芯片設(shè)計(jì)有多難 芯片制造的難度在哪里

芯片作為現(xiàn)代電子產(chǎn)品的核心部件，一直充當(dāng)著“大腦”的位置，其技術(shù)含量和資金極度密集，生產(chǎn)線動輒數(shù)十億上百億美金。

芯片制造的完整過程包括：芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造、封裝、測試等幾個主要環(huán)節(jié)，其中每個環(huán)節(jié)都是技術(shù)和科技的體現(xiàn)。

對于芯片來說設(shè)計(jì)和工藝同樣復(fù)雜，八十年代EDA技術(shù)誕生——芯片自動化設(shè)計(jì)，使得芯片設(shè)計(jì)以及超大規(guī)模集成電路的難度大為降低，工程師只需將芯片的功能用芯片設(shè)計(jì)語言描述并輸入電腦，再由EDA工具軟件將語言編譯成邏輯電路，然后再進(jìn)行調(diào)試即可，正如編輯文檔需要微軟的office，圖片編輯需要photoshop一樣，芯片開發(fā)者利用EDA軟件平臺來進(jìn)行電路設(shè)計(jì)、性能分析到生成芯片電路版圖?，F(xiàn)在的一塊芯片有上百億個晶體管，不依靠EDA工具，高端芯片設(shè)計(jì)根本無從下手。你細(xì)品，這么浩瀚的工程怎么能靠手動完成呢？

重點(diǎn)是盡管有了EDA也并不代表芯片設(shè)計(jì)這件事很容易，芯片設(shè)計(jì)仍然是一個集高精尖于一體的復(fù)雜系統(tǒng)工程。

不管是IDM還是fabless，共同的特點(diǎn)是以芯片設(shè)計(jì)為產(chǎn)業(yè)的核心。舉個栗子，2018年AMD的處理器改由臺積電代工，制程為7nm，英特爾的處理器制程還是14nm，但性能照樣壓制了AMD，說明芯片設(shè)計(jì)也是非常關(guān)鍵的鴨。

設(shè)計(jì)一款芯片，開發(fā)者先要明確需求，確定芯片“規(guī)范”，定義諸如指令集、功能、輸入輸出管腳、性能與功耗等關(guān)鍵信息，將電路劃分成多個小模塊，清晰地描述出對每個模塊的要求。

然后由“前端”開發(fā)者根據(jù)每個模塊功能設(shè)計(jì)出“電路”，運(yùn)用計(jì)算機(jī)語言建立模型并驗(yàn)證其功能準(zhǔn)確無誤?！昂蠖恕遍_發(fā)者則要根據(jù)電路設(shè)計(jì)出“版圖”，將數(shù)以億計(jì)的電路按其連接關(guān)系，有規(guī)律地翻印到一個硅片上。

至此，芯片設(shè)計(jì)才算完成。如此復(fù)雜的設(shè)計(jì)，不能有任何缺陷，否則無法修補(bǔ)，必須從頭再來。如果重新設(shè)計(jì)加工，一般至少需要一年時間，再投入上千萬美元的經(jīng)費(fèi)，有時候甚至需要上億。

敲黑板，戴眼鏡，既然大家普遍對芯片制造的難度有一定的了解，那這篇文章希望可以讓大家對芯片設(shè)計(jì)的難度也有共同的認(rèn)知。

01第一關(guān)，難在架構(gòu)設(shè)計(jì)

芯片設(shè)計(jì)，環(huán)節(jié)眾多，每個環(huán)節(jié)都面臨很多挑戰(zhàn)。以相對較為簡單的數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)為例設(shè)計(jì)多采用自頂向下設(shè)計(jì)方式，層層分解后包括：

