1分鐘讀懂芯片設計 何為半導體？它可能是下一個房地產(chǎn) 比一比

最近在準備MBA，就經(jīng)常會聊到行業(yè)。一說我在做芯片，在半導體行業(yè)，其它行業(yè)的兄弟姐妹們都會覺得這個行業(yè)很高大上。但其實，半導體也是發(fā)展了好幾十年了，這個行業(yè)很類似于房地產(chǎn)。下面我就用房地產(chǎn)舉例子來和大家說說半導體。

那么，到底什么是芯片呢？就是縮微的小區(qū)樓盤。

第一步：前期規(guī)劃

在首先要做一顆芯片，需要公司做市場調(diào)研，確定市場的需求，比如最近比較火爆的人工智能芯片、5G芯片、物聯(lián)網(wǎng)芯片等，對大方向做設定。

接著是芯片規(guī)格的制定，這是最重要的步驟，包括芯片需要達到的具體功能和性能方面的要求。它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(guī)需要遵守。

在確定好功能和性能之后，接著是察看有哪些協(xié)定要符合，才能確保設計出來的芯片不會有任何差錯。像無線網(wǎng)卡的芯片就需要符合IEEE 802.11等規(guī)范，不然，設計出來的芯片將無法和市面上的產(chǎn)品相容。

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，并確立不同單元間連結的方法，規(guī)格的制定就完成了。

第二步：設計并畫圖紙

根據(jù)客戶提出的規(guī)格要求，制定設計解決方案和具體實現(xiàn)架構，劃分模塊功能，然后就是設計芯片的細節(jié)了。這個步驟就像初步記下建筑的規(guī)畫，將整體輪廓描繪出來，方便后續(xù)制圖。在IC芯片中，使用硬件描述語言（VHDL，Verilog HDL，業(yè)界公司一般都是使用后者）將模塊功能以代碼來描述實現(xiàn)，也就是將實際的硬件電路功能通過HDL語言描述出來，形成RTL（寄存器傳輸級）代碼。

接著就是仿真驗證，它是檢驗編碼設計的正確性，看設計是否精確地滿足了規(guī)格中的所有要求。規(guī)格是設計正確與否的黃金標準，一切違反，不符合規(guī)格要求的，就需要重新修改設計和編碼。設計和仿真驗證是反復迭代的過程，直到驗證結果顯示完全符合規(guī)格標準。

仿真驗證通過，進行邏輯綜合

有了完整規(guī)劃后，接下來便是畫出平面的設計藍圖。在IC設計中，邏輯綜合是將電路的行為級描述，特別是RTL級描述轉(zhuǎn)化成為門級表達的過程，也就是將代碼翻譯成各種實際的元器件。綜合需要設定約束條件，就是你希望綜合出來的電路在面積，時序等目標參數(shù)上達到的標準。邏輯綜合需要基于特定的綜合庫，不同的庫中，門電路基本標準單元（standard cell）的面積，時序參數(shù)是不一樣的。所以，選用的綜合庫不一樣，綜合出來的電路在時序，面積上是有差異的。一般來說，綜合完成后需要再次做仿真驗證。

接著就是靜態(tài)時序分析，也就是套用特定的時序模型，針對特定電路分析其是否違反設計者給定的時序限制。然后是形式驗證，這也是驗證范疇，它是從功能上（STA是時序上）對綜合后的網(wǎng)表進行驗證。

從設計程度上來講，前面操作的結果就是得到了芯片的門級網(wǎng)表電路。

然后是DFT（可測性設計）?單元布局（(FloorPlan） ?時鐘樹綜合（CTS） ?布線(Place & Route) ? 版圖物理驗證

DFT（可測性設計）。芯片內(nèi)部往往都自帶測試電路，DFT的目的就是在設計的時候就考慮將來的測試，目的是在設計的時候就考慮將來的測試。

時鐘樹綜合（CTS）：簡單點說就是時鐘的布線。由于時鐘信號在數(shù)字芯片的全局指揮作用，它的分布應該是對稱式的連到各個寄存器單元，從而使時鐘從同一個時鐘源到達各個寄存器時，時鐘延遲差異最小。這也是為什么時鐘信號需要單獨布線的原因。

布線(Place & Route)：包括各種標準單元（基本邏輯門電路）之間的走線。

版圖物理驗證：對完成布線的物理版圖進行功能和時序上的驗證。

整個IC設計流程都是一個迭代的過程，每一步如果不能滿足要求，都要重復之前的過程，直至滿足要求為止，才能進行下一步。

物理版圖驗證完成也就是整個芯片設計階段完成，下面的就是芯片制造了。

第三步，打地基，選材料

晶圓（wafer），是制造各式電腦芯片的基礎。我們可以將芯片制造比擬成用樂高積木蓋房子，經(jīng)過一層又一層的堆疊，完成自己期望的造型（也就是各式芯片）。然而，如果沒有良好的地基，蓋出來的房子就會歪來歪去，不合自己所意，為了做出完美的房子，便需要一個平穩(wěn)的基板。對芯片制造來說，這個基板就是接下來將描述的晶圓。

