半導體科普：IC 功能的關鍵，復雜繁瑣的芯片設計流程

　　在前面已經介紹過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，再層層往上疊的芯片制造流程后，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?本文接下來要針對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。

　　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定要符合，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相容，使它無法和其他設備連線。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，藉由程序碼便可輕易地將一顆IC 地功能表達出來。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。

　　▲ 32 bits 加法器的 Verilog 范例。有了電腦，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)，讓電腦將 HDL code 轉換成邏輯電路，產生如下的電路圖。之后，反覆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。

　　▲控制單元合成后的結果。

　　最后，將合成完的程序碼再放入另一套 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?

　　▲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，疊起一顆芯片

　　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元件 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元件比較難說明，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。

　　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，也多虧了電腦輔助軟件的成熟，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、如何將所需的演算法轉換成程序、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使用者所熟知的外觀，也就是“封裝”。在下一篇中，將介紹IC 封裝是什么以及幾個重要的技術。