芯片设计制造全过程

芯片设计制造全过程

将一颗芯片从0到1，可以分为芯片设计和芯片制造两部分。芯片设计对应市场上一些fabless公司，这类公司只做芯片设计。而芯片制造对应的是foundary，比如国内的smic，TSMC，国外的Samsung，GlobalFoundary（GF），常说的光刻机，N5，N7工艺相关。

1.芯片设计
芯片设计有主要分为四个过程：规格定义，系统设计，前端设计（coding），后端设计（物理设计）。

1.1 规格定义
在规格定义阶段，需要先明确芯片设计需求，应用场景，成本控制，相对应的功耗，性能等要求。

1.2 系统设计
在1.1的规格定义完成后，需要进行系统设计，以满足上述目标要求，使用不同的IP模块，如CPU，Ram，PLL，输入输出接口，需要具体落地成本，功耗，性能，安全性，鲁棒性，面积指标。

1.3 前端设计
根据1.2的系统设计，用硬件描述语言（HDL）进行编写，HDL分为verilog和vhdl，常用verilog和system verilog，编写过程需要考虑硬件语言和软件编程的1区别，硬件语言的每一条指令都对应与实际芯片的DFF，Dlatcah（芯片中避免出现latch，如for，if语句，需要把条件罗列清楚），AND/OR/NOR gata。

1.4 后端设计
主要完成verilog文件，通过逻辑综合DC，时钟树综合CTS，可测性设计DFT，布局布线PR，可制造性设计DFM，最终得到GDSII文件，送至foundary代工。详细过程可以参见下一篇博文。
数字芯片设计/工具全流程博文

2.芯片制造
芯片设计就像图纸一样，把芯片大厦的房间，排水系统，电梯规划出来。具体实施交给foudary进行制造。

2.1 晶圆制造
从沙子（二氧化硅），通过高温，纯化，过滤等操作，可以得到由硅单质组成的硅锭（类似于圆柱形）。将硅锭切割成薄片，这就形成了所谓的晶圆（wafer）。

2.2 晶体管制造（CMOS工艺）
mosfet 和 finfet（栅端3面控制，类似于鱼鳍3D结构）
将版图信息，加工到硅片上。主要分为光刻（制造掩模版），使用EUV double pattern技术光刻机制造TSMC 5nm制程，氧化成栅（晶体管的栅极），清洗，离子注入（N/P阱工艺的源端和漏端）。

2.3 金属连线和通孔制造
金属连线层数和工艺有很大关系，据我所知目前的TSMC 7nm工艺高达17层金属，不同层的金属粗细不同，影响IR Drop和EM，在后端设计布线时需要考虑走线问题如power net，clock net选用的金属层数，底层利用率高。通孔使用金属钨进行填充。

2.4 芯片封装
2.3将晶圆制造完毕，使用物理切割的方法，将裸片（die）从晶圆上切割下来。（这个过程在后端需要考虑一些填充隔离单元，起到保护芯片作用），使用各种先进封装手法，常见有面包板用芯片，手机贴片式芯片等等等。芯片封装也是一项非常重要的工作。

至此一颗芯片就诞生了，此过程需要多方面设计人员，协同配合。前端设计，后端设计，EDA工具，foundary。我国芯片受制于人，一个是光刻机，一个是EDA工具，中华我辈当自强。