駕車時，車輛可以自動感知周圍環(huán)境動態(tài)信息，自動避障;外出旅游，隨身攜帶的智能相機就能輕松拍出超高清畫面，即時分享;回到家中，燈光自動開啟、機器人已經(jīng)家中打掃干凈……芯片的出現(xiàn)，無疑讓生活步入了更加智慧的模式。芯片究竟是什么?為什么會成為人類不可或缺的核心科技?一個小小的硅片，承載著幾千萬甚至數(shù)百億的晶體管，它是如何被設(shè)計和制造出來的?這條短視頻，幫你快速了解芯片設(shè)計、制造全過程。一顆芯片的誕生，可以分為芯片設(shè)計與芯片制造兩個環(huán)節(jié)。芯片設(shè)計： 規(guī)劃“芯”天地芯片設(shè)計階段會明確芯片的用途、規(guī)格和性能表現(xiàn)，芯片設(shè)計可分為規(guī)格定義、系統(tǒng)級設(shè)計、前端設(shè)計和后端設(shè)計4大過程。
1. 規(guī)格定義，工程師在芯片設(shè)計之初，會做好芯片的需求分析、完成產(chǎn)品規(guī)格定義，以確定設(shè)計的整體方向。例如：成本控制在什么水平，需要多少TOPS的AI算力，是否功耗敏感，支持哪些聯(lián)接方式，系統(tǒng)需要遵循的安全等級等。
2. 系統(tǒng)設(shè)計， 基于前期的規(guī)格定義，明確芯片架構(gòu)、業(yè)務(wù)模塊、供電等系統(tǒng)級設(shè)計，例如CPU、GPU、NPU、RAM、聯(lián)接、接口等。芯片設(shè)計需要綜合考量芯片的系統(tǒng)交互、功能、成本、功耗、性能、安全及可維可測等綜合要素。
3. 前端設(shè)計，前端設(shè)計時，設(shè)計人員根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計確定的方案，針對各模塊開展具體的電路設(shè)計，使用專門的硬件描述語言(Verilog或VHDL)，對具體的電路實現(xiàn)進行RTL(Register Transfer Level)級別的代碼描述。代碼生成后，就需要嚴(yán)格按照已制定的規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，通過仿真驗證來反復(fù)檢驗代碼設(shè)計的正確性。之后，用邏輯綜合工具，把用硬件描述語言寫成的RTL級的代碼轉(zhuǎn)成門級網(wǎng)表(NetList)，以確保電路在面積、時序等目標(biāo)參數(shù)上達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。邏輯綜合完成后需要進行靜態(tài)時序分析，套用特定的時序模型，針對特定電路分析其是否違反設(shè)計者給定的時序限制。整個設(shè)計流程是一個迭代的流程，任何一步不能滿足要求都需要重復(fù)之前的步驟，甚至重新設(shè)計RTL代碼。
4. 后端設(shè)計，后端設(shè)計是先基于網(wǎng)表，在給定大小的硅片面積內(nèi)，對電路進行布局(Floor Plan)和繞線(Place and Route)，再對布線的物理版圖進行功能和時序上的各種驗證(Design Rule Check、Layout Versus Schematic等)，后端設(shè)計也是一個迭代的流程，驗證不滿足要求則需要重復(fù)之前的步驟，最終生成用于芯片生產(chǎn)的GDS(Geometry Data Standard)版圖。
芯片制造：點“沙”成金芯片制造環(huán)節(jié)中，芯片是如何被“點沙成金”的呢?看似無關(guān)且不起眼的沙子，富含二氧化硅，而二氧化硅通過高溫加熱、純化、過濾等工藝，可從中提取出硅單質(zhì)，然后經(jīng)特殊工藝鑄造變成純度極高的塊狀單晶硅，稱作單晶硅棒(Crystal Ingot)。單晶硅棒根據(jù)用途被切割成0.5mm-1.5mm厚度的薄片，即成為芯片的基本原料，硅晶圓片，這便是“晶圓(Wafer)”。晶圓(Wafer)經(jīng)過拋光處理及一系列嚴(yán)格篩查后，投入第一階段的生產(chǎn)工藝，即前段生產(chǎn)(Front End Of Line)。這一階段主要完成集成晶體管的制造，包括光刻、薄膜、刻蝕、清洗、注入等幾大模塊的工藝。
第一階段前段生產(chǎn)(FEOL)完成后，接著開始后段生產(chǎn)(BEOL)，BEOL由沉積無摻雜的氧化硅(也就是硅玻璃)開始，通孔由金屬鎢填充，然后制作晶體管間的電連線，最終得到滿足芯片要求的晶圓。獲得晶圓后，用圓鋸切割芯片，嵌入封裝中。芯片使用引線與封裝的引腳結(jié)合，封裝蓋子保護芯片不受外界灰塵污染。一顆融合人類智慧結(jié)晶的芯片就誕生了!
本文展示的芯片設(shè)計及芯片制造流程已經(jīng)大幅簡化，微處理器的生產(chǎn)實際上包含著數(shù)千道工藝過程，持續(xù)時間長達(dá)數(shù)周。從個人通信到家庭生活，從交通出行到城市管理等每個人生活的方方面面，都離不開芯片，它是現(xiàn)代社會真正憑借“小身材”而擁有“大智慧”的硬核存在。
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