2019年09月09日 | 小科普—集成电路设计流程

2019-09-09 来源：功烨

这是一篇介绍集成电路的设计流程的文章，不讨论高深理论，尽量用通俗易懂的比喻让中文系的人都都能看明白。

集成电路设计和房屋设计原理上是相似的。假设你要设计房屋，假设你要设计IC（(integrated circuit）芯片，第一步要做什么？，第一步要想，你要做什么？这就是所谓的SPEC.，SPEC.告诉你要做一个计算机IC芯片，对应设计房屋，例如你要设计一座大别墅。

SPEC.告诉你要设计什么芯片，接下来就是RTL（Register-Transfer-Level） Code，你要设计的计算机芯片主要有什么功能呢？比如最起码能实现四则运算，加减乘除，RTL Code要设计加法器，减法器，乘法器，除法器等；对应你的别墅设计要三层楼，五个卧室，三间厕所，两个客厅，一个厨房等等。

RTL Code完成后需要做Pre-Simulation，也就是模拟，你写的加法器，是否能正确运算，1+1=2，不能算出来等于3吧，减法器也是如此，你写的每个元件都要进行Pre-Simulation，确定能实现相对的功能；Pre-Simulation在别墅设计中对应的是，你设计的厨房要可以烧饭，厕所是不能烧饭的吧，卧室可以睡觉，客厅可以接待客人等等。模拟完以后进行Synthesis合成，所谓的合成，在IC设计过程中，标准库里有一些元件可以直接拿来用，用来实现你想要的功能；Synthesis在别墅设计中对应的就是去商店买家具，比如客厅需要沙发，卧室需要床，厕所需要马桶，你不用自己设计制作，可以直接去宜家购买。Synthesis的目标是用最少的标准元件实现功能，你的芯片性能就越好，这就好像在别墅设计中，有的设计师能力不行，厕所设计了三个马桶，这就不合理，资源浪费，别墅设计的目标就是用最少的家具材料实现最完善的功能。

合成完以后就可以把RTL Code转换成Gate level Netlist，这时候还是抽象的标准元件，具体摆放位置，如何连线还不知道；对应别墅设计中，你只知道需要多少张床，多少马桶，电视，柜子数量等等，但是具体摆放位置还不知道。接下来就是Placement，确定标准元件在芯片上的具体位置；对应别墅设计中客厅在几楼，厕所在几楼，卧室在哪里。标准元件摆放位置影响芯片性能，例如你把厕所放在别墅四楼，那你每次都要爬到四楼上厕所，这显然不好，厕所位置放在每层楼靠近窗户位置肯定最合理，如果放在中间位置，那肯定臭死了，Placement同理，每个标准元件摆放位置一定要合理。Placement结束后是Routing的步骤，决定标准元件在芯片中的连线，对应别墅中，水管如何铺设，电线如何走向等等。

接下来就是Layout，是一份具体的，详细的IC设计图纸，所有元件的位置，以及布局走线的方向等等；对应别墅的详细设计图纸。有了详细设计图纸，然后就是Post-Simulation&Verification，其作用就是验证这张IC设计图纸真的能实现计算机的功能，可能乘法运算有问题，这就需要修改；对应别墅设计中，你需要确定每个房间，每个设计是否满足你的要求，比如你需要卧室要有阳台等等。验证没有问题接下来就是Tape-out，将Layout给IC制造公司，请他们帮忙制造，别墅设计中接下来就是将设计图纸交给建筑商，请他们帮忙施工。Fabrication就是芯片制造；对应就是打地基，砌砖，盖房子。

制造完以后是Packaging & Testing，先测试制造的芯片有没有问题，然后在封装保护芯片；房子盖好以后，需要进行测试，比如抗震测试，漏电测试，水管是否连通等等。

最后就是成品Chip，对应就是房子盖好咯。

以上简单介绍IC芯片从设计到制造完成的过程，实际过程远比这复杂，每个步骤都有相应的公司，目前还没有一家可以从头到尾完成。接下来给大家讲一下各个流程每家公司扮演的角色。

在Tape-out之前，都是在设计阶段，IC设计公司被称为Design House，著名的公司有高通，海思，联发科，展讯等等，为什么有这么多design house呢？很好理解，就像房屋设计，有的设计公司擅长居民楼设计，有的擅长商场设计，有的擅长工厂厂房设计等等。Design House里面还有一类公司叫EDA company，它是提供所有IC 设计过程中的软件，有Cadence，Synopsys，SIEMENS等，就像在你设计盖房子的时候，不可能拿出纸笔进行手绘吧，现在都是用AUTO-CAD，用软件辅助设计，EDA软件可以理解为AUTO-CAD软件。

Tape-out之后就是fabrication，芯片制造公司就是所谓的Foundry，制造工厂称为Fab，著名的公司有TSMC，GF（不是女票，是global foundry），SMIC，HHgrace等等。

制造完之后是封装测试，Assembly & Test，著名的公司有日月光 ASE（没错，就是那个徐汇日月光商场，其实它的主营业务是半导体封测），矽品SPLI（学中文的妹子知道，矽是硅元素的旧称，台湾地区把硅元素称为矽）。

半导体集成电路产业极其复杂，分工合作非常重要，国内半导体公司，海思是设计龙头，中芯国际是制造龙头，长电是封测龙头，各公司与国际公司还有差距，仍需继续努力。

集成电路设计

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