IC 101：集成电路设计过程

作者谢恩·格林 | 2023年4月5日 | 全部, NAND闪存101, 技术

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本文是系列文章中的第二篇，该系列文章将深入探讨群联最重要的产品之一：集成电路 (IC)。我们的第一期 探讨了什么是 IC 以及它们如何分类。现在我们将深入研究 IC 的设计方式。

该集成电路首次开发于 1960 年，仅包含五个电阻器和四个晶体管（连接到电压或电流时会导电的微型开关或阀门）。看起来很简单，对吧？

然而，情况很快发生了变化，IC 上的晶体管和其他组件的数量迅速增长，事实上，速度如此之快，以至于 1965 年一位名叫戈登·摩尔 (Gordon Moore) 的智者做出了一个现在著名的观察。他预测平均集成电路中的晶体管数量每两年就会增加一倍。他看到了半导体行业如何在短短几年内飞速发展，以及晶体管的尺寸如何随着制造工艺和技术知识的进步而不断缩小。

“摩尔定律”40 多年来一直非常准确。 2000 年代初，由于硅晶体管技术正在突破物理极限，这一估计开始放缓。晶体管的体积已经达到目前所能达到的最小尺寸，并且随着 3D 架构和其他技术的发展而变得越来越复杂。

然而，这并不意味着计算机芯片已经停止发展。半导体和 IC 元件的技术仍在呈指数级发展。如今的数字 IC 每个芯片可以轻松包含超过 1000 亿个晶体管。由如此多的晶体管构建的 IC 复杂得令人难以置信。甚至很难想象一个管道系统，就像我们在上一篇文章中所做的那样，只有区区 10 亿个阀门，更不用说 1000 亿个了。

我们不会试图想象现代 IC 的惊人复杂性，而是一步一步地看看这些芯片是如何设计的。 IC设计有五个主要阶段：

- - IC规格及功能设计
  - RTL编码
  - 门级网表
  - 版图制作
  - 流片

虽然这些术语乍一看似乎令人畏惧，但它们都可以用一个简单的类比来解释：房屋的设计（图 1）。

图 1. IC 设计的各个阶段可以比作建造房屋的步骤。

第一阶段：IC规格和功能设计

在设计房屋时，房主和建筑师必须事先就业主希望房屋拥有的所有功能和特性进行沟通，这一点很重要。这一切都与项目规划有关，在 IC 设计中也是如此。 IC 设计人员和利益相关者需要讨论所需的规范，以实现目标应用所需的特性和功能。例如，在典型的 NAND 闪存控制器 IC 中，主要功能块包括前端互连、中央引擎、缓冲区和存储介质管理、外围互连和安全功能（图 2）。

虽然图 2 所示的功能框图可能看起来很简单，但实际上，在硬件设计人员可以继续下一阶段之前，需要预先建立并仔细审查大量详细条件和参数。

图 2. 典型 NAND 闪存控制器 IC 的功能框图。

第 2 阶段：RTL 编码

虽然第一阶段主要是规划，但这一阶段和下一阶段被认为是 IC 设计过程的执行部分。有了功能框图，设计人员就可以创建寄存器传输级 (RTL) 代码草稿，理论上可以执行团队在第一阶段商定的规范。RTL 代码是 IC 的高级表示，并且用于在早期阶段以最简单的形式“描述”整个系统。

RTL 代码是一种低级编码语言，它允许设计人员本质上呈现将 IC“拼图”组合在一起的不同方式。继续房屋建筑的类比，RTL 编码草案基本上是设计组件组合的列表，就像房屋平面图指定地板和橱柜样式和材料、天花板或墙壁装饰以及管道装置一样。通过评估 RTL 代码草案，设计团队应该能够推断出系统中每个模块的理论上最佳组成。

第三阶段：门级网表

一旦提交了 RTL 代码草案，设计团队现在就准备好对 RTL 代码结果进行门级网表。这意味着设计人员用逻辑门来绘制 RTL 代码结果。该映射包含最终系统中的所有延迟和逻辑。它类似于安装了所有设计元素和固定装置的房屋的 3D 模拟，因此团队可以看到它们是如何协同工作的。

虽然 3D 图形模拟允许家庭设计师和利益相关者可视化设计，但门级网表有助于根据 RTL 代码计划阐明所有逻辑配置。随着网表的最终版本就位，设计人员现在应该对整体设计可行性有很高的信心，因为大多数棘手的设计决策都将在此阶段进行讨论和解决。门级网表允许您通过仿真测试最终设计。

第四阶段：布局制作

一旦门级网表最终确定，硬件工程师现在可以模拟电路、晶体管和其他组件的布局，以生成 IC 的详细布局。连接所有必要的功能块及其各自组件的工作类似于家庭管道和照明系统的连接和路由。到这个阶段结束时，IC设计团队已经有了详细的“总体蓝图”，实际施工也已接近尾声。

第五阶段：流片

流片是 IC 设计过程的最后阶段，也是 IC 送出制造之前的最后一站。此阶段涉及创建电路的光掩模。光掩模从一块固体板开始，通常由石英或玻璃制成。流带是在该板上涂上一层不透明薄膜的过程，该薄膜具有可供光线照射的切口空间或孔（图 3）。 IC 制造商使用光掩模在硅芯片上制作图案。您可以将其视为 IC 设计的“主模板”。

图 3. 准备好的 IC 光掩模。

在这一点上，建造房屋的类比开始有点不成立了。根据详细的蓝图建造房屋仍然会面临许多挑战和不可预见的问题。在 IC 设计中，不确定性较小，因为使用电子设计自动化 (EDA) 软件创建的仿真可以模拟系统设计的实际操作和功能。虽然异常情况仍然可能发生，但大多数潜在问题都可以在实际生产之前预测和解决，从而节省大量时间、精力和金钱。