復(fù)雜繁瑣的芯片設(shè)計(jì)流程

　　芯片制造的過(guò)程就如同用樂(lè)高蓋房子一樣，先有晶圓作為地基，再層層往上疊的芯片制造流程后，就可產(chǎn)出必要的 IC 芯片（這些會(huì)在后面介紹）。然而，沒(méi)有設(shè)計(jì)圖，擁有再?gòu)?qiáng)制造能力都沒(méi)有用，因此，建筑師的角色相當(dāng)重要。但是 IC 設(shè)計(jì)中的建筑師究竟是誰(shuí)呢？本文接下來(lái)要針對(duì) IC 設(shè)計(jì)做介紹。

　　在 IC 生產(chǎn)流程中，IC 多由專業(yè) IC 設(shè)計(jì)公司進(jìn)行規(guī)劃、設(shè)計(jì)，像是聯(lián)發(fā)科、高通、Intel 等知名大廠，都自行設(shè)計(jì)各自的 IC 芯片，提供不同規(guī)格、效能的芯片給下游廠商選擇。因?yàn)?IC 是由各廠自行設(shè)計(jì)，所以 IC 設(shè)計(jì)十分仰賴工程師的技術(shù)，工程師的素質(zhì)影響著一間企業(yè)的價(jià)值。然而，工程師們?cè)谠O(shè)計(jì)一顆 IC 芯片時(shí)，究竟有那些步驟？設(shè)計(jì)流程可以簡(jiǎn)單分成如下。

　　設(shè)計(jì)第一步，訂定目標(biāo)

　　在 IC 設(shè)計(jì)中，最重要的步驟就是規(guī)格制定。這個(gè)步驟就像是在設(shè)計(jì)建筑前，先決定要幾間房間、浴室，有什么建筑法規(guī)需要遵守，在確定好所有的功能之后在進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣才不用再花額外的時(shí)間進(jìn)行后續(xù)修改。IC 設(shè)計(jì)也需要經(jīng)過(guò)類(lèi)似的步驟，才能確保設(shè)計(jì)出來(lái)的芯片不會(huì)有任何差錯(cuò)。

　　規(guī)格制定的第一步便是確定 IC 的目的、效能為何，對(duì)大方向做設(shè)定。接著是察看有哪些協(xié)定要符合，像無(wú)線網(wǎng)卡的芯片就需要符合 IEEE 802.11 等規(guī)範(fàn)，不然，這芯片將無(wú)法和市面上的產(chǎn)品相容，使它無(wú)法和其他設(shè)備連線。最后則是確立這顆 IC 的實(shí)作方法，將不同功能分配成不同的單元，并確立不同單元間連結(jié)的方法，如此便完成規(guī)格的制定。

　　設(shè)計(jì)完規(guī)格后，接著就是設(shè)計(jì)芯片的細(xì)節(jié)了。這個(gè)步驟就像初步記下建筑的規(guī)畫(huà)，將整體輪廓描繪出來(lái)，方便后續(xù)制圖。在 IC 芯片中，便是使用硬體描述語(yǔ)言（HDL）將電路描寫(xiě)出來(lái)。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(dá)出來(lái)。接著就是檢查程式功能的正確性并持續(xù)修改，直到它滿足期望的功能為止。

▲ 32 bits 加法器的 Verilog 范例。

　　有了電腦，事情都變得容易

　　有了完整規(guī)畫(huà)后，接下來(lái)便是畫(huà)出平面的設(shè)計(jì)藍(lán)圖。在 IC 設(shè)計(jì)中，邏輯合成這個(gè)步驟便是將確定無(wú)誤的 HDL code，放入電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具（EDA tool），讓電腦將 HDL code 轉(zhuǎn)換成邏輯電路，產(chǎn)生如下的電路圖。之后，反覆的確定此邏輯閘設(shè)計(jì)圖是否符合規(guī)格并修改，直到功能正確為止。

