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[导读]芯片是今天中国最热门的话题,随着国际环境的变化,芯片设计和自主创新的重要意义越来越凸显。在数字化、互联网和移动互联网的时代,主要的计算任务运行在CPU处理器上;而大数据、人工智能、5G时代,主要的计算任务运行在GPU、DSP、人工智能专用处理器以及形式多样的专用硬件加速器上。多种计算单元的混合、搭配、集成统称为异构计算。异构计算的发展由来已久,但新一代异构计算已经成为处理器芯片设计创新的主要热点之一,其特点是不同计算单元的软、硬件要素相互协同,形成一个统一的、高效的、简化的异构计算芯片设计和应用开发的平台。

芯片是今天中国最热门的话题,随着国际环境的变化,芯片设计和自主创新的重要意义越来越凸显。在数字化、互联网和移动互联网的时代,主要的计算任务运行在CPU处理器上;而大数据、人工智能、5G时代,主要的计算任务运行在GPU、DSP、人工智能专用处理器以及形式多样的专用硬件加速器上。多种计算单元的混合、搭配、集成统称为异构计算。异构计算的发展由来已久,但新一代异构计算已经成为处理器芯片设计创新的主要热点之一,其特点是不同计算单元的软、硬件要素相互协同,形成一个统一的、高效的、简化的异构计算芯片设计和应用开发的平台。

芯片半导体元件产品的统称,集成电路 IC;或称微电路、微芯片、晶片/芯片在电子学中是一种把电路(主要包括半导体设备,也包括被动组件等)小型化的方式,并时常制造在半导体晶圆表面上。芯片制作完整过程包括芯片设计、晶片制作、封装制作、测试等几个环节,其中晶片制作过程尤为的复杂。

高大上的芯片设计流程

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一颗芯片的诞生,可以分为设计与制造两个环节。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,就可产出想要的IC 芯片,然而,没有设计图,拥有再强大的制造能力也无济于事。

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,定目标

在 IC 设计中,最重要的步骤就是规格制定

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。

设计完规格后,接着就是设计芯片的细节了。

有了完整规画后,接下来便是画出平面的设计蓝图。

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?

层层光罩,叠起一颗芯片。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。

芯片的正向设计

在工程技术人员的脑海中,产品的设计过程都是从无到有,即在工程技术员的脑海中构思产品的外形,技术参数,性能等,然后通过绘制图建立产品的三维数字化模型,最终将这个模型转入到制造流程中,这就是芯片的正向设计。

芯片的正向设计流程

一、总体规划

随着集成电路设计规模的不断扩大,出现了很多成熟的常用设计模块,也被成为IP核,现在芯片正向设计,不再是完全从0开始,都是基于某些成熟的IP核,并在此基础之上进行芯片功能的添加。芯片正向设计依然是从市场未来需求着手,从开发成本和预期收益来衡量是否进行芯片的开发的。明确市场未来需求之后,就将这些需求转化为芯片的各项重要参数指标,然后进行任务划分,模拟设计师负责模拟,数字设计师负责数字。个人对于模拟部分不太熟,所以就略过。重点总结数字设计部分,当然这部分也不是很熟,因为没有真正做过。

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二、架构/算法

现在数字电路在芯片中占有极大的比重,数字逻辑也变得越来越复杂,所以必须从架构和算法上进行考虑。个人所略知的关于芯片架构的是,架构可以分为三种大的方向:

1,数据流;

2,控制流,

3,总线流。

算法都是以数据处理为主要目的的,所以这些算法都要求有较强的数学功底。做算法开发,主要工具为MATLAB,都是先在MATLAB上做原型开发验证,再转化为RTL级的代码。结合架构和算法,将芯片的总体结构搭建出来,为后续的工作做好了准备。

三、RTL代码

当算法工程师把芯片架构设计好,各种算法在MATLAB上通过了验证,以及其他必要条件的考量之后,便将工作交接给ASIC工程师去做RTL代码的翻译工作,就是将MATLAB上的算法翻译成RTL。

四、仿真验证

这一步的工作比较关键,可以说是设计部分的第一个分水岭。仿真验证,视不同的公司,不同的项目,复杂度有非常大的不同。

五、工艺选择

正向设计在一开始的整体规划中就要考虑工艺的问题,这涉及到有关工艺的相关知识,有些工艺就是特别为某种类型的芯片而开发的。

六、综合、时序&功耗分析

这一步是在RTL仿真验证完之后进行,当然还有一个前提,制造工艺必须选定,否则,如果中途换了工艺,这部分的工作还得重新来做,这样将会消耗特别多的时间。

七、 形式验证

综合出来的网表正确与否如何判定呢?这需要用到形式验证技术,该技术与RTL的仿真不同,它是从数理逻辑出发,来对比两个网表在逻辑上的等效性。如果等效,则综合的网表就是符合要求的。

八、自动布局布线

这个步骤严重依赖于软件和经验,目前常用的软件为Cadence Encounter不同版本的自动布局布线软件名字可能不一样。

传统以来,工业产品的开发均是循著序列严谨的研发流程,从功能与规格的预期指标确定开始,构思产品的零组件需求,再由各个元件的设计、制造以及检验零组件组装、检验整机组装、性能测试等程序来完成,此为芯片正向设计的由来。

 

当把一颗芯片设计出来之后,接下来便是芯片制造了。设计和工艺都是芯片制造的两大难点,两者一定程度上相辅相成。在这里我们就不详细介绍芯片制造的过程了。

过去三十年,人类经历了数字化、互联网和移动互联网等信息技术变革,背后关键的推手,就是以处理器为代表的计算技术的飞速进步。因此,即使是在芯片产业全球化的背景下,也需认识到,国产处理器的创新能力代表了一个国家对新一代信息技术的掌控能力。当大数据、人工智能、5G浪潮席卷而来,新一轮计算革命已然到来,全球处理器行业正面临全新的挑战。

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