〈分析〉IC設計小學堂開課!帶您基本認識晶片究竟是如何生成?

IC設計小學堂開課!一文認識晶片究竟是如何生成? (圖片:AFP)
IC設計小學堂開課!一文認識晶片究竟是如何生成? (圖片:AFP)

IC 設計是一門非常複雜的科學,在 IC 生產流程中,IC 晶片主要由專業 IC 設計公司進行規劃、設計,如聯發科 (2454-TW)、高通 (QCOM-US)、Intel (INTC-US) 等國際知名大廠,都自行設計各自專精的 IC 晶片,提供不同規格、效能的晶片給下游客戶選擇。

IC 設計詳細過程包含制定規格、設計晶片細節、畫晶片藍圖等步驟,具體如下:

1. 制定規格:

首先確定 IC 目的、效能,並研究有哪些協定要符合,最後則是確定這顆 IC 晶片的實作方法,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式。

2. 設計晶片細節

使用 HDL 將電路描寫出來。常使用的 HDL 有 Verilog、VHDL 等,藉由程式碼便可將一顆 IC 的功能表達出來。再進一步檢查程式功能的正確性並修改。

(資金來源: 電子說) Verilog 範例
(資金來源: 電子說) Verilog 範例

3. 畫出設計藍圖:

IC 設計中,邏輯合成這個步驟便是將無誤的 HDL code,放入 EDA tool,讓電腦將 HDL code 轉換成邏輯電路,產生電路圖。之後,就是確定此設計圖是否符合規格。

(資料來源: 電子說)
(資料來源: 電子說)

4. 電路佈局、繞線、光罩疊層:

將合成完的程式碼再放入另一套 EDA tool,進行電路佈局與佈線。在經過檢測後,便會形成相關的電路圖。

如下圖所示,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。

(資料來源: 電子說)
(資料來源: 電子說)

最後層層光罩,疊起一顆晶片。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。以 CMOS 光罩示意圖為例,左邊為經過電路佈局與繞線後形成的電路圖,每種顏色代表一張光罩。右邊則是將每張光罩攤開的樣子。製作時,便由最底層開始,逐層製作,完成晶片。

IC 設計架構小學堂:

RISC 和 CISC 是目前 CPU 的兩種主要架構,區別在於不同的 CPU 設計理念和方法。

CISC 是一種微處理器指令集架構 (ISA),每個指令可執行一些低階操作,如從記憶體讀取、儲存、和計算操作,全部集中於單一指令中。

RISC 對指令數目和定址方式都做簡化,使其更容易實現想要的工作內容,指令並存執行程度更好,編譯器的效率更高,使它能夠以更快的速度執行操作。

目前市場存在的主流四大晶片架構,一是以英特爾為首,基於 CISC 的 X86 架構;二是以 RISC 原理的 ARM、MIPS、RISCV 三大架構。

X86 架構主要是用於電腦語言指令集。ARM 架構是一個 32 位元為主的精簡指令集處理器架構,其大量使用在許多嵌入式系統設計。

ARM 由於節能的特點,ARM 處理器非常適用於行動通訊領域,符合其主要設計目標為低耗電特性。

MIPS 架構是一種採取 RISC 的處理器架構。1981 年由 MIPS 科技公司開發並授權。它是基於一種固定長度的定期編碼指令集。而在改良後,這種架構可支援高階語言的優化執行。其算術和邏輯運算採用三個運算元的形式,允許編譯器優化複雜的表達式。

RISC-V 架構則是基於精簡指令集計算 RISC 原理建立的開放指令集架構。RISC-V 是在指令集不斷發展和成熟的基礎上建立的全新指令。

RISC-V 指令集完全開源,設計簡單,易於移植 Unix 系統,模組化設計,完整工具鏈,同時有大量的開源實現和流片案例,得到很多 IC 設計公司的認同。

而在美中貿易戰中,華為已預判未來若採用 ARM 架構將影響其發展,目前已漸漸轉向設計 RISC-V 架構的產品。


深度觀察 | 鉅亨網記者、編輯群們

茫茫的訊息海中,如何解讀新聞時事背後的意涵,就讓鉅亨網內部的記者、編輯團隊,提供讀者最深入的分析觀察,協助做出更精準的投資決策。

延伸閱讀

留言載入中...