晶圓的概念

晶圓是指硅半導體集成電路制作所用的硅晶片，由于其形狀為圓形，故稱為晶圓；在硅晶片上可加工制作成各種電路元件結構，而成為有特定電性功能的IC產(chǎn)品。

首先，先回想一下小時候在玩樂高積木時，積木的表面都會有一個一個小小圓型的凸出物，經(jīng)過這個構造，我們可將兩塊積木穩(wěn)固的疊在一起，且不需使用膠水。芯片制造，也是以類似這樣的方式，將后續(xù)添加的原子和基板固定在一起。因此，我們需要尋找表面整齊的基板，以滿足后續(xù)制造所需的條件。

在固體材料中，有一種特殊的晶體結構──單晶（Monocrystalline）。它具有原子一個接著一個緊密排列在一起的特性，可以形成一個平整的原子表層。因此，采用單晶做成晶圓，便可以滿足以上的需求。

一整條的硅柱并無法做成芯片制造的基板，為了產(chǎn)生一片一片的硅晶圓，接著需要以鉆石刀將硅晶柱橫向切成圓片，圓片再經(jīng)由拋光便可形成芯片制造所需的硅晶圓。經(jīng)過這么多步驟，芯片基板的制造便大功告成，下一步便是堆疊房子的步驟，也就是芯片制造。

IC，全名積體電路（Integrated Circuit），由它的命名可知它是將設計好的電路，以堆疊的方式組合起來。使用這個方法，我們可以減少連接電路時所需耗費的面積。下圖為 IC電路的3D圖，從圖中可以看出它的結構就像房子的樑和柱，一層一層堆疊，這也就是為何會將IC制造比擬成蓋房子。

▲ IC芯片的3D剖面圖。（Source：Wikipedia）

第四步：裝修——芯片叫封裝測試

什么是封裝？

是指安裝半導體集成電路芯片用的外殼，起著安放、固定、密封、保護芯片和增強電熱性能的作用，是溝通芯片內(nèi)部世界與外部電路的橋梁（芯片上的接點用導線連接到封裝外殼的引腳上，這些引腳又通過印制板上的導線與其它器件建立連接）。

芯片封裝的作用主要有四個方面：固定引腳系統(tǒng)、物理性保護、環(huán)境性保護和增強散熱。

按照包裝材料，封裝可以分為：金屬封裝、陶瓷封裝和塑料封裝。

按照封裝外形可分類為：SOT、QFN、SOIC、TSSOP、QFP、BGA、CSP，這個是按照封裝形式和工藝越來越高級和復雜來排序。

完成封裝后，便要進入測試的階段。

芯片測試的過程是將封裝后的芯片置于各種環(huán)境下測試其電氣特性，如消耗功率、運行速度、耐壓度等。經(jīng)測試后的芯片，依其電氣特性劃分為不同等級。而特殊測試則是根據(jù)客戶特殊需求的技術參數(shù)，從相近參數(shù)規(guī)格、品種中拿出部分芯片，做有針對性的專門測試，看是否能滿足客戶的特殊需求，以決定是否須為客戶設計專用芯片，正確無誤之后便可出貨給組裝廠，做成我們所見的電子產(chǎn)品。至此，半導體產(chǎn)業(yè)便完成了整個生產(chǎn)的任務。

第五步：對外銷售

房地產(chǎn)大家遇到的套路很多，芯片的叫做推廣，英文是“Promote"。一般房子銷售都是各種推介會，各種小廣告，芯片銷售跟這個有點類似，但也不一樣。比如都要打廣告、舉辦各種線下會議，讓人家知道你。還有，就是房子銷售要定制化需求，通過裝修滿足你的定制化需求，而芯片則是通過方案商完成差異化定制化。

第六步：售后

房子售后就是物業(yè)管理，如果房子有點小問題，物業(yè)要及時解決，讓業(yè)主住的舒心。如果地產(chǎn)商口碑好，則以后的房子大家都愿意買。芯片售后也是一樣的道理，要客戶用的安心，如果有小問題要及時解決，這樣客戶就會一直使用你的產(chǎn)品。如果口碑好，更多人就愿意用你的芯片。

通過以上的解釋，希望大家對半導體、對芯片有一個更為鮮活的了解。小編不易，歡迎贊賞！