你應(yīng)該知道的半導(dǎo)體芯片知識(shí)科普

 尺寸縮小有其物理限制

不過(guò)，制程并不能無(wú)限制的縮小，當(dāng)我們將晶體管縮小到 20 奈米左右時(shí)，就會(huì)遇到量子物理中的問(wèn)題，讓晶體管有漏電的現(xiàn)象，抵銷縮小 L 時(shí)獲得的效益。作為改善方式，就是導(dǎo)入 FinFET(Tri-Gate)這個(gè)概念，如右上圖。在 Intel 以前所做的解釋中，可以知道藉由導(dǎo)入這個(gè)技術(shù)，能減少因物理現(xiàn)象所導(dǎo)致的漏電現(xiàn)象。

更重要的是，藉由這個(gè)方法可以增加 Gate 端和下層的接觸面積。在傳統(tǒng)的做法中(左上圖)，接觸面只有一個(gè)平面，但是采用 FinFET(Tri-Gate)這個(gè)技術(shù)后，接觸面將變成立體，可以輕易的增加接觸面積，這樣就可以在保持一樣的接觸面積下讓 Source-Drain 端變得更小，對(duì)縮小尺寸有相當(dāng)大的幫助。

最后，則是為什么會(huì)有人說(shuō)各大廠進(jìn)入 10 奈米制程將面臨相當(dāng)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，主因是 1 顆原子的大小大約為 0.1 奈米，在 10 奈米的情況下，一條線只有不到 100 顆原子，在制作上相當(dāng)困難，而且只要有一個(gè)原子的缺陷，像是在制作過(guò)程中有原子掉出或是有雜質(zhì)，就會(huì)產(chǎn)生不知名的現(xiàn)象，影響產(chǎn)品的良率。

如果無(wú)法想象這個(gè)難度，可以做個(gè)小實(shí)驗(yàn)。在桌上用 100 個(gè)小珠子排成一個(gè) 10×10 的正方形，并且剪裁一張紙蓋在珠子上，接著用小刷子把旁邊的的珠子刷掉，最后使他形成一個(gè) 10×5 的長(zhǎng)方形。這樣就可以知道各大廠所面臨到的困境，以及達(dá)成這個(gè)目標(biāo)究竟是多么艱巨。

隨著三星以及臺(tái)積電在近期將完成 14 奈米、16 奈米 FinFET 的量產(chǎn)，兩者都想爭(zhēng)奪 Apple 下一代的 iPhone 芯片代工，我們將看到相當(dāng)精彩的商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)，同時(shí)也將獲得更加省電、輕薄的手機(jī)，要感謝摩爾定律所帶來(lái)的好處呢。

在前面已經(jīng)介紹過(guò)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，再層層往上迭的芯片制造流程后，就可產(chǎn)出必要的 IC 芯片。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?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)議要符合，像無(wú)線網(wǎng)卡的芯片就需要符合 IEEE 802.11 等規(guī)范，不然，這芯片將無(wú)法和市面上的產(chǎn)品兼容，使它無(wú)法和其他設(shè)備聯(lián)機(jī)。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，并確立不同單元間鏈接的方法，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，將整體輪廓描繪出來(lái)，方便后續(xù)制圖。在 IC 芯片中，便是使用硬件描述語(yǔ)言(HDL)將電路描寫出來(lái)。常使用的 HDL 有 Verilog、VHDL 等，藉由程序代碼便可輕易地將一顆 IC 地菜單達(dá)出來(lái)。接著就是檢查程序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。

有了計(jì)算機(jī)，事情都變得容易

有了完整規(guī)畫后，接下來(lái)便是畫出平面的設(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)，讓計(jì)算機(jī)將 HDL code 轉(zhuǎn)換成邏輯電路，產(chǎn)生如下的電路圖。之后，反復(fù)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，將合成完的程序代碼再放入另一套 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，迭起一顆芯片

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，以集成電路中最基本的組件 CMOS 為范例，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組件比較難說(shuō)明，一般讀者也較難弄清，在這里就不多加細(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_的樣子。制作是，便由底層開始，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)是一門非常復(fù)雜的專業(yè)，也多虧了計(jì)算機(jī)輔助軟件的成熟，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能，這里所述的每個(gè)步驟都有其專門的知識(shí)，皆可獨(dú)立成多門專業(yè)的課程，像是撰寫硬件描述語(yǔ)言就不單純的只需要熟悉程序語(yǔ)言，還需要了解邏輯電路是如何運(yùn)作、如何將所需的算法轉(zhuǎn)換成程序、合成軟件是如何將程序轉(zhuǎn)換成邏輯閘等問(wèn)題。

