设计一颗IC芯片时究竟有哪些步骤

昨天的文章中金誉半导体就提到了，芯片制作的第一个步骤就是制定芯片方案设计，只有把芯片的内部制造方案设计出来后，才能根据这个方案一步步完成。目前有很多专业的IC芯片方案设计公司，如Intel、联发科、高通等，金誉半导体也是拥有芯片方案设计团队的公司，可以根据不同要求制定，制定出满足期望功能的芯片。

IC芯片小小一个，设计起来非常考验工程师的技术，同时也考验着公司的生产实力。那工程师们在设计一颗 IC 芯片时，究竟有哪些步骤呢？设计流程可以简单分成如下。

首先，制定目标：在ic芯片方案设计设计中，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。这一步主要是为了确定芯片的使用目的和效能，在大方向做出设定， 避免再花后续修改等问题。

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 等规范，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

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 为范例。

上图中，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。制作时便由底层开始，逐层制作，最后便会产生期望的芯片了。

至此，大家对于芯片方案设计应该有初步的了解，整体看来就很清楚IC芯片方案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，让芯片的设计得以加速。芯片设计厂十分依赖工程师的智慧，这里所述的每个步骤都有其专门的知识，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，没有一定实力的厂商是无法完成这一系列动作的。

审核编辑：汤梓红