1分钟读懂芯片设计 何为半导体？它可能是下一个房地产 比一比

最近在准备MBA，就经常会聊到行业。一说我在做芯片，在半导体行业，其它行业的兄弟姐妹们都会觉得这个行业很高大上。但其实，半导体也是发展了好几十年了，这个行业很类似于房地产。下面我就用房地产举例子来和大家说说半导体。

那么，到底什么是芯片呢？就是缩微的小区楼盘。

第一步：前期规划

在首先要做一颗芯片，需要公司做市场调研，确定市场的需求，比如最近比较火爆的人工智能芯片、5G芯片、物联网芯片等，对大方向做设定。

接着是芯片规格的制定，这是最重要的步骤，包括芯片需要达到的具体功能和性能方面的要求。它就像是在设计建筑前，先决定要几间房间、浴室，有什么建筑法规需要遵守。

在确定好功能和性能之后，接着是察看有哪些协定要符合，才能确保设计出来的芯片不会有任何差错。像无线网卡的芯片就需要符合IEEE 802.11等规范，不然，设计出来的芯片将无法和市面上的产品相容。

最后则是确立这颗IC的实作方法，将不同功能分配成不同的单元，并确立不同单元间连结的方法，规格的制定就完成了。

第二步：设计并画图纸

根据客户提出的规格要求，制定设计解决方案和具体实现架构，划分模块功能，然后就是设计芯片的细节了。这个步骤就像初步记下建筑的规画，将整体轮廓描绘出来，方便后续制图。在IC芯片中，使用硬件描述语言（VHDL，Verilog HDL，业界公司一般都是使用后者）将模块功能以代码来描述实现，也就是将实际的硬件威廉希尔官方网站 功能通过HDL语言描述出来，形成RTL（寄存器传输级）代码。

接着就是仿真验证，它是检验编码设计的正确性，看设计是否精确地满足了规格中的所有要求。规格是设计正确与否的黄金标准，一切违反，不符合规格要求的，就需要重新修改设计和编码。设计和仿真验证是反复迭代的过程，直到验证结果显示完全符合规格标准。

仿真验证通过，进行逻辑综合

有了完整规划后，接下来便是画出平面的设计蓝图。在IC设计中，逻辑综合是将威廉希尔官方网站 的行为级描述，特别是RTL级描述转化成为门级表达的过程，也就是将代码翻译成各种实际的元器件。综合需要设定约束条件，就是你希望综合出来的威廉希尔官方网站 在面积，时序等目标参数上达到的标准。逻辑综合需要基于特定的综合库，不同的库中，门威廉希尔官方网站 基本标准单元（standard cell）的面积，时序参数是不一样的。所以，选用的综合库不一样，综合出来的威廉希尔官方网站 在时序，面积上是有差异的。一般来说，综合完成后需要再次做仿真验证。

接着就是静态时序分析，也就是套用特定的时序模型，针对特定威廉希尔官方网站 分析其是否违反设计者给定的时序限制。然后是形式验证，这也是验证范畴，它是从功能上（STA是时序上）对综合后的网表进行验证。

从设计程度上来讲，前面操作的结果就是得到了芯片的门级网表威廉希尔官方网站 。

然后是DFT（可测性设计）➤单元布局（(FloorPlan） ➤时钟树综合（CTS） ➤布线(Place & Route) ➤ 版图物理验证

DFT（可测性设计）。芯片内部往往都自带测试威廉希尔官方网站 ，DFT的目的就是在设计的时候就考虑将来的测试，目的是在设计的时候就考虑将来的测试。

时钟树综合（CTS）：简单点说就是时钟的布线。由于时钟信号在数字芯片的全局指挥作用，它的分布应该是对称式的连到各个寄存器单元，从而使时钟从同一个时钟源到达各个寄存器时，时钟延迟差异最小。这也是为什么时钟信号需要单独布线的原因。

布线(Place & Route)：包括各种标准单元（基本逻辑门威廉希尔官方网站 ）之间的走线。

版图物理验证：对完成布线的物理版图进行功能和时序上的验证。

整个IC设计流程都是一个迭代的过程，每一步如果不能满足要求，都要重复之前的过程，直至满足要求为止，才能进行下一步。

物理版图验证完成也就是整个芯片设计阶段完成，下面的就是芯片制造了。

第三步，打地基，选材料

晶圆（wafer），是制造各式电脑芯片的基础。我们可以将芯片制造比拟成用乐高积木盖房子，经过一层又一层的堆叠，完成自己期望的造型（也就是各式芯片）。然而，如果没有良好的地基，盖出来的房子就会歪来歪去，不合自己所意，为了做出完美的房子，便需要一个平稳的基板。对芯片制造来说，这个基板就是接下来将描述的晶圆。

