科普：芯片設(shè)計(jì)流程

來(lái)源：內(nèi)容由半導(dǎo)體芯聞（ID:MooreNEWS）編譯自design-reuse，謝謝。

芯片設(shè)計(jì)過(guò)程是一項(xiàng)復(fù)雜的多步驟工作，涉及從初始系統(tǒng)規(guī)格到制造的各個(gè)階段。每一步對(duì)于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)完全可用芯片的目標(biāo)都至關(guān)重要。本文概述了芯片設(shè)計(jì)流程、不同階段以及它們對(duì)創(chuàng)建有效芯片的貢獻(xiàn)。這些階段包括系統(tǒng)規(guī)范、架構(gòu)設(shè)計(jì)、功能設(shè)計(jì)、邏輯設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、物理設(shè)計(jì)驗(yàn)證和制造。

任何新開(kāi)發(fā)的第一步都涉及確定要設(shè)計(jì)的設(shè)備/產(chǎn)品的類(lèi)型，例如集成電路 (IC)、ASIC、FPGA、SoC 等。例如，如果目標(biāo)是為電信或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等高速應(yīng)用創(chuàng)建體積小但功能強(qiáng)大的產(chǎn)品，那么最好的選擇可能是專(zhuān)用集成電路 (ASIC)。如果目標(biāo)是設(shè)計(jì)更靈活的東西，能夠以最小的開(kāi)銷(xiāo)執(zhí)行多項(xiàng)任務(wù)，那么 FPGA 可能是更好的選擇。一旦選擇了設(shè)備類(lèi)型，就可以定義規(guī)格。

01

芯片設(shè)計(jì)理念

芯片是經(jīng)過(guò)編程以執(zhí)行特定功能的小型電子器件。這些器件用于各種應(yīng)用，包括計(jì)算機(jī)和手機(jī)。VLSI 技術(shù)使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)?shù)百萬(wàn)甚至數(shù)十億個(gè)晶體管集成到單個(gè)芯片上，從而徹底改變了電子行業(yè)。這導(dǎo)致了功能強(qiáng)大的處理器、存儲(chǔ)設(shè)備和其他先進(jìn)電子系統(tǒng)的發(fā)展。

芯片是根據(jù)其應(yīng)用要求使用不同類(lèi)型的技術(shù)設(shè)計(jì)的。讓我們看看整個(gè)芯片設(shè)計(jì)過(guò)程的流程。

一、系統(tǒng)規(guī)范和架構(gòu)設(shè)計(jì)

芯片設(shè)計(jì)流程的第一步是定義芯片的要求和規(guī)格。這包括定義您的產(chǎn)品將做什么、如何使用以及您需要滿(mǎn)足哪些性能指標(biāo)。一旦定義了這些要求，就可以將它們用作設(shè)計(jì)架構(gòu)和布局的輸入。

確定要求后，芯片設(shè)計(jì)的下一步是創(chuàng)建滿(mǎn)足這些要求的架構(gòu)，同時(shí)將成本和功耗保持在最低水平，以及其他考慮因素。在芯片設(shè)計(jì)的初始階段，設(shè)計(jì)人員對(duì)架構(gòu)做出關(guān)鍵決策，例如在 RISC（精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)）或 CISC（復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)）之間進(jìn)行選擇，確定所需的 ALU（算術(shù)邏輯單元）數(shù)量，決定pipeline的結(jié)構(gòu)和數(shù)量、緩存大小的選擇以及其他因素。這些選擇構(gòu)成了其余設(shè)計(jì)過(guò)程的基礎(chǔ)，因此設(shè)計(jì)人員仔細(xì)評(píng)估每個(gè)方面并考慮它將如何影響芯片的整體效率和性能至關(guān)重要。這些決定是基于芯片的預(yù)期用途和定義的要求，最終目標(biāo)是創(chuàng)建高效且有效的設(shè)計(jì)，同時(shí)最大限度地降低功耗和成本。完成架構(gòu)設(shè)計(jì)階段后，設(shè)計(jì)人員創(chuàng)建微架構(gòu)規(guī)范 (MAS：Micro-Architectural Specification)，這是對(duì)芯片架構(gòu)的書(shū)面描述。該規(guī)范使設(shè)計(jì)人員能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)的性能、功耗和裸片尺寸。通過(guò)創(chuàng)建全面的 MAS，設(shè)計(jì)人員可以確保芯片滿(mǎn)足初始設(shè)計(jì)階段確定的要求和規(guī)范。全面的 MAS 對(duì)于避免后期過(guò)程中的錯(cuò)誤以及確保芯片設(shè)計(jì)滿(mǎn)足所需的性能標(biāo)準(zhǔn)和時(shí)間表至關(guān)重要。這可能涉及在不同的處理器類(lèi)型或 FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列）之間進(jìn)行選擇。

二、功能設(shè)計(jì)

