揭秘！芯片设计及制造全过程

驾车时，车辆可以自动感知周围环境动态信息，自动避障;外出旅游，随身携带的智能相机就能轻松拍出超高清画面，即时分享;回到家中，灯光自动开启、机器人已经家中打扫干净……芯片的出现，无疑让生活步入了更加智慧的模式。芯片究竟是什么?为什么会成为人类不可或缺的核心科技?一个小小的硅片，承载着几千万甚至数百亿的晶体管，它是如何被设计和制造出来的?这条短视频，帮你快速了解芯片设计、制造全过程。一颗芯片的诞生，可以分为芯片设计与芯片制造两个环节。芯片设计： 规划“芯”天地芯片设计阶段会明确芯片的用途、规格和性能表现，芯片设计可分为规格定义、系统级设计、前端设计和后端设计4大过程。

1. 规格定义，工程师在芯片设计之初，会做好芯片的需求分析、完成产品规格定义，以确定设计的整体方向。例如：成本控制在什么水平，需要多少TOPS的AI算力，是否功耗敏感，支持哪些联接方式，系统需要遵循的安全等级等。

2. 系统设计， 基于前期的规格定义，明确芯片架构、业务模块、供电等系统级设计，例如CPU、GPU、NPU、RAM、联接、接口等。芯片设计需要综合考量芯片的系统交互、功能、成本、功耗、性能、安全及可维可测等综合要素。

3. 前端设计，前端设计时，设计人员根据系统设计确定的方案，针对各模块开展具体的电路设计，使用专门的硬件描述语言(Verilog或VHDL)，对具体的电路实现进行RTL(Register Transfer Level)级别的代码描述。代码生成后，就需要严格按照已制定的规格标准，通过仿真验证来反复检验代码设计的正确性。之后，用逻辑综合工具，把用硬件描述语言写成的RTL级的代码转成门级网表(NetList)，以确保电路在面积、时序等目标参数上达到标准。逻辑综合完成后需要进行静态时序分析，套用特定的时序模型，针对特定电路分析其是否违反设计者给定的时序限制。整个设计流程是一个迭代的流程，任何一步不能满足要求都需要重复之前的步骤，甚至重新设计RTL代码。

4. 后端设计，后端设计是先基于网表，在给定大小的硅片面积内，对电路进行布局(Floor Plan)和绕线(Place and Route)，再对布线的物理版图进行功能和时序上的各种验证(Design Rule Check、Layout Versus Schematic等)，后端设计也是一个迭代的流程，验证不满足要求则需要重复之前的步骤，最终生成用于芯片生产的GDS(Geometry Data Standard)版图。

芯片制造：点“沙”成金芯片制造环节中，芯片是如何被“点沙成金”的呢?看似无关且不起眼的沙子，富含二氧化硅，而二氧化硅通过高温加热、纯化、过滤等工艺，可从中提取出硅单质，然后经特殊工艺铸造变成纯度极高的块状单晶硅，称作单晶硅棒(Crystal Ingot)。单晶硅棒根据用途被切割成0.5mm-1.5mm厚度的薄片，即成为芯片的基本原料，硅晶圆片，这便是“晶圆(Wafer)”。晶圆(Wafer)经过抛光处理及一系列严格筛查后，投入第一阶段的生产工艺，即前段生产(Front End Of Line)。这一阶段主要完成集成晶体管的制造，包括光刻、薄膜、刻蚀、清洗、注入等几大模块的工艺。

第一阶段前段生产(FEOL)完成后，接着开始后段生产(BEOL)，BEOL由沉积无掺杂的氧化硅(也就是硅玻璃)开始，通孔由金属钨填充，然后制作晶体管间的电连线，最终得到满足芯片要求的晶圆。获得晶圆后，用圆锯切割芯片，嵌入封装中。芯片使用引线与封装的引脚结合，封装盖子保护芯片不受外界灰尘污染。一颗融合人类智慧结晶的芯片就诞生了!

本文展示的芯片设计及芯片制造流程已经大幅简化，微处理器的生产实际上包含着数千道工艺过程，持续时间长达数周。从个人通信到家庭生活，从交通出行到城市管理等每个人生活的方方面面，都离不开芯片，它是现代社会真正凭借“小身材”而拥有“大智慧”的硬核存在。