▲控制單元合成后的結(jié)果。

　　最后，將合成完的程式碼再放入另一套 EDA tool，進(jìn)行電路布局與繞線（Place And Route）。在經(jīng)過(guò)不斷的檢測(cè)后，便會(huì)形成如下的電路圖。圖中可以看到藍(lán)、紅、綠、黃等不同顏色，每種不同的顏色就代表著一張光罩。至于光罩究竟要如何運(yùn)用呢？

▲常用的演算芯片- FFT 芯片，完成電路布局與繞線的結(jié)果。

　　層層光罩，疊起一顆芯片

　　首先，目前已經(jīng)知道一顆 IC 會(huì)產(chǎn)生多張的光罩，這些光罩有上下層的分別，每層有各自的任務(wù)。下圖為簡(jiǎn)單的光罩例子，以積體電路中最基本的元件 CMOS 為範(fàn)例，CMOS 全名為互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary metal–oxide–semiconductor），也就是將 NMOS 和 PMOS 兩者做結(jié)合，形成 CMOS。至于什么是金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）？這種在芯片中廣泛使用的元件比較難說(shuō)明，一般讀者也較難弄清，在這裡就不多加細(xì)究。

　　下圖中，左邊就是經(jīng)過(guò)電路布局與繞線后形成的電路圖，在前面已經(jīng)知道每種顏色便代表一張光罩。右邊則是將每張光罩?jǐn)傞_(kāi)的樣子。制作是，便由底層開(kāi)始，依循上一篇 IC 芯片的制造中所提的方法，逐層制作，最后便會(huì)產(chǎn)生期望的芯片了。

　　至此，對(duì)于 IC 設(shè)計(jì)應(yīng)該有初步的了解，整體看來(lái)就很清楚 IC 設(shè)計(jì)是一門(mén)非常復(fù)雜的專業(yè)，也多虧了電腦輔助軟體的成熟，讓 IC 設(shè)計(jì)得以加速。IC 設(shè)計(jì)廠十分依賴工程師的智慧，這裡所述的每個(gè)步驟都有其專門(mén)的知識(shí)，皆可獨(dú)立成多門(mén)專業(yè)的課程，像是撰寫(xiě)硬體描述語(yǔ)言就不單純的只需要熟悉程式語(yǔ)言，還需要了解邏輯電路是如何運(yùn)作、如何將所需的演算法轉(zhuǎn)換成程式、合成軟體是如何將程式轉(zhuǎn)換成邏輯閘等問(wèn)題。

　　其中主要半導(dǎo)體設(shè)計(jì)公司有英特爾、高通、博通、英偉達(dá)、美滿、賽靈思、Altera、聯(lián)發(fā)科、海思、展訊、中興微電子、華大、大唐、智芯、敦泰、士蘭、中星、格科等。

　　什么是晶圓？

　　在半導(dǎo)體的新聞中，總是會(huì)提到以尺寸標(biāo)示的晶圓廠，如 8 寸或是 12 寸晶圓廠，然而，所謂的晶圓到底是什么東西？其中 8 寸指的是什么部分？要產(chǎn)出大尺寸的晶圓制造又有什么難度呢？以下將逐步介紹半導(dǎo)體最重要的基礎(chǔ)——「晶圓」到底是什么。

　　晶圓（wafer），是制造各式電腦芯片的基礎(chǔ)。我們可以將芯片制造比擬成用樂(lè)高積木蓋房子，藉由一層又一層的堆疊，完成自己期望的造型（也就是各式芯片）。然而，如果沒(méi)有良好的地基，蓋出來(lái)的房子就會(huì)歪來(lái)歪去，不合自己所意，為了做出完美的房子，便需要一個(gè)平穩(wěn)的基板。對(duì)芯片制造來(lái)說(shuō)，這個(gè)基板就是接下來(lái)將描述的晶圓。

