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揭秘!芯片设计及制造全过程

2021-04-07 09:53:58 浏览 2624 点赞 96 收藏 7

驾车时,车辆可以自动感知周围环境动态信息,自动避障;外出旅游,随身携带的智能相机就能轻松拍出超高清画面,即时分享;回到家中,灯光自动开启、机器人已经家中打扫干净……芯片的出现,无疑让生活步入了更加智慧的模式。芯片究竟是什么?为什么会成为人类不可或缺的核心科技?一个小小的硅片,承载着几千万甚至数百亿的晶体管,它是如何被设计和制造出来的?这条短视频,帮你快速了解芯片设计、制造全过程。

一颗芯片的诞生,可以分为芯片设计与芯片制造两个环节。

芯片设计:规划“芯”天地

芯片设计阶段会明确芯片的用途、规格和性能表现,芯片设计可分为规格定义、系统级设计、前端设计和后端设计4大过程。

  1. 规格定义,工程师在芯片设计之初,会做好芯片的需求分析、完成产品规格定义,以确定设计的整体方向。例如:成本控制在什么水平,需要多少TOPS的AI算力,是否功耗敏感,支持哪些联接方式,系统需要遵循的安全等级等。

  1. 系统设计, 基于前期的规格定义,明确芯片架构、业务模块、供电等系统级设计,例如CPU、GPU、NPU、RAM、联接、接口等。芯片设计需要综合考量芯片的系统交互、功能、成本、功耗、性能、安全及可维可测等综合要素。

  1. 前端设计,前端设计时,设计人员根据系统设计确定的方案,针对各模块开展具体的电路设计,使用专门的硬件描述语言(Verilog或VHDL),对具体的电路实现进行RTL(Register Transfer Level)级别的代码描述。代码生成后,就需要严格按照已制定的规格标准,通过仿真验证来反复检验代码设计的正确性。之后,用逻辑综合工具,把用硬件描述语言写成的RTL级的代码转成门级网表(NetList),以确保电路在面积、时序等目标参数上达到标准。逻辑综合完成后需要进行静态时序分析,套用特定的时序模型,针对特定电路分析其是否违反设计者给定的时序限制。整个设计流程是一个迭代的流程,任何一步不能满足要求都需要重复之前的步骤,甚至重新设计RTL代码。

  2. 后端设计,后端设计是先基于网表,在给定大小的硅片面积内,对电路进行布局(Floor Plan)和绕线(Place and Route),再对布线的物理版图进行功能和时序上的各种验证(Design Rule Check、Layout Versus Schematic等),后端设计也是一个迭代的流程,验证不满足要求则需要重复之前的步骤,最终生成用于芯片生产的GDS(Geometry Data Standard)版图。

芯片制造:点“沙”成金

芯片制造环节中,芯片是如何被“点沙成金”的呢?看似无关且不起眼的沙子,富含二氧化硅,而二氧化硅通过高温加热、纯化、过滤等工艺,可从中提取出硅单质,然后经特殊工艺铸造变成纯度极高的块状单晶硅,称作单晶硅棒(Crystal Ingot)。单晶硅棒根据用途被切割成0.5mm-1.5mm厚度的薄片,即成为芯片的基本原料,硅晶圆片,这便是“晶圆(Wafer)”。

晶圆(Wafer)经过抛光处理及一系列严格筛查后,投入第一阶段的生产工艺,即前段生产(Front End Of Line)。这一阶段主要完成集成晶体管的制造,包括光刻、薄膜、刻蚀、清洗、注入等几大模块的工艺。

第一阶段前段生产(FEOL)完成后,接着开始后段生产(BEOL),BEOL由沉积无掺杂的氧化硅(也就是硅玻璃)开始,通孔由金属钨填充,然后制作晶体管间的电连线,最终得到满足芯片要求的晶圆。获得晶圆后,用圆锯切割芯片,嵌入封装中。芯片使用引线与封装的引脚结合,封装盖子保护芯片不受外界灰尘污染。一颗融合人类智慧结晶的芯片就诞生了!

本文展示的芯片设计及芯片制造流程已经大幅简化,微处理器的生产实际上包含着数千道工艺过程,持续时间长达数周。从个人通信到家庭生活,从交通出行到城市管理等每个人生活的方方面面,都离不开芯片,它是现代社会真正凭借“小身材”而拥有“大智慧”的硬核存在。

来源:上海海思

*本文仅代表作者观点,不代表易百纳技术社区立场。系作者授权易百纳技术社区发表,未经许可不得转载。

精彩评论

  • billy yang 评论于 2021-04-09 10:20:33

    海思官网和官微还有视频,推荐观看:

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