中文系同學都能聽懂的集成電路設計流程

**本文轉自微信公號“功燁” 作者：**功燁

這是一篇介紹集成電路的設計流程的文章，不討論高深理論，儘量用通俗易懂的比喻讓中文系的人都都能看明白。

集成電路設計和房屋設計原理上是相似的。假設你要設計房屋，假設你要設計IC（(integrated circuit）芯片，第一步要做什麼？，第一步要想，你要做什麼？這就是所謂的SPEC.，SPEC.告訴你要做一個計算機IC芯片，對應設計房屋，例如你要設計一座大別墅。

SPEC.告訴你要設計什麼芯片，接下來就是RTL（Register-Transfer-Level） Code，你要設計的計算機芯片主要有什麼功能呢？比如最起碼能實現四則運算，加減乘除，RTL Code要設計加法器，減法器，乘法器，除法器等；對應你的別墅設計要三層樓，五個卧室，三間廁所，兩個客廳，一個廚房等等。

RTL Code完成後需要做Pre-Simulation，也就是模擬，你寫的加法器，是否能正確運算，1+1=2，不能算出來等於3吧，減法器也是如此，你寫的每個元件都要進行Pre-Simulation，確定能實現相對的功能；Pre-Simulation在別墅設計中對應的是，你設計的廚房要可以燒飯，廁所是不能燒飯的吧，卧室可以睡覺，客廳可以接待客人等等。模擬完以後進行Synthesis合成，所謂的合成，在IC設計過程中，標準庫裏有一些元件可以直接拿來用，用來實現你想要的功能；Synthesis在別墅設計中對應的就是去商店買傢俱，比如客廳需要沙發，卧室需要牀，廁所需要馬桶，你不用自己設計製作，可以直接去宜家購買。Synthesis的目標是用最少的標準元件實現功能，你的芯片性能就越好，這就好像在別墅設計中，有的設計師能力不行，廁所設計了三個馬桶，這就不合理，資源浪費，別墅設計的目標就是用最少的傢俱材料實現最完善的功能。

合成完以後就可以把RTL Code轉換成Gate level Netlist，這時候還是抽象的標準元件，具體擺放位置，如何連線還不知道；對應別墅設計中，你只知道需要多少張牀，多少馬桶，電視，櫃子數量等等，但是具體擺放位置還不知道。接下來就是Placement，確定標準元件在芯片上的具體位置；對應別墅設計中客廳在幾樓，廁所在幾樓，卧室在哪裏。標準元件擺放位置影響芯片性能，例如你把廁所放在別墅四樓，那你每次都要爬到四樓上廁所，這顯然不好，廁所位置放在每層樓靠近窗户位置肯定最合理，如果放在中間位置，那肯定臭死了，Placement同理，每個標準元件擺放位置一定要合理。Placement結束後是Routing的步驟，決定標準元件在芯片中的連線，對應別墅中，水管如何鋪設，電線如何走向等等。

接下來就是Layout，是一份具體的，詳細的IC設計圖紙，所有元件的位置，以及佈局走線的方向等等；對應別墅的詳細設計圖紙。有了詳細設計圖紙，然後就是Post-Simulation&Verification，其作用就是驗證這張IC設計圖紙真的能實現計算機的功能，可能乘法運算有問題，這就需要修改；對應別墅設計中，你需要確定每個房間，每個設計是否滿足你的要求，比如你需要卧室要有陽台等等。驗證沒有問題接下來就是Tape-out，將Layout給IC製造公司，請他們幫忙製造，別墅設計中接下來就是將設計圖紙交給建築商，請他們幫忙施工。Fabrication就是芯片製造；對應就是打地基，砌磚，蓋房子。

製造完以後是Packaging & Testing，先測試製造的芯片有沒有問題，然後在封裝保護芯片；房子蓋好以後，需要進行測試，比如抗震測試，漏電測試，水管是否連通等等。

最後就是成品Chip，對應就是房子蓋好咯。

以上簡單介紹IC芯片從設計到製造完成的過程，實際過程遠比這複雜，每個步驟都有相應的公司，目前還沒有一家可以從頭到尾完成。接下來給大家講一下各個流程每家公司扮演的角色。

在Tape-out之前，都是在設計階段，IC設計公司被稱為Design House，著名的公司有高通，海思，聯發科，展訊等等，為什麼有這麼多design house呢？很好理解，就像房屋設計，有的設計公司擅長居民樓設計，有的擅長商場設計，有的擅長工廠廠房設計等等。Design House裏面還有一類公司叫EDA company，它是提供所有IC 設計過程中 的軟件 ，有Cadence，Synopsys，SIEMENS等，就像在你設計蓋房子的時候，不可能拿出紙筆進行手繪吧，現在都是用AUTO-CAD，用軟件輔助設計，EDA軟件可以理解為AUTO-CAD軟件。

Tape-out之後就是fabrication，芯片製造公司就是所謂 的Foundry，製造工廠稱為Fab，著名的公司有TSMC，GF（不是女票，是global foundry），SMIC，HHgrace等等。

製造完之後是封裝測試，Assembly & Test，著名的公司有日月光 ASE（沒錯，就是那個徐匯日月光商場，其實它的主營業務是半導體封測），矽品SPLI（學中文的妹子知道，矽是硅元素的舊稱，台灣地區把硅元素稱為矽）。

半導體集成電路產業極其複雜，分工合作非常重要，國內半導體公司，海思是設計龍頭，中芯國際是製造龍頭 ，長電是封測龍頭，各公司與國際公司還有差距，仍需繼續努力。