【半導體科普】IC 功能的關鍵，複雜繁瑣的晶片設計流程 TechNews 科技新報

在前面已經介紹過晶片製造的過程就如同用樂高蓋房子一樣，先有晶圓作為地基，再層層往上疊的晶片製造流程後，就可產出必要的 IC 晶片。然而，沒有設計圖，擁有再強製造能力都沒有用，因此，建築師的角色相當重要。但是 IC 設計中的建築師究竟是誰呢？本文接下來要針對 IC 設計做介紹。

在 IC 生產流程中，IC 多由專業 IC 設計公司進行規劃、設計，像是聯發科、高通、Intel 等知名大廠，都自行設計各自的 IC 晶片，提供不同規格、效能的晶片給下游廠商選擇。因為 IC 是由各廠自行設計，所以 IC 設計十分仰賴工程師的技術，工程師的素質影響著一間企業的價值。然而，工程師們在設計一顆 IC 晶片時，究竟有那些步驟？設計流程可以簡單分成如下。

設計第一步，訂定目標

在 IC 設計中，最重要的步驟就是規格制定。這個步驟就像是在設計建築前，先決定要幾間房間、浴室，有什麼建築法規需要遵守，在確定好所有的功能之後在進行設計，這樣才不用再花額外的時間進行後續修改。IC 設計也需要經過類似的步驟，才能確保設計出來的晶片不會有任何差錯。

規格制定的第一步便是確定 IC 的目的、效能為何，對大方向做設定。接著是察看有哪些協定要符合，像無線網卡的晶片就需要符合 IEEE 802.11 等規範，不然，這晶片將無法和市面上的產品相容，使它無法和其他設備連線。最後則是確立這顆 IC 的實作方法，將不同功能分配成不同的單元，並確立不同單元間連結的方法，如此便完成規格的制定。

設計完規格後，接著就是設計晶片的細節了。這個步驟就像初步記下建築的規畫，將整體輪廓描繪出來，方便後續製圖。在 IC 晶片中，便是使用硬體描述語言（HDL）將電路描寫出來。常使用的 HDL 有 Verilog、VHDL 等，藉由程式碼便可輕易地將一顆 IC 地功能表達出來。接著就是檢查程式功能的正確性並持續修改，直到它滿足期望的功能為止。

▲ 32 bits 加法器的 Verilog 範例。

有了電腦，事情都變得容易

有了完整規畫後，接下來便是畫出平面的設計藍圖。在 IC 設計中，邏輯合成這個步驟便是將確定無誤的 HDL code，放入電子設計自動化工具（EDA tool），讓電腦將 HDL code 轉換成邏輯電路，產生如下的電路圖。之後，反覆的確定此邏輯閘設計圖是否符合規格並修改，直到功能正確為止。

▲ 控制單元合成後的結果。

最後，將合成完的程式碼再放入另一套 EDA tool，進行電路布局與繞線（Place And Route）。在經過不斷的檢測後，便會形成如下的電路圖。圖中可以看到藍、紅、綠、黃等不同顏色，每種不同的顏色就代表著一張光罩。至於光罩究竟要如何運用呢？

▲ 常用的演算晶片- FFT 晶片，完成電路布局與繞線的結果。

層層光罩，疊起一顆晶片

首先，目前已經知道一顆 IC 會產生多張的光罩，這些光罩有上下層的分別，每層有各自的任務。下圖為簡單的光罩例子，以積體電路中最基本的元件 CMOS 為範例，CMOS 全名為互補式金屬氧化物半導體（Complementary metal–oxide–semiconductor），也就是將 NMOS 和 PMOS 兩者做結合，形成 CMOS。至於什麼是金屬氧化物半導體（MOS）？這種在晶片中廣泛使用的元件比較難說明，一般讀者也較難弄清，在這裡就不多加細究。

下圖中，左邊就是經過電路布局與繞線後形成的電路圖，在前面已經知道每種顏色便代表一張光罩。右邊則是將每張光罩攤開的樣子。製作是，便由底層開始，依循上一篇 IC 晶片的製造中所提的方法，逐層製作，最後便會產生期望的晶片了。

至此，對於 IC 設計應該有初步的瞭解，整體看來就很清楚 IC 設計是一門非常複雜的專業，也多虧了電腦輔助軟體的成熟，讓 IC 設計得以加速。IC 設計廠十分依賴工程師的智慧，這裡所述的每個步驟都有其專門的知識，皆可獨立成多門專業的課程，像是撰寫硬體描述語言就不單純的只需要熟悉程式語言，還需要瞭解邏輯電路是如何運作、如何將所需的演算法轉換成程式、合成軟體是如何將程式轉換成邏輯閘等問題。

prev next