芯、敦泰、士兰、中星、格科等。

什么是晶圆?

在半导体的新闻中,总是会提到以尺寸标示的晶圆厂,如8寸或是12寸晶圆厂,然而,所谓的晶圆到底是什么东西?其中8寸指的是什么部分?要产出大尺寸的晶圆制造又有什么难度呢?以下将逐步介绍半导体最重要的基础——「晶圆」到底是什么。

晶圆(wafer),是制造各式电脑芯片的基础。我们可以将芯片制造比拟成用乐高积木盖房子,藉由一层又一层的堆叠,完成自己期望的造型(也就是各式芯片)。然而,如果没有良好的地基,盖出来的房子就会歪来歪去,不合自己所意,为了做出完美的房子,便需要一个平稳的基板。对芯片制造来说,这个基板就是接下来将描述的晶圆。



(Souse:Flickr/Jonathan Stewart CC BY 2.0)

首先,先回想一下小时候在玩乐高积木时,积木的表面都会有一个一个小小圆型的凸出物,藉由这个构造,我们可将两块积木稳固的叠在一起,且不需使用胶水。芯片制造,也是以类似这样的方式,将后续添加的原子和基板固定在一起。因此,我们需要寻找表面整齐的基板,以满足后续制造所需的条件。

在固体材料中,有一种特殊的晶体结构──单晶(M
大鹏 发表于 2019-10-9 16:03:39 | 显示全部楼层
复杂繁琐的芯片设计流程
Sunlife 发表于 2019-10-9 16:28:49 | 显示全部楼层
                     
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