IC 101：集成電路設計過程

作者謝恩·格林 | 2023 年 4 月 5 日 | 全部, NAND閃存101, 技術

本文是系列文章中的第二篇，該系列文章將深入探討群聯最重要的產品之一：集成電路 (IC)。我們的第一期 探討了什麼是 IC 以及它們如何分類。現在我們將深入研究 IC 的設計方式。

該集成電路首次開發於 1960 年，僅包含五個電阻器和四個晶體管（連接到電壓或電流時會導電的微型開關或閥門）。看起來很簡單，對吧？

然而，情況很快發生了變化，IC 上的晶體管和其他組件的數量迅速增長，事實上，速度如此之快，以至於1965 年一位名叫戈登·摩爾(Gordon Moore) 的智者做出了一個現在著名的觀察。他預測平均集成電路中的晶體管數量每兩年就會增加一倍。他看到了半導體行業如何在短短幾年內飛速發展，以及晶體管的尺寸如何隨著製造工藝和技術知識的進步而不斷縮小。

“摩爾定律”40 多年來一直非常準確。 2000 年代初，由於矽晶體管技術正在突破物理極限，這一估計開始放緩。晶體管的體積已經達到目前所能達到的最小尺寸，並且隨著 3D 架構和其他技術的發展而變得越來越複雜。

然而，這並不意味著計算機芯片已經停止發展。半導體和 IC 元件的技術仍在呈指數級發展。如今的數字 IC 每個芯片可以輕鬆包含超過 1000 億個晶體管。由如此多的晶體管構建的 IC 複雜得令人難以置信。甚至很難想像一個管道系統，就像我們在上一篇文章中所做的那樣，只有區區 10 億個閥門，更不用說 1000 億個了。

我們不會試圖想像現代 IC 的驚人復雜性，而是一步一步地看看這些芯片是如何設計的。 IC設計有五個主要階段：

- - IC規格及功能設計
  - RTL編碼
  - 門級網表
  - 版圖製作
  - 流片

雖然這些術語乍一看似乎令人畏懼，但它們都可以用一個簡單的類比來解釋：房屋的設計（圖 1）。

圖 1. IC 設計的各個階段可以比作建造房屋的步驟。

第一階段：IC規格和功能設計

在設計房屋時，房主和建築師必須事先就業主希望房屋擁有的所有功能和特性進行溝通，這一點很重要。這一切都與項目規劃有關，在 IC 設計中也是如此。 IC 設計人員和利益相關者需要討論所需的規範，以實現目標應用所需的特性和功能。例如，在典型的 NAND 閃存控制器 IC 中，主要功能塊包括前端互連、中央引擎、緩衝區和存儲介質管理、外圍互連和安全功能（圖 2）。

雖然圖 2 所示的功能框圖可能看起來很簡單，但實際上，在硬件設計人員可以繼續下一階段之前，需要預先建立並仔細審查大量詳細條件和參數。

圖 2. 典型 NAND 閃存控制器 IC 的功能框圖。

第 2 階段：RTL 編碼

雖然第一階段主要是規劃，但這一階段和下一階段被認為是 IC 設計過程的執行部分。有了功能框圖，設計人員就可以創建寄存器傳輸級 (RTL) 代碼草稿，理論上可以執行團隊在第一階段商定的規範。RTL 代碼是 IC 的高級表示，並且用於在早期階段以最簡單的形式“描述”整個系統。

RTL 代碼是一種低級編碼語言，它允許設計人員本質上呈現將 IC“拼圖”組合在一起的不同方式。繼續房屋建築的類比，RTL 編碼草案基本上是設計組件組合的列表，就像房屋平面圖指定地板和櫥櫃樣式和材料、天花板或牆壁裝飾以及管道裝置一樣。通過評估 RTL 代碼草案，設計團隊應該能夠推斷出系統中每個模塊的理論上最佳組成。

第三階段：門級網表

一旦提交了 RTL 代碼草案，設計團隊現在就準備好對 RTL 代碼結果進行門級網表。這意味著設計人員用邏輯門來繪製 RTL 代碼結果。該映射包含最終系統中的所有延遲和邏輯。它類似於安裝了所有設計元素和固定裝置的房屋的 3D 模擬，因此團隊可以看到它們是如何協同工作的。

雖然 3D 圖形模擬允許家庭設計師和利益相關者可視化設計，但門級網表有助於根據 RTL 代碼計劃闡明所有邏輯配置。隨著網表的最終版本就位，設計人員現在應該對整體設計可行性有很高的信心，因為大多數棘手的設計決策都將在此階段進行討論和解決。門級網表允許您通過仿真測試最終設計。

第四階段：佈局製作

一旦門級網表最終確定，硬件工程師現在可以模擬電路、晶體管和其他組件的佈局，以生成 IC 的詳細佈局。連接所有必要的功能塊及其各自組件的工作類似於家庭管道和照明系統的連接和路由。到這個階段結束時，IC設計團隊已經有了詳細的“總體藍圖”，實際施工也已接近尾聲。

第五階段：流片

流片是 IC 設計過程的最後階段，也是 IC 送出製造之前的最後一站。此階段涉及創建電路的光掩模。光掩模從一塊固體板開始，通常由石英或玻璃製成。流帶是在該板上塗上一層不透明薄膜的過程，該薄膜具有可供光線照射的切口空間或孔（圖 3）。 IC 製造商使用光掩模在矽芯片上製作圖案。您可以將其視為 IC 設計的“主模板”。

圖 3. 準備好的 IC 光掩模。

在這一點上，建造房屋的類比開始有點不成立了。根據詳細的藍圖建造房屋仍然會面臨許多挑戰和不可預見的問題。在 IC 設計中，不確定性較小，因為使用電子設計自動化 (EDA) 軟件創建的仿真可以模擬系統設計的實際操作和功能。雖然異常情況仍然可能發生，但大多數潛在問題都可以在實際生產之前預測和解決，從而節省大量時間、精力和金錢。