（Souse：Flickr/Jonathan Stewart CC BY 2.0）

　　首先，先回想一下小時(shí)候在玩樂(lè)高積木時(shí)，積木的表面都會(huì)有一個(gè)一個(gè)小小圓型的凸出物，藉由這個(gè)構(gòu)造，我們可將兩塊積木穩(wěn)固的疊在一起，且不需使用膠水。芯片制造，也是以類(lèi)似這樣的方式，將后續(xù)添加的原子和基板固定在一起。因此，我們需要尋找表面整齊的基板，以滿足后續(xù)制造所需的條件。

　　在固體材料中，有一種特殊的晶體結(jié)構(gòu)──單晶（Monocrystalline）。它具有原子一個(gè)接著一個(gè)緊密排列在一起的特性，可以形成一個(gè)平整的原子表層。因此，采用單晶做成晶圓，便可以滿足以上的需求。然而，該如何產(chǎn)生這樣的材料呢，主要有二個(gè)步驟，分別為純化以及拉晶，之后便能完成這樣的材料。

　　如何制造單晶的晶圓

　　純化分成兩個(gè)階段，第一步是冶金級(jí)純化，此一過(guò)程主要是加入碳，以氧化還原的方式，將氧化硅轉(zhuǎn)換成 98% 以上純度的硅。大部份的金屬提煉，像是鐵或銅等金屬，皆是采用這樣的方式獲得足夠純度的金屬。但是，98% 對(duì)于芯片制造來(lái)說(shuō)依舊不夠，仍需要進(jìn)一步提升。因此，將再進(jìn)一步采用西門(mén)子制程（Siemens process）作純化，如此，將獲得半導(dǎo)體制程所需的高純度多晶硅。

▲硅柱制造流程（Source： Wikipedia）

　　接著，就是拉晶的步驟。首先，將前面所獲得的高純度多晶硅融化，形成液態(tài)的硅。之后，以單晶的硅種（seed）和液體表面接觸，一邊旋轉(zhuǎn)一邊緩慢的向上拉起。至于為何需要單晶的硅種，是因?yàn)楣柙优帕芯秃腿伺抨?duì)一樣，會(huì)需要排頭讓后來(lái)的人該如何正確的排列，硅種便是重要的排頭，讓后來(lái)的原子知道該如何排隊(duì)。最后，待離開(kāi)液面的硅原子凝固后，排列整齊的單晶硅柱便完成了。

▲單晶硅柱（Souse：Wikipedia）

　　然而，8寸、12寸又代表什么東西呢？他指的是我們產(chǎn)生的晶柱，長(zhǎng)得像鉛筆筆桿的部分，表面經(jīng)過(guò)處理并切成薄圓片后的直徑。至于制造大尺寸晶圓又有什么難度呢？如前面所說(shuō)，晶柱的制作過(guò)程就像是在做棉花糖一樣，一邊旋轉(zhuǎn)一邊成型。有制作過(guò)棉花糖的話，應(yīng)該都知道要做出大而且扎實(shí)的棉花糖是相當(dāng)困難的，而拉晶的過(guò)程也是一樣，旋轉(zhuǎn)拉起的速度以及溫度的控制都會(huì)影響到晶柱的品質(zhì)。也因此，尺寸愈大時(shí)，拉晶對(duì)速度與溫度的要求就更高，因此要做出高品質(zhì) 12 寸晶圓的難度就比 8 寸晶圓還來(lái)得高。

　　只是，一整條的硅柱并無(wú)法做成芯片制造的基板，為了產(chǎn)生一片一片的硅晶圓，接著需要以鉆石刀將硅晶柱橫向切成圓片，圓片再經(jīng)由拋光便可形成芯片制造所需的硅晶圓。經(jīng)過(guò)這么多步驟，芯片基板的制造便大功告成，下一步便是堆疊房子的步驟，也就是芯片制造。至于該如何制作芯片呢？