IC功能的關鍵 復雜繁瑣的芯片設計流程

芯片制造的過程就如同用樂高蓋房子一樣，先有晶圓作為地基，再層層往上迭的芯片制造流程后，就可產出必要的IC芯片。然而，沒有設計圖，擁有再強制造能力都沒有用，因此，建筑師的角色相當重要。但是IC設計中的建筑師究竟是誰呢?接下來要針對IC設計做介紹。

在IC生產流程中，IC多由專業IC設計公司進行規劃、設計，像是聯發科、高通、Intel等知名大廠，都自行設計各自的IC芯片，提供不同規格、效能的芯片給下游廠商選擇。因為IC是由各廠自行設計，所以IC設計十分仰賴工程師的技術，工程師的素質影響著一間企業的價值。然而，工程師們在設計一顆IC芯片時，究竟有那些步驟?設計流程可以簡單分成如下。

圖1 設計流程

設計第一步，訂定目標

在IC設計中，最重要的步驟就是規格制定。這個步驟就像是在設計建筑前，先決定要幾間房間、浴室，有什么建筑法規需要遵守，在確定好所有的功能之后在進行設計，這樣才不用再花額外的時間進行后續修改。IC設計也需要經過類似的步驟，才能確保設計出來的芯片不會有任何差錯。

規格制定的第一步便是確定IC的目的、效能為何，對大方向做設定。接著是察看有哪些協議要符合，像無線網卡的芯片就需要符合IEEE 802.11等規范，不然，這芯片將無法和市面上的產品兼容，使它無法和其他設備聯機。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，并確立不同單元間鏈接的方法，如此便完成規格的制定。

設計完規格后，接著就是設計芯片的細節了。這個步驟就像初步記下建筑的規畫，將整體輪廓描繪出來，方便后續制圖。在IC芯片中，便是使用硬件描述語言(HDL)將電路描寫出來。常使用的HDL有Verilog、VHDL等，藉由程序代碼便可輕易地將一顆IC地菜單達出來。接著就是檢查程序功能的正確性并持續修改，直到它滿足期望的功能為止。

圖2 32 bits加法器的Verilog范例

有了計算機，事情都變得容易

有了完整規畫后，接下來便是畫出平面的設計藍圖。在IC設計中，邏輯合成這個步驟便是將確定無誤的HDL code，放入電子設計自動化工具(EDA tool)，讓計算機將HDLcode轉換成邏輯電路，產生如下的電路圖。之后，反復的確定此邏輯閘設計圖是否符合規格并修改，直到功能正確為止。

圖3 控制單元合成后的結果

最后，將合成完的程序代碼再放入另一套EDA tool，進行電路布局與繞線(Place And Route)。在經過不斷的檢測后，便會形成如下的電路圖。圖中可以看到藍、紅、綠、黃等不同顏色，每種不同的顏色就代表著一張光罩。至于光罩究竟要如何運用呢?

圖4 常用的演算芯片-FFT芯片，完成電路布局與繞線的結果

層層光罩，迭起一顆芯片

首先，目前已經知道一顆IC會產生多張的光罩，這些光罩有上下層的分別，每層有各自的任務。下圖為簡單的光罩例子，以集成電路中最基本的組件CMOS為范例，CMOS全名為互補式金屬氧化物半導體(Complementary metal–oxide–semiconductor)，也就是將NMOS和PMOS兩者做結合，形成CMOS。至于什么是金屬氧化物半導體(MOS)?這種在芯片中廣泛使用的組件比較難說明，一般讀者也較難弄清，在這里就不多加細究。

下圖中，左邊就是經過電路布局與繞線后形成的電路圖，在前面已經知道每種顏色便代表一張光罩。右邊則是將每張光罩攤開的樣子。制作是，便由底層開始，依循上一篇IC芯片的制造中所提的方法，逐層制作，最后便會產生期望的芯片了。

圖5 電路圖

至此，對于IC設計應該有初步的了解，整體看來就很清楚IC設計是一門非常復雜的專業，也多虧了計算機輔助軟件的成熟，讓IC設計得以加速。IC設計廠十分依賴工程師的智能，這里所述的每個步驟都有其專門的知識，皆可獨立成多門專業的課程，像是撰寫硬件描述語言就不單純的只需要熟悉程序語言，還需要了解邏輯電路是如何運作、如何將所需的算法轉換成程序、合成軟件是如何將程序轉換成邏輯閘等問題。

在了解IC設計師如同建筑師，晶圓代工廠是建筑營造廠之后，接下來該了解最終如何把芯片包裝成一般用戶所熟知的外觀，也就是“封裝”。下面將介紹IC封裝是什么以及幾個重要的技術。