芯片设计到底难在哪里？

芯片作为现代电子产品的核心部件，一直充当着“大脑”的位置，其技术含量和资金极度密集，生产线动辄数十亿上百亿美金。

芯片制造的完整过程包括：芯片设计、晶圆制造、封装、测试等几个主要环节，其中每个环节都是技术和科技的体现。

对于芯片来说设计和工艺同样复杂，八十年代EDA技术诞生——芯片自动化设计，使得芯片设计以及超大规模集成威廉希尔官方网站 的难度大为降低，工程师只需将芯片的功能用芯片设计语言描述并输入电脑，再由EDA工具软件将语言编译成逻辑威廉希尔官方网站 ，然后再进行调试即可，正如编辑文档需要微软的office，图片编辑需要photoshop一样，芯片开发者利用EDA软件平台来进行威廉希尔官方网站 设计、性能分析到生成芯片威廉希尔官方网站 版图。现在的一块芯片有上百亿个晶体管，不依靠EDA工具，高端芯片设计根本无从下手。你细品，这么浩瀚的工程怎么能靠手动完成呢？

重点是尽管有了EDA也并不代表芯片设计这件事很容易，芯片设计仍然是一个集高精尖于一体的复杂系统工程。

不管是IDM还是fabless，共同的特点是以芯片设计为产业的核心。举个栗子，2018年AMD的处理器改由台积电代工，制程为7nm，英特尔的处理器制程还是14nm，但性能照样压制了AMD，说明芯片设计也是非常关键的鸭。

设计一款芯片，开发者先要明确需求，确定芯片“规范”，定义诸如指令集、功能、输入输出管脚、性能与功耗等关键信息，将威廉希尔官方网站 划分成多个小模块，清晰地描述出对每个模块的要求。

然后由“前端”开发者根据每个模块功能设计出“威廉希尔官方网站 ”，运用计算机语言建立模型并验证其功能准确无误。“后端”开发者则要根据威廉希尔官方网站 设计出“版图”，将数以亿计的威廉希尔官方网站 按其连接关系，有规律地翻印到一个硅片上。

至此，芯片设计才算完成。如此复杂的设计，不能有任何缺陷，否则无法修补，必须从头再来。如果重新设计加工，一般至少需要一年时间，再投入上千万美元的经费，有时候甚至需要上亿。

敲黑板，戴眼镜，既然大家普遍对芯片制造的难度有一定的了解，那这篇文章希望可以让大家对芯片设计的难度也有共同的认知。

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第一关，难在架构设计

芯片设计，环节众多，每个环节都面临很多挑战。以相对较为简单的数字集成威廉希尔官方网站 设计为例设计多采用自顶向下设计方式，层层分解后包括：

需求定义：结合外部环境分析、供应链资源、公司自身定位等信息，提出对新一代产品的需求，并进一步考虑产品作用、功能、所需线板数量、使用集成威廉希尔官方网站 类型等，精准定义产品需求。这一环节的难度在于对市场、技术的未来趋势准确判断和对设计人员、制造工厂等自身和产业链情况、能力的充分了解。

功能实现：描述芯片需要实现的目标，通常用硬件描述语言编写。这一环节的难度在于对芯片整体可以达到的性能、功能的把握，既要充分满足目标，又不能超过自身的能力上限。

结构设计：根据芯片的特点，将其划分成接口清晰、相互关系明确、功能相对独立的子模块。这一环节难度在于对芯片结构的熟悉，是否能用尽可能少的模块和尽可能低的标准达到要求。

逻辑综合：开发者将硬件描述语言转换成逻辑威廉希尔官方网站 图。这一环节难度在于需要保证代码的可综合、清晰简洁、可读性，有时还要考虑模块的复用性。

物理实现：将逻辑威廉希尔官方网站 转换成为有物理连接的威廉希尔官方网站 图。这一环节难度在于如何根据制程，使用尽可能少的元件和连线完成从RTL描述到综合库单元之间的映射，得到一个在面积和时序上满足需求的门级网表，并使内部互不干扰。

