IC芯片的设计

IC芯片的设计

芯片由集成电路经过设计、制造、封装等一系列操作后形成，一般来说，集成电路更着重电路的设计和布局布线，而芯片更看重电路的集成、生产和封装这三大环节。但在日常生活中，“集成电路”和“芯片”两者常被当作同一概念使用。

芯片制造的过程就如同用乐高盖房子一样，先有晶圆作为地基，再层层往上叠的芯片制造流程后，就可产出必要的IC芯片（这些会在后面介绍）。然而，没有设计图，拥有再强制造能力都没有用，因此，建筑师的角色相当重要。但是IC设计中的建筑师究竟是谁呢？本文接下来要针对IC设计做介绍。

在IC芯片生产流程中，IC芯片多由专业IC设计公司进行规划、设计，像是联发科、高通、Intel等知名大厂，都自行设计各自的IC芯片，提供不同规格、效能的芯片给下游厂商选择。因为IC芯片是由各厂自行设计，所以IC设计十分仰赖工程师的技术，工程师的素质影响着 一间企业的价值。

那么，工程师们在设计一颗IC芯片时，究竟有那些步骤？设计流程可以简单分成如下。

设计第一步，订定目标

在IC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再进行设计，这样才不用花额外的时间进行后续修改。IC设计也需要经过类似的步骤，才能确保设计出来的芯片不会有任何差错。

规格制定的第一步便是确定IC芯片的目的、效能为何，对大方向做出设定。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兼容，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，并确立不同单元之间连结的方法，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划，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芯片的功能表达出来。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。

完整规划后，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，反覆的确定此逻辑设计图是否符合规格并修改，直到功能正确为止。

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？

首先，目前已经知道一颗IC芯片会产生多张光罩，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，至于什么是金属氧化物半导体（MOS）？这种在芯片中广泛使用的元件比较难说明，一般读者也较难弄清，在这里就不多细究。

CMOS全名为互补式金属氧化物半导体（Complementary metal–oxide–semiconductor），将NMOS和PMOS两者做结合，形成CMOS。

下图中，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，依循上一篇IC芯片的制造中所提的方法，逐层制作，最后便会产生期望的芯片了。

    至此，大家对于IC设计应该有初步的了解，整体看来就很清楚IC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IC设计得以加速。IC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，皆可独立成多门专业的课程，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。

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