一文解說(shuō)：芯片設(shè)計(jì)到底難在哪里？

前言：

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(xiàn)動(dòng)輒數(shù)十億上百億美金。

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

單從芯片設(shè)計(jì)來(lái)講，自八十年代EDA（“電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化”）技術(shù)誕生以來(lái)，設(shè)計(jì)大規(guī)模集成電路的難度大大降低，設(shè)計(jì)工程師們只需要借助EDA軟件將語(yǔ)言編譯成邏輯電路，之后再進(jìn)行一段時(shí)間的調(diào)試就可以了。但重點(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(gè)集高精尖于一體的復(fù)雜系統(tǒng)工程。

敲黑板，戴眼鏡，既然大家普遍對(duì)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(duì)芯片設(shè)計(jì)的難度也有共同的認(rèn)知。

難點(diǎn)1一架構(gòu)

芯片設(shè)計(jì)有很多環(huán)節(jié)，每一個(gè)都不可或缺，且都有其各自的難點(diǎn)。如若需要評(píng)估整個(gè)設(shè)計(jì)流程的難度，還需要拆分開(kāi)來(lái)看，按照順序，想要完整設(shè)計(jì)出一個(gè)芯片的基本架構(gòu)，步驟通常有：

需求分析：

芯片應(yīng)用無(wú)處不在，市場(chǎng)需求各異。芯片設(shè)計(jì)首先要明確需求，包括市場(chǎng)趨勢(shì)、工廠(chǎng)能力、設(shè)計(jì)人員等。

前端設(shè)計(jì)：

芯片前端設(shè)計(jì)主要包括HDL編碼，仿真驗(yàn)證，STA,邏輯綜合，簡(jiǎn)而言之就是從輸入需求到輸出網(wǎng)表的過(guò)程。

以上及其他未被列出的前端設(shè)計(jì)步驟，均需要designer嚴(yán)謹(jǐn)、周密的思維方式；需要對(duì)芯片的性能性質(zhì)等有良好的把揮；需要超于常人的精力，絕非一日之功可以達(dá)成。

后端設(shè)計(jì)：

芯片后端設(shè)計(jì)主要包括DFT,布局規(guī)劃，布線(xiàn)，CTS,版圖物理驗(yàn)證，簡(jiǎn)而言之就是從輸入網(wǎng)表到輸出GDSI文件的過(guò)程。

必須說(shuō)明的是，芯片設(shè)計(jì)時(shí)，均需要考慮許多變量，例如信號(hào)干擾、發(fā)熱分布等，而芯片的物理特性，如磁場(chǎng)、信號(hào)干擾，在不同制程和不同環(huán)境下有很大不同，且無(wú)現(xiàn)成公式套用計(jì)算，只能依靠EDA工具不斷試錯(cuò)、模似和取舍。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(duì)團(tuán)隊(duì)的智慧、精力、耐心都是極大考驗(yàn)。

難點(diǎn)2一流片

在IC設(shè)計(jì)領(lǐng)域，流片即指試生產(chǎn)，就是說(shuō)設(shè)計(jì)完電路以后，先生產(chǎn)一部分以供試使用。雖然流片看起來(lái)是芯片制造的步躁，但實(shí)際屬于芯片設(shè)計(jì).

檢驗(yàn)流片在芯片設(shè)計(jì)到制誥的過(guò)程中，是一個(gè)不可或缺的步驟。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(qián)、錢(qián)、錢(qián)。在設(shè)計(jì)的時(shí)發(fā)現(xiàn)某個(gè)地方可以法行優(yōu)化，但又怕給芯片帶來(lái)不可預(yù)估的后果，若根據(jù)有錯(cuò)誤的設(shè)計(jì)方案若手制造，那么損失難以估量。

流片一次有多貴？先引用CMP（Circuits Multi-Projets,美國(guó)一家非營(yíng)利性多項(xiàng)目晶圓服務(wù)組織）的公開(kāi)報(bào)價(jià)吧。

按照這份報(bào)價(jià)，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(jià)格為499,072.5歐元，也就是近400萬(wàn)元人民幣！

然后，芯片設(shè)計(jì)企業(yè)可以拿到什么呢？25個(gè)裸芯，平均每個(gè)16萬(wàn)元！

更重要的是，流片根本不是一次性的事??！

芯片設(shè)計(jì)的完整性、正確性，需要流片來(lái)檢驗(yàn)。從電路圖到芯片，每個(gè)工藝步驟都要可行，電路都要符合性能和功能的要求。試過(guò)，就可以批量生產(chǎn)；訓(xùn)試失敗，就要回到設(shè)計(jì)階段，找出問(wèn)題并改進(jìn)。每一次都需要至少幾百萬(wàn)元。

難點(diǎn)3一驗(yàn)證

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(gè)環(huán)節(jié)中的重復(fù)性行為，可細(xì)分為系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證、硬件邏輯功能驗(yàn)證、混合信號(hào)驗(yàn)證、軟件功能驗(yàn)證、物理層驗(yàn)證、時(shí)序驗(yàn)證等。在驗(yàn)證過(guò)程中如若出現(xiàn)錯(cuò)誤，需要重復(fù)前面幾步、不斷運(yùn)代優(yōu)化才能解決，由此也夫定了這項(xiàng)工作的復(fù)雜性。

設(shè)計(jì)者需要反復(fù)考慮可能會(huì)違到的問(wèn)題，在保證正確率的情況下高效進(jìn)行，費(fèi)用高昂不說(shuō)，也非常考設(shè)計(jì)者的耐心決心與智慧。一方面要對(duì)相關(guān)協(xié)議算法有足移了解，根據(jù)架構(gòu)、算法工程師設(shè)定的目標(biāo)設(shè)計(jì)仿真向量；另一方面要對(duì)設(shè)計(jì)本身足多了解，以提高驗(yàn)證效率，縮短驗(yàn)證時(shí)間。

難點(diǎn)4-越來(lái)越具有挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)需求 首先是隨著芯片使用場(chǎng)景延伸至AI、云計(jì)算、智能汽車(chē)、5G等領(lǐng)域，芯片的安全性、可靠性變得前所未有的重要，對(duì)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(chē)等領(lǐng)域快速發(fā)展，帶來(lái)專(zhuān)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(lái)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 黃宇