科普：芯片設計流程

來源：內(nèi)容由半導體芯聞（ID:MooreNEWS）編譯自design-reuse，謝謝。

芯片設計過程是一項復雜的多步驟工作，涉及從初始系統(tǒng)規(guī)格到制造的各個階段。每一步對于實現(xiàn)生產(chǎn)完全可用芯片的目標都至關重要。本文概述了芯片設計流程、不同階段以及它們對創(chuàng)建有效芯片的貢獻。這些階段包括系統(tǒng)規(guī)范、架構設計、功能設計、邏輯設計、電路設計、物理設計驗證和制造。

任何新開發(fā)的第一步都涉及確定要設計的設備/產(chǎn)品的類型，例如集成電路 (IC)、ASIC、FPGA、SoC 等。例如，如果目標是為電信或網(wǎng)絡設備等高速應用創(chuàng)建體積小但功能強大的產(chǎn)品，那么最好的選擇可能是專用集成電路 (ASIC)。如果目標是設計更靈活的東西，能夠以最小的開銷執(zhí)行多項任務，那么 FPGA 可能是更好的選擇。一旦選擇了設備類型，就可以定義規(guī)格。

01

芯片設計理念

芯片是經(jīng)過編程以執(zhí)行特定功能的小型電子器件。這些器件用于各種應用，包括計算機和手機。VLSI 技術使設計人員能夠將數(shù)百萬甚至數(shù)十億個晶體管集成到單個芯片上，從而徹底改變了電子行業(yè)。這導致了功能強大的處理器、存儲設備和其他先進電子系統(tǒng)的發(fā)展。

芯片是根據(jù)其應用要求使用不同類型的技術設計的。讓我們看看整個芯片設計過程的流程。

一、系統(tǒng)規(guī)范和架構設計

芯片設計流程的第一步是定義芯片的要求和規(guī)格。這包括定義您的產(chǎn)品將做什么、如何使用以及您需要滿足哪些性能指標。一旦定義了這些要求，就可以將它們用作設計架構和布局的輸入。

確定要求后，芯片設計的下一步是創(chuàng)建滿足這些要求的架構，同時將成本和功耗保持在最低水平，以及其他考慮因素。在芯片設計的初始階段，設計人員對架構做出關鍵決策，例如在 RISC（精簡指令集計算機）或 CISC（復雜指令集計算機）之間進行選擇，確定所需的 ALU（算術邏輯單元）數(shù)量，決定pipeline的結構和數(shù)量、緩存大小的選擇以及其他因素。這些選擇構成了其余設計過程的基礎，因此設計人員仔細評估每個方面并考慮它將如何影響芯片的整體效率和性能至關重要。這些決定是基于芯片的預期用途和定義的要求，最終目標是創(chuàng)建高效且有效的設計，同時最大限度地降低功耗和成本。完成架構設計階段后，設計人員創(chuàng)建微架構規(guī)范 (MAS：Micro-Architectural Specification)，這是對芯片架構的書面描述。該規(guī)范使設計人員能夠準確預測設計的性能、功耗和裸片尺寸。通過創(chuàng)建全面的 MAS，設計人員可以確保芯片滿足初始設計階段確定的要求和規(guī)范。全面的 MAS 對于避免后期過程中的錯誤以及確保芯片設計滿足所需的性能標準和時間表至關重要。這可能涉及在不同的處理器類型或 FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）之間進行選擇。

二、功能設計

接下來是功能設計。它涉及定義芯片的功能和行為。這包括創(chuàng)建系統(tǒng)需求的高級描述以及設計滿足這些需求所需的算法和數(shù)據(jù)流。這個階段的目標是創(chuàng)建一個功能規(guī)范，可以用作其余設計過程的藍圖。

三、邏輯設計

此步驟涉及創(chuàng)建實現(xiàn)功能設計階段定義的功能所需的數(shù)字邏輯電路。此階段包括使用硬件描述語言 (HDL) 創(chuàng)建邏輯設計并使用仿真驗證設計的正確性。

四、電路設計

這個階段涉及設計芯片的物理電路，包括晶體管、電阻、電容和其他元件的選擇。電路設計階段還涉及為芯片設計電源和時鐘分配網(wǎng)絡。

五、物理設計驗證

物理設計驗證是檢查芯片物理布局的過程。這涉及識別任何設計問題并確保正確制造芯片。在此步驟中，通過邏輯仿真器、邏輯分析儀等 EDA 軟件工具以及設計規(guī)則檢查 (DRC)、布局與原理圖 (LVS) 以及時序和功耗分析等各種技術驗證集成電路布局設計，以確保正確的電氣和邏輯功能以及可制造性。

六、驗證和確認

完成芯片設計后，就該對其進行測試了。這稱為驗證和確認 (V&V)。V&V 涉及使用各種仿真和模擬平臺測試芯片，以確保其滿足所有要求并正常運行。如果設計中有任何錯誤，它會在這個開發(fā)階段表現(xiàn)出來。驗證還有助于確定少數(shù)最初制造的原型的功能正確性。

最后是物理版圖設計的制作。芯片設計和驗證后，.GDS 文件被發(fā)送到代工廠進行制造。

芯片設計流程的每個階段對于創(chuàng)建成功的功能性芯片都至關重要。通過了解每個階段的要求，芯片設計人員可以創(chuàng)建高效、可靠且具有成本效益的設計，以滿足各個工業(yè)領域客戶的需求。

02

芯片設計的未來

隨著技術的進步，芯片設計的未來是令人興奮和快速發(fā)展的。下一代芯片組通過提供更高的性能、更低的功耗和更多的功能來實現(xiàn)新時代的解決方案。這些進步推動了許多行業(yè)的創(chuàng)新。支持新時代解決方案的下一代芯片組的一個例子是人工智能 (AI) 和機器學習 (ML)應用程序。AI 和 ML 需要強大的計算能力，這可以通過先進的芯片組實現(xiàn)。這些技術用于創(chuàng)建自動駕駛汽車、個性化醫(yī)療保健解決方案和先進的機器人技術等。

下一代芯片組產(chǎn)生重大影響的另一個領域是物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 領域。連接設備的激增需要功能強大、節(jié)能且具有成本效益的芯片組來實現(xiàn)跨各種設備的通信和數(shù)據(jù)處理。下一代芯片組也在推動 5G 網(wǎng)絡的進步，5G 網(wǎng)絡有望提供高速、低延遲的連接，并在虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實和遠程手術等領域開啟新的可能性。

芯片設計的未來一片光明，下一代芯片組將為許多行業(yè)提供更多創(chuàng)新解決方案。隨著技術的發(fā)展，我們可以期待芯片設計及其支持的解決方案出現(xiàn)更多激動人心的發(fā)展。

綜上所述，芯片設計過程復雜，包含多個步驟和階段，對行業(yè)影響重大。目前，有多種類型的芯片在使用。隨著新技術的不斷涌現(xiàn)，我們總會有機會改進我們構建這些芯片組的方式。