芯片设计到底难在哪里？

来源：密科圈城MechTown

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众所周知，芯片一直是手机等电子产品的核心部件，需要极其密集的资金支持和技术含量。芯片之于手机，犹如大脑之于人，这样说来似乎更加容易理解。

一枚芯片从设计到投入使用需要经历芯片设计、晶圆制造、封装、测试等几个主要环节，每个环节“各司其职”，都有其难点和不可替代的一面，且都是科技和人类智慧结晶的体现。

单从芯片设计来讲，自八十年代EDA（Electronic design automation —— “电子设计自动化”）技术诞生以来，设计大规模集成电路的难度大大降低，设计工程师们只需要借助EDA软件将语言编译成逻辑电路，之后再进行一段时间的调试就可以了。

但尽管如此，有EDA如此强大的支持，芯片设计依旧不是一件容易的事情，不存在芯片设计比芯片制造简单一说。

芯片设计流程

芯片设计，是一种复杂、高端、且浩瀚无比的技术工程。小编详细罗列了芯片设计各个步骤的难点，以及designer为芯片设计所经历的艰辛，以飨读者。

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难点1——架构

芯片设计有很多环节，每一个都不可或缺，且都有其各自的难点。如若需要评估整个设计流程的难度，还需要拆分开来看，按照顺序，想要完整设计出一个芯片的基本架构，步骤通常有：

需求分析：

无需多说，芯片应用对老百姓的生活可谓是无孔不入，而从一张简单的IC卡，到售价几千元的手机，不同的市场有不同的需求。因此，明确需求是芯片设计的第一步。其中包括对未来市场趋势的准确判断、自身工厂能力的评估、设计人员数量及能量的精准衡量。

前端设计：芯片前端设计主要包括HDL编码，仿真验证，STA，逻辑综合，简而言之就是从输入需求到输出网表的过程。例如在HDL编码过程中，designer必须充分满足芯片可以达到的目标，且不能超出临界值。在静态时序分析（STA中），designer不仅需要确定芯片最高工作频率，还要检查时序约束是否满足，如若不满足，要给出具体原因，进一步修改程序直至满足要求。在逻辑综合（ASIC综合）中，designer需要设定详细的目标参数和约束条件，才能将设计实现的RTL代码翻译成门级网表，交给后端工作人员。以上及其他未被列出的前端设计步骤，均需要designer严谨、周密的思维方式；需要对芯片的性能、性质等有良好的把握；需要超于常人的精力，绝非一日之功可以达成。后端设计：

芯片后端设计主要包括DFT，布局规划，布线，CTS，版图物理验证，简而言之就是从输入网表到输出GDSII文件的过程。

例如DFT（Design For Test），可测性设计，在设计中插入扫描链，将非扫描单元(如寄存器)变为扫描单元，由于芯片内部往往都自带测试电路，designer需要在设计的时候就考虑将来的测试。

布局规划(FloorPlan)，这一环节难度在于对芯片结构的熟悉，designer是否能用尽可能少的模块和尽可能低的标准达到要求。

物理版图验证，对完成布线的物理版图进行功能和时序上的验证，验证项目繁琐且复杂，如LVS(Layout Vs Schematic)、DRC(Design Rule Checking)等。

以上及其他未被列出的后端设计步骤，均需要考虑许多变量，例如信号干扰、发热分布等。

而芯片的物理特性在不同制程和不同环境下都有很大不同，且无现成公式套用计算，只能依靠EDA工具不断试错、模拟和取舍。稍有不慎，就有重蹈覆辙的危险。由此，芯片设计的难度可窥得一斑。

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难点2——流片

在IC设计领域，流片即指试生产，就是说设计完电路以后，先生产一部分以供测试使用。虽然流片看起来是芯片制造的步骤，但实际属于芯片设计。

检验流片在芯片设计到制造的过程中，是一个不可或缺的步骤。假如designer在设计的时发现某个地方可以进行优化，但又怕给芯片带来不可预估的后果，若根据有错误的设计方案着手制造，那么损失难以估量。

所以为了检验芯片设计的完整性、正确性，必须进行流片，从一个电路图到一块芯片，检验每一个工艺步骤是否可行，检验电路是否具备我们所要的性能和功能。测试通过，则大规模生产；测试失败，可能需要重复之前的设计步骤进行优化，查缺补漏。

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难点3——验证

验证是在芯片设计每一个环节中的重复性行为，可细分为系统级验证、硬件逻辑功能验证、物理层验证、时序验证等。在验证过程中如若出现错误，需要重复前面几步、不断迭代优化才能解决，由此也决定了这项工作的复杂性。

designer需要反复考虑可能会遇到的问题，在保证正确率的情况下高效进行，费用高昂不说，也非常考验designer的耐心、决心与智慧。一方面要对相关协议算法有足够了解，根据架构、算法工程师设定的目标设计仿真向量；另一方面要对设计本身足够了解，以提高验证效率，缩短验证时间。

远眺未来，芯片的使用场景会愈发丰富，例如5G、智能汽车、云计算等领域，所需求芯片的质量会有更高的要求；摩尔定律接近极限，芯片性能提升的重担也落在了designer身上。以上因素势必会给designer带来更大的压力，给芯片设计带来更多新的挑战。