做芯片就跟打怪升級一樣一樣的【轉(zhuǎn)載】

2016-11-06  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

如果只是科普/大流程的話, 從199X年硅片的制作流程就沒怎么變過, 唯一對芯片設(shè)計造成比較大的影響的是隨著MOS管變小增加的Design Rule

我來簡單的說一下模擬電路和數(shù)字電路設(shè)計/制作方面的差別吧:

首先明確一點: 所有的ASIC(Application-Specific Integrated Circuit), 也即應(yīng)用芯片, 都是有一個Design的目的, 如果是在工廠里就是乙方提的要求; 在PhD生涯里就是老板布置的活...

要成功通關(guān), 待我細(xì)細(xì)道來:

小怪. 數(shù)字電路電路圖
推薦武器: Verilog

數(shù)字電路一般用Verilog寫, 主要是因為方便(我才不告訴你我手動壘Standard Cell呢) . 比如說CPU級別的芯片, 動輒上億的MOS管, 就算一秒畫一個, 不計連線時間, 你得畫38個月.

小怪: 數(shù)字電路仿真
推薦武器:VCS, MMSIM

寫完了Verilog, 就要跑數(shù)字仿真了. 一般會用到Synopsys 的VCS或者Mentor Graphics的MMSIM之類的.
這個仿真非?？? 因為每一個MOS管都被看成是開關(guān), 然后加上一些非常粗糙的模擬出來的延遲時間. 目的是看你寫出來的玩意能不能正常工作.

小怪. 模擬電路電路圖
推薦武器: Cadence (允許準(zhǔn)確擊打), SPICE(自由度高, 可長可短)等

這個就比較復(fù)雜了. 因為模擬電路的自由度非常高! 比方說, 一個MOS管在數(shù)字電路條件下就是一個開關(guān), 但是在模擬電路里面, 根據(jù)柵極電壓和電路結(jié)構(gòu)不一樣, 分分鐘完成 開路-大電阻-放大器-電流源-導(dǎo)通各種功能.
所以呢, 模擬電路基本就得手畫了.

小怪.模擬電路仿真
推薦武器: Spectre(精度最高), HSPICE, PSpice, HFSS等
最好跟打小怪.模擬電路電路圖小怪用一樣的武器.

模擬電路的仿真包括但不限于: 調(diào)節(jié)分壓, 仿真, 模擬工作點等... 而且千萬記住! 設(shè)計過程中, 精細(xì)(Swing <= 100 mV)的模擬電路要做噪聲分析! 不然各種地方的噪音分分鐘教你做人...

好, 現(xiàn)在假設(shè)我們有電路圖啦~

數(shù)字電路的電路圖長這樣:

模擬電路的電路圖長這樣:

小Boss.綜合電路:
推薦武器: Design Compiler (DC)

數(shù)字電路需要用到Design Compiler, Synopsys公司出的大殺器, 一招把Verilog轉(zhuǎn)成Verilog !
這一步叫做Synthesis (綜合).
綜合出來的電路也是Verilog格式, 但是長這樣:

把一堆描述性質(zhì)的語言轉(zhuǎn)換成真正的Standard Cell (標(biāo)準(zhǔn)門電路)
Standard Cell長這樣:

小Boss.模擬電路Layout

必殺: 無. 但是血厚.
推薦武器: Cadence Layout Editor等.

模擬電路就比較煩了, 一般會手畫, 大概長這樣:

師兄有云: 畫模擬電路的Layout是體力活.

我表示師兄說的太對了!

小Boss.數(shù)字電路Layout
必殺: 向門神告狀(DRC/LVS Fail).
推薦武器: IC-compiler, Encounter

數(shù)字電路接下來就需要Place and Route (布線)了. 一般這個步驟由IC-Compiler / Encounter 等工具來完成. 具體就是, 把綜合過的Verilog 中的每個Standard Cell找到對應(yīng)的Standard Cell Layout, 布置在用戶指定的范圍內(nèi), 然后自動連線.

這個自動連線就很講究:
自動布線要先連時鐘信號, 然后連電源網(wǎng)絡(luò), 最后連其他的數(shù)字信號等.

時鐘信號默認(rèn)會使用雙倍線寬, 如有分支, 盡量使用對稱的結(jié)構(gòu);

然后使用用戶的方式架設(shè)電源網(wǎng)絡(luò). 為什么叫電源網(wǎng)絡(luò)呢? 因為一般片上的電源長這樣:

自動布線就不展開講了... 學(xué)問太多了(主要是制作工藝...)

之后, 還有一個很重要的步驟:Filler Cell

什么意思呢?

數(shù)字電路的Standard Cell放完了, 連好線了, 大致長這樣:


圖中的那幾個淡藍色的Cell就是Standard Cell, 連線未顯示.

你要敢把這個Design交到Fab去做, 人家分分鐘咒你死全家.

為什么呢? 打個比方: 我想讓你幫我剪一個窗花, 給你一張A4紙(大概58800mm2), 然后說, 我想要剪個窗花, 但是窗花的總面積不要超過1mm2, 最好還要有鏤空, 有個人.. blah blah blah...

恩. 差不多一個意思..

所以為了讓廠家和你不要那么難過, 需要在片上沒東西的地方加上Filler, 也就是長得像Standard Cell但是里面就是一坨沒有連線的金屬和輕摻雜層的東西.

之后, 兩大門神決定了你能不能提交:

門神1: Design Rule Check (DRC)
必殺1: Area XX too small
必殺2: XX to XX must be greater than or equal to 0.038
必殺3: ...
推薦武器: Calibre RVE, ASSURA, 仔細(xì)檢查+喊師兄幫忙

每一招都對應(yīng)的是(由于技術(shù)原因或者安全原因)無法被制作出來的部分.

反正招招必死. 想擊敗他必須一招都不能中(No Design Rule Violation).


門神2: Layout Versus Schematic check (LVS)
必殺: Layout does not match Schematic.
推薦武器: Calibre RVE, ASSURE, 喊老板幫忙

恩. 就是確定你畫的這個奇形怪狀的Layout跟一開始的電路圖是對的上號的.

雖然此門神僅有一招, 但是這招千變?nèi)f化, 難以招架.

兩大門神都開心了之后, 你就可以把你做出來的這個Graphic Database System II (GDSII) 文件交到廠商的手里了.

附: Synopsys 武器一覽:

從Fab回來以后, 戰(zhàn)斗還沒結(jié)束..

Boss.Bonding & Packaging(封裝)
必殺: 兩個pad黏一塊兒了!!!, pad金屬掉了!!!, 金屬絲斷了!!!.
基礎(chǔ)武器: Bonding Machine

凡人即使有武器, 挑戰(zhàn)這個Boss也屬不易. 需要花重金升級武器才行, 比如說:




這一步, 將芯片變成我們認(rèn)識的模樣:

從:

變成:

Boss.PCB Design
必殺: 信號太多, 面積太小; 驅(qū)動太弱, 電容太大; 燒Chip.
推薦武器:Altium Design, Eagle等.

做出了Chip之后, 就需要畫一個配套的PCB, 將外圍電路在板上搭建好, 或者引至其他外設(shè)等.

最終Boss.System Design
必殺: 此Boss神通廣大, 一切外部設(shè)備都可以喚來作為必殺.
推薦武器: The best weapon is the one between your ears. USE IT.

最終, 我們需要這個芯片在應(yīng)用中展現(xiàn)它的實力, 所以一個不滿足需求的芯片就是渣渣.

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