需求定義：結(jié)合外部環(huán)境分析、供應(yīng)鏈資源、公司自身定位等信息，提出對新一代產(chǎn)品的需求，并進(jìn)一步考慮產(chǎn)品作用、功能、所需線板數(shù)量、使用集成電路類型等，精準(zhǔn)定義產(chǎn)品需求。這一環(huán)節(jié)的難度在于對市場、技術(shù)的未來趨勢準(zhǔn)確判斷和對設(shè)計(jì)人員、制造工廠等自身和產(chǎn)業(yè)鏈情況、能力的充分了解。

功能實(shí)現(xiàn)：描述芯片需要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，通常用硬件描述語言編寫。這一環(huán)節(jié)的難度在于對芯片整體可以達(dá)到的性能、功能的把握，既要充分滿足目標(biāo)，又不能超過自身的能力上限。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：根據(jù)芯片的特點(diǎn)，將其劃分成接口清晰、相互關(guān)系明確、功能相對獨(dú)立的子模塊。這一環(huán)節(jié)難度在于對芯片結(jié)構(gòu)的熟悉，是否能用盡可能少的模塊和盡可能低的標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到要求。

邏輯綜合：開發(fā)者將硬件描述語言轉(zhuǎn)換成邏輯電路圖。這一環(huán)節(jié)難度在于需要保證代碼的可綜合、清晰簡潔、可讀性，有時還要考慮模塊的復(fù)用性。

物理實(shí)現(xiàn)：將邏輯電路轉(zhuǎn)換成為有物理連接的電路圖。這一環(huán)節(jié)難度在于如何根據(jù)制程，使用盡可能少的元件和連線完成從RTL描述到綜合庫單元之間的映射，得到一個在面積和時序上滿足需求的門級網(wǎng)表，并使內(nèi)部互不干擾。

物理版圖：以 GDSII 的文件格式交給晶圓廠，在硅片上做出實(shí)際的電路，再進(jìn)行封裝和測試，得到物理芯片。

必須說明的是，芯片設(shè)計(jì)時，需要考慮許多變量，例如信號干擾、發(fā)熱分布等，而芯片的物理特性，如磁場、信號干擾，在不同制程下有很大不同，沒有數(shù)學(xué)公式可以直接計(jì)算，也沒有可套用的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)直接填入，只能依靠EDA工具一步一步設(shè)計(jì)，一步步模擬，不斷取舍。每一次模擬之后，如果效果不理想，就要重新設(shè)計(jì)一次，對團(tuán)隊(duì)的智慧、精力、耐心都是極大考驗(yàn)。

02第二關(guān)，難在驗(yàn)證

芯片驗(yàn)證目標(biāo)是在芯片制造之前，通過檢查、仿真、原型平臺等手段反復(fù)迭代驗(yàn)證，提前發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)軟硬件功能錯誤、優(yōu)化性能和功耗，使設(shè)計(jì)精準(zhǔn)、可靠，且符合最初規(guī)劃的芯片規(guī)格。

它不是在設(shè)計(jì)完成后再進(jìn)行的工序，而是貫穿在設(shè)計(jì)的每一個環(huán)節(jié)中的重復(fù)性行為，可細(xì)分為系統(tǒng)級驗(yàn)證、硬件邏輯功能驗(yàn)證、混合信號驗(yàn)證、軟件功能驗(yàn)證、物理層驗(yàn)證、時序驗(yàn)證等。

驗(yàn)證很難，首先在驗(yàn)證只能證偽，需要反復(fù)考慮可能遇到的問題，以及使用形式化驗(yàn)證等手段來保證正確的概率，非?？简?yàn)設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和智慧。

其次在驗(yàn)證的方法必須盡可能高效。現(xiàn)在的芯片集成了微處理器、模擬IP核、數(shù)字IP核和存儲器(或片外存儲控制接口)，驗(yàn)證復(fù)雜度指數(shù)級增長。如何快速、準(zhǔn)確、完備、易調(diào)試地完成日益復(fù)雜的驗(yàn)證，進(jìn)入流片階段，是每個芯片設(shè)計(jì)人員最大的挑戰(zhàn)。