接下來(lái)是功能設(shè)計(jì)。它涉及定義芯片的功能和行為。這包括創(chuàng)建系統(tǒng)需求的高級(jí)描述以及設(shè)計(jì)滿(mǎn)足這些需求所需的算法和數(shù)據(jù)流。這個(gè)階段的目標(biāo)是創(chuàng)建一個(gè)功能規(guī)范，可以用作其余設(shè)計(jì)過(guò)程的藍(lán)圖。

三、邏輯設(shè)計(jì)

此步驟涉及創(chuàng)建實(shí)現(xiàn)功能設(shè)計(jì)階段定義的功能所需的數(shù)字邏輯電路。此階段包括使用硬件描述語(yǔ)言 (HDL) 創(chuàng)建邏輯設(shè)計(jì)并使用仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。

四、電路設(shè)計(jì)

這個(gè)階段涉及設(shè)計(jì)芯片的物理電路，包括晶體管、電阻、電容和其他元件的選擇。電路設(shè)計(jì)階段還涉及為芯片設(shè)計(jì)電源和時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò)。

五、物理設(shè)計(jì)驗(yàn)證

物理設(shè)計(jì)驗(yàn)證是檢查芯片物理布局的過(guò)程。這涉及識(shí)別任何設(shè)計(jì)問(wèn)題并確保正確制造芯片。在此步驟中，通過(guò)邏輯仿真器、邏輯分析儀等 EDA 軟件工具以及設(shè)計(jì)規(guī)則檢查 (DRC)、布局與原理圖 (LVS) 以及時(shí)序和功耗分析等各種技術(shù)驗(yàn)證集成電路布局設(shè)計(jì)，以確保正確的電氣和邏輯功能以及可制造性。

六、驗(yàn)證和確認(rèn)

完成芯片設(shè)計(jì)后，就該對(duì)其進(jìn)行測(cè)試了。這稱(chēng)為驗(yàn)證和確認(rèn) (V&V)。V&V 涉及使用各種仿真和模擬平臺(tái)測(cè)試芯片，以確保其滿(mǎn)足所有要求并正常運(yùn)行。如果設(shè)計(jì)中有任何錯(cuò)誤，它會(huì)在這個(gè)開(kāi)發(fā)階段表現(xiàn)出來(lái)。驗(yàn)證還有助于確定少數(shù)最初制造的原型的功能正確性。

最后是物理版圖設(shè)計(jì)的制作。芯片設(shè)計(jì)和驗(yàn)證后，.GDS 文件被發(fā)送到代工廠進(jìn)行制造。

芯片設(shè)計(jì)流程的每個(gè)階段對(duì)于創(chuàng)建成功的功能性芯片都至關(guān)重要。通過(guò)了解每個(gè)階段的要求，芯片設(shè)計(jì)人員可以創(chuàng)建高效、可靠且具有成本效益的設(shè)計(jì)，以滿(mǎn)足各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域客戶(hù)的需求。

02

芯片設(shè)計(jì)的未來(lái)

隨著技術(shù)的進(jìn)步，芯片設(shè)計(jì)的未來(lái)是令人興奮和快速發(fā)展的。下一代芯片組通過(guò)提供更高的性能、更低的功耗和更多的功能來(lái)實(shí)現(xiàn)新時(shí)代的解決方案。這些進(jìn)步推動(dòng)了許多行業(yè)的創(chuàng)新。支持新時(shí)代解決方案的下一代芯片組的一個(gè)例子是人工智能 (AI) 和機(jī)器學(xué)習(xí) (ML)應(yīng)用程序。AI 和 ML 需要強(qiáng)大的計(jì)算能力，這可以通過(guò)先進(jìn)的芯片組實(shí)現(xiàn)。這些技術(shù)用于創(chuàng)建自動(dòng)駕駛汽車(chē)、個(gè)性化醫(yī)療保健解決方案和先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)等。

下一代芯片組產(chǎn)生重大影響的另一個(gè)領(lǐng)域是物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 領(lǐng)域。連接設(shè)備的激增需要功能強(qiáng)大、節(jié)能且具有成本效益的芯片組來(lái)實(shí)現(xiàn)跨各種設(shè)備的通信和數(shù)據(jù)處理。下一代芯片組也在推動(dòng) 5G 網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)步，5G 網(wǎng)絡(luò)有望提供高速、低延遲的連接，并在虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和遠(yuǎn)程手術(shù)等領(lǐng)域開(kāi)啟新的可能性。

芯片設(shè)計(jì)的未來(lái)一片光明，下一代芯片組將為許多行業(yè)提供更多創(chuàng)新解決方案。隨著技術(shù)的發(fā)展，我們可以期待芯片設(shè)計(jì)及其支持的解決方案出現(xiàn)更多激動(dòng)人心的發(fā)展。

綜上所述，芯片設(shè)計(jì)過(guò)程復(fù)雜，包含多個(gè)步驟和階段，對(duì)行業(yè)影響重大。目前，有多種類(lèi)型的芯片在使用。隨著新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，我們總會(huì)有機(jī)會(huì)改進(jìn)我們構(gòu)建這些芯片組的方式。