晶圆的概念

晶圆是指硅半导体集成威廉希尔官方网站 制作所用的硅晶片，由于其形状为圆形，故称为晶圆；在硅晶片上可加工制作成各种威廉希尔官方网站 元件结构，而成为有特定电性功能的IC产品。

首先，先回想一下小时候在玩乐高积木时，积木的表面都会有一个一个小小圆型的凸出物，经过这个构造，我们可将两块积木稳固的叠在一起，且不需使用胶水。芯片制造，也是以类似这样的方式，将后续添加的原子和基板固定在一起。因此，我们需要寻找表面整齐的基板，以满足后续制造所需的条件。

在固体材料中，有一种特殊的晶体结构──单晶（Monocrystalline）。它具有原子一个接着一个紧密排列在一起的特性，可以形成一个平整的原子表层。因此，采用单晶做成晶圆，便可以满足以上的需求。

 

一整条的硅柱并无法做成芯片制造的基板，为了产生一片一片的硅晶圆，接着需要以钻石刀将硅晶柱横向切成圆片，圆片再经由抛光便可形成芯片制造所需的硅晶圆。经过这么多步骤，芯片基板的制造便大功告成，下一步便是堆叠房子的步骤，也就是芯片制造。

IC，全名积体威廉希尔官方网站 （Integrated Circuit），由它的命名可知它是将设计好的威廉希尔官方网站 ，以堆叠的方式组合起来。使用这个方法，我们可以减少连接威廉希尔官方网站 时所需耗费的面积。下图为 IC威廉希尔官方网站 的3D图，从图中可以看出它的结构就像房子的樑和柱，一层一层堆叠，这也就是为何会将IC制造比拟成盖房子。

 

▲ IC芯片的3D剖面图。（Source：Wikipedia）

 

第四步：装修——芯片叫封装测试

什么是封装？

是指安装半导体集成威廉希尔官方网站 芯片用的外壳，起着安放、固定、密封、保护芯片和增强电热性能的作用，是沟通芯片内部世界与外部威廉希尔官方网站 的桥梁（芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印制板上的导线与其它器件建立连接）。

芯片封装的作用主要有四个方面：固定引脚系统、物理性保护、环境性保护和增强散热。

按照包装材料，封装可以分为：金属封装、陶瓷封装和塑料封装。

按照封装外形可分类为：SOT、QFN、SOIC、TSSOP、QFP、BGA、CSP，这个是按照封装形式和工艺越来越高级和复杂来排序。

完成封装后，便要进入测试的阶段。

芯片测试的过程是将封装后的芯片置于各种环境下测试其电气特性，如消耗功率、运行速度、耐压度等。经测试后的芯片，依其电气特性划分为不同等级。而特殊测试则是根据客户特殊需求的技术参数，从相近参数规格、品种中拿出部分芯片，做有针对性的专门测试，看是否能满足客户的特殊需求，以决定是否须为客户设计专用芯片，正确无误之后便可出货给组装厂，做成我们所见的电子产品。至此，半导体产业便完成了整个生产的任务。

第五步：对外销售

房地产大家遇到的套路很多，芯片的叫做推广，英文是“Promote"。一般房子销售都是各种推介会，各种小广告，芯片销售跟这个有点类似，但也不一样。比如都要打广告、举办各种线下会议，让人家知道你。还有，就是房子销售要定制化需求，通过装修满足你的定制化需求，而芯片则是通过方案商完成差异化定制化。

第六步：售后

房子售后就是物业管理，如果房子有点小问题，物业要及时解决，让业主住的舒心。如果地产商口碑好，则以后的房子大家都愿意买。芯片售后也是一样的道理，要客户用的安心，如果有小问题要及时解决，这样客户就会一直使用你的产品。如果口碑好，更多人就愿意用你的芯片。

通过以上的解释，希望大家对半导体、对芯片有一个更为鲜活的了解。小编不易，欢迎赞赏！