物理版图：以 GDSII 的文件格式交给晶圆厂，在硅片上做出实际的威廉希尔官方网站 ，再进行封装和测试，得到物理芯片。

必须说明的是，芯片设计时，需要考虑许多变量，例如信号干扰、发热分布等，而芯片的物理特性，如磁场、信号干扰，在不同制程下有很大不同，没有数学公式可以直接计算，也没有可套用的经验数据直接填入，只能依靠EDA工具一步一步设计，一步步模拟，不断取舍。每一次模拟之后，如果效果不理想，就要重新设计一次，对团队的智慧、精力、耐心都是极大考验。

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第二关，难在验证

芯片验证目标是在芯片制造之前，通过检查、仿真、原型平台等手段反复迭代验证，提前发现系统软硬件功能错误、优化性能和功耗，使设计精准、可靠，且符合最初规划的芯片规格。

它不是在设计完成后再进行的工序，而是贯穿在设计的每一个环节中的重复性行为，可细分为系统级验证、硬件逻辑功能验证、混合信号验证、软件功能验证、物理层验证、时序验证等。

验证很难，首先在验证只能证伪，需要反复考虑可能遇到的问题，以及使用形式化验证等手段来保证正确的概率，非常考验设计人员的经验和智慧。

其次在验证的方法必须尽可能高效。现在的芯片集成了微处理器、模拟IP核、数字IP核和存储器(或片外存储控制接口)，验证复杂度指数级增长。如何快速、准确、完备、易调试地完成日益复杂的验证，进入流片阶段，是每个芯片设计人员最大的挑战。

最后在验证工具本身。以常见的FPGA硬件仿真验证为例，90年代FPGA验证最多可支持200万门，每门的费用为1美元。如今单位价格虽然大幅下降，随着芯片的复杂程度指数级增长，验证的门数也上升到以千万和亿为计算的规模，总体费用更加惊人。

此外，FPGA本身也是芯片设计的一种。现在大型设计（大于2千万等效ASIC门）需要用多块FPGA互联进行验证，FPGA的设计面对RTL逻辑的分割、多片FPGA之间的互联拓扑结构、I/O分配、布局布线、可观测性等现实要求，这就又给设计环节增加了难度。

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第三关，难在流片

流片就是试生产，设计完后，由芯片代工厂小批量生产一些，供测试用。它看起来是芯片制造，但实际属于芯片设计行业。

流片技术上不困难，因为芯片设计基于现有工艺，除了少量需要芯片设计企业指导的生产之外，困难在于钱、钱、钱。

流片一次有多贵？先引用CMP（Circuits Multi-Projets,美国一家非营利性多项目晶圆服务组织）的公开报价吧。

图片来自CMP报价表

按照这份报价，以业内裸芯（die）面积最小的处理器高通骁龙855为例（尺寸为8.48毫米×8.64毫米，面积为73.27平方毫米），用28纳米制程流片一次的标准价格为499,072.5欧元，也就是近400万元人民币！

然后，芯片设计企业可以拿到什么呢？25个裸芯，平均每个16万元！

更重要的是，流片根本不是一次性的事啊！

流片失败，需要修改后再次流片；流片成功，可能需要继续修改优化，二次改进后再次流片。

每一次都需要至少几百万元。

什么叫做氪金？这才叫做氪金啊！

或许有知友会提出疑问，这是成本上的问题，为什么算在困难上呢？这当然是困难了，世界上最大的困难不就是没钱吗？

之所以在会提到流片费用，是因为许多人在谈及芯片制造困难的时候都会指出，建立一条先进制程芯片产线需要天量资金投入，但通过流片可以看出，其实芯片设计对资金的渴求也同样惊人。

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第四关，越来越具有挑战性的设计需求

首先是随着芯片使用场景延伸至AI、云计算、智能汽车、5G等领域，芯片的安全性、可靠性变得前所未有的重要，对芯片设计提出更高、更严格的要求。 其次是随着AI、智能汽车等领域快速发展，带来专用芯片和适应行业需求的全新架构需求，这一全新的课题给芯片设计带来更多新的挑战。 最后是随着硅基芯片根据摩尔定律，在两三年之后将达到1纳米的工艺极限，继续提升性能、降低功耗的重任更多落在芯片设计身上，给芯片设计更大的压力。此外，制程工艺提升也迫切需要芯片设计的指导才能实现，也额外增加了压力。

原文标题：分析 | 芯片设计难在哪儿？

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责任编辑：haq