最后在驗(yàn)證工具本身。以常見的FPGA硬件仿真驗(yàn)證為例，90年代FPGA驗(yàn)證最多可支持200萬門，每門的費(fèi)用為1美元。如今單位價格雖然大幅下降，隨著芯片的復(fù)雜程度指數(shù)級增長，驗(yàn)證的門數(shù)也上升到以千萬和億為計(jì)算的規(guī)模，總體費(fèi)用更加驚人。

此外，F(xiàn)PGA本身也是芯片設(shè)計(jì)的一種?，F(xiàn)在大型設(shè)計(jì)（大于2千萬等效ASIC門）需要用多塊FPGA互聯(lián)進(jìn)行驗(yàn)證，F(xiàn)PGA的設(shè)計(jì)面對RTL邏輯的分割、多片F(xiàn)PGA之間的互聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、I/O分配、布局布線、可觀測性等現(xiàn)實(shí)要求，這就又給設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)增加了難度。

03第三關(guān)，難在流片

流片就是試生產(chǎn)，設(shè)計(jì)完后，由芯片代工廠小批量生產(chǎn)一些，供測試用。它看起來是芯片制造，但實(shí)際屬于芯片設(shè)計(jì)行業(yè)。

流片技術(shù)上不困難，因?yàn)樾酒O(shè)計(jì)基于現(xiàn)有工藝，除了少量需要芯片設(shè)計(jì)企業(yè)指導(dǎo)的生產(chǎn)之外，困難在于錢、錢、錢。

流片一次有多貴？先引用CMP（Circuits Multi-Projets,美國一家非營利性多項(xiàng)目晶圓服務(wù)組織）的公開報價吧。

按照這份報價，以業(yè)內(nèi)裸芯（die）面積最小的處理器高通驍龍855為例（尺寸為8.48毫米×8.64毫米，面積為73.27平方毫米），用28納米制程流片一次的標(biāo)準(zhǔn)價格為499,072.5歐元，也就是近400萬元人民幣！

然后，芯片設(shè)計(jì)企業(yè)可以拿到什么呢？25個裸芯，平均每個16萬元！

更重要的是，流片根本不是一次性的事??！

流片失敗，需要修改后再次流片；流片成功，可能需要繼續(xù)修改優(yōu)化，二次改進(jìn)后再次流片。

每一次都需要至少幾百萬元。

什么叫做氪金？這才叫做氪金??！

或許有知友會提出疑問，這是成本上的問題，為什么算在困難上呢？這當(dāng)然是困難了，世界上最大的困難不就是沒錢嗎？

之所以在會提到流片費(fèi)用，是因?yàn)樵S多人在談及芯片制造困難的時候都會指出，建立一條先進(jìn)制程芯片產(chǎn)線需要天量資金投入，但通過流片可以看出，其實(shí)芯片設(shè)計(jì)對資金的渴求也同樣驚人。

04第四關(guān)，越來越具有挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)需求

首先是隨著芯片使用場景延伸至AI、云計(jì)算、智能汽車、5G等領(lǐng)域，芯片的安全性、可靠性變得前所未有的重要，對芯片設(shè)計(jì)提出更高、更嚴(yán)格的要求。

其次是隨著AI、智能汽車等領(lǐng)域快速發(fā)展，帶來專用芯片和適應(yīng)行業(yè)需求的全新架構(gòu)需求，這一全新的課題給芯片設(shè)計(jì)帶來更多新的挑戰(zhàn)。

最后是隨著硅基芯片根據(jù)摩爾定律，在兩三年之后將達(dá)到1納米的工藝極限，繼續(xù)提升性能、降低功耗的重任更多落在芯片設(shè)計(jì)身上，給芯片設(shè)計(jì)更大的壓力。此外，制程工藝提升也迫切需要芯片設(shè)計(jì)的指導(dǎo)才能實(shí)現(xiàn)，也額外增加了壓力。

審核編輯：湯梓紅