詳解晶元的設計生產流程

OFweek電子工程網訊 大家都是電子行業的人，對晶元，對各種封裝都了解不少，但是你知道一個晶元是怎樣設計出來的么？你又知道設計出來的晶元是怎麼生產出來的么？看完這篇文章你就有大概的了解。

複雜繁瑣的晶元設計流程

晶元製造的過程就如同用樂高蓋房子一樣，先有晶圓作為地基，再層層往上疊的晶元製造流程後，就可產出必要的 IC 晶元（這些會在後面介紹）。然而，沒有設計圖，擁有再強製造能力都沒有用，因此，建築師的角色相當重要。但是 IC 設計中的建築師究竟是誰呢？接下來要針對 IC 設計做介紹。

在 IC 生產流程中，IC 多由專業 IC 設計公司進行規劃、設計，像是聯發科、高通、Intel 等知名大廠，都自行設計各自的 IC 晶元，提供不同規格、效能的晶元給下游廠商選擇。因為 IC 是由各廠自行設計，所以 IC 設計十分仰賴工程師的技術，工程師的素質影響著一間企業的價值。然而，工程師們在設計一顆 IC 晶元時，究竟有那些步驟？設計流程可以簡單分成如下。

設計第一步，訂定目標

在 IC 設計中，最重要的步驟就是規格制定。這個步驟就像是在設計建筑前，先決定要幾間房間、浴室，有什麼建築法規需要遵守，在確定好所有的功能之後在進行設計，這樣才不用再花額外的時間進行後續修改。IC 設計也需要經過類似的步驟，才能確保設計出來的晶元不會有任何差錯。

規格制定的第一步便是確定 IC 的目的、效能為何，對大方向做設定。接著是察看有哪些協定要符合，像無線網卡的晶元就需要符合 IEEE 802.11 等規範，不然，這晶元將無法和市面上的產品相容，使它無法和其他設備連線。最後則是確立這顆 IC 的實作方法，將不同功能分配成不同的單元，並確立不同單元間連結的方法，如此便完成規格的制定。

設計完規格後，接著就是設計晶元的細節了。這個步驟就像初步記下建築的規畫，將整體輪廓描繪出來，方便後續製圖。在 IC 晶元中，便是使用硬體描述語言（HDL）將電路描寫出來。常使用的 HDL 有 Verilog、VHDL 等，藉由程式碼便可輕易地將一顆 IC 地功能表達出來。接著就是檢查程式功能的正確性並持續修改，直到它滿足期望的功能為止。

▲ 32 bits 加法器的 Verilog 範例。

有了電腦，事情都變得容易

有了完整規畫後，接下來便是畫出平面的設計藍圖。在 IC 設計中，邏輯合成這個步驟便是將確定無誤的 HDL code，放入電子設計自動化工具（EDA tool），讓電腦將 HDL code 轉換成邏輯電路，產生如下的電路圖。之後，反覆的確定此邏輯閘設計圖是否符合規格並修改，直到功能正確為止。

▲ 控制單元合成後的結果。

最後，將合成完的程式碼再放入另一套 EDA tool，進行電路布局與繞線（Place And Route）。在經過不斷的檢測後，便會形成如下的電路圖。圖中可以看到藍、紅、綠、黃等不同顏色，每種不同的顏色就代表著一張光罩。至於光罩究竟要如何運用呢？

▲ 常用的演算晶元- FFT 晶元，完成電路布局與繞線的結果。

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