然而，使用以上這些封裝法，會(huì)耗費(fèi)掉相當(dāng)大的體積。像現(xiàn)在的行動(dòng)裝置、穿戴裝置等，需要相當(dāng)多種組件，如果各個(gè)組件都獨(dú)立封裝，組合起來(lái)將耗費(fèi)非常大的空間，因此目前有兩種方法，可滿足縮小體積的要求，分別為 SoC(System On Chip)以及 SiP(System In Packet)。

在智能型手機(jī)剛興起時(shí)，在各大財(cái)經(jīng)雜志上皆可發(fā)現(xiàn) SoC 這個(gè)名詞，然而 SoC 究竟是什么東西?簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是將原本不同功能的 IC，整合在一顆芯片中。藉由這個(gè)方法，不單可以縮小體積，還可以縮小不同 IC 間的距離，提升芯片的計(jì)算速度。至于制作方法，便是在 IC 設(shè)計(jì)時(shí)間時(shí)，將各個(gè)不同的 IC 放在一起，再透過(guò)先前介紹的設(shè)計(jì)流程，制作成一張光罩。

然而，SoC 并非只有優(yōu)點(diǎn)，要設(shè)計(jì)一顆 SoC 需要相當(dāng)多的技術(shù)配合。IC 芯片各自封裝時(shí)，各有封裝外部保護(hù)，且 IC 與 IC 間的距離較遠(yuǎn)，比較不會(huì)發(fā)生交互干擾的情形。但是，當(dāng)將所有 IC 都包裝在一起時(shí)，就是噩夢(mèng)的開始。IC 設(shè)計(jì)廠要從原先的單純?cè)O(shè)計(jì) IC，變成了解并整合各個(gè)功能的 IC，增加工程師的工作量。此外，也會(huì)遇到很多的狀況，像是通訊芯片的高頻訊號(hào)可能會(huì)影響其他功能的 IC 等情形。

此外，SoC 還需要獲得其他廠商的 IP(intellectual property)授權(quán)，才能將別人設(shè)計(jì)好的組件放到 SoC 中。因?yàn)橹谱?SoC 需要獲得整顆 IC 的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，才能做成完整的光罩，這同時(shí)也增加了 SoC 的設(shè)計(jì)成本?；蛟S會(huì)有人質(zhì)疑何不自己設(shè)計(jì)一顆就好了呢?因?yàn)樵O(shè)計(jì)各種 IC 需要大量和該 IC 相關(guān)的知識(shí)，只有像 Apple 這樣多金的企業(yè)，才有預(yù)算能從各知名企業(yè)挖角頂尖工程師，以設(shè)計(jì)一顆全新的 IC，透過(guò)合作授權(quán)還是比自行研發(fā)劃算多了。

折衷方案，SiP 現(xiàn)身

作為替代方案，SiP 躍上整合芯片的舞臺(tái)。和 SoC 不同，它是購(gòu)買各家的 IC，在最后一次封裝這些 IC，如此便少了 IP 授權(quán)這一步，大幅減少設(shè)計(jì)成本。此外，因?yàn)樗鼈兪歉髯元?dú)立的 IC，彼此的干擾程度大幅下降。

▲ Apple Watch 采用 SiP 技術(shù)將整個(gè)計(jì)算機(jī)架構(gòu)封裝成一顆芯片，不單滿足期望的效能還縮小體積，讓手表有更多的空間放電池。(Source：Apple 官網(wǎng))

采用 SiP 技術(shù)的產(chǎn)品，最著名的非 Apple Watch 莫屬。因?yàn)?Watch 的內(nèi)部空間太小，它無(wú)法采用傳統(tǒng)的技術(shù)，SoC 的設(shè)計(jì)成本又太高，SiP 成了首要之選。藉由 SiP 技術(shù)，不單可縮小體積，還可拉近各個(gè) IC 間的距離，成為可行的折衷方案。下圖便是 Apple Watch 芯片的結(jié)構(gòu)圖，可以看到相當(dāng)多的 IC 包含在其中。

▲ Apple Watch 中采用 SiP 封裝的 S1 芯片內(nèi)部配置圖。(Source：chipworks)

完成封裝后，便要進(jìn)入測(cè)試的階段，在這個(gè)階段便要確認(rèn)封裝完的 IC 是否有正常的運(yùn)作，正確無(wú)誤之后便可出貨給組裝廠，做成我們所見(jiàn)的電子產(chǎn)品。至此，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)便完成了整個(gè)生產(chǎn)的任務(wù)。