【集成电路 - -芯片】

芯片产业链 - - 芯片系统架构

芯片，又称微电路（micricircuit），微芯片（micrichip）.集成电路（IC）是指内含集成电路的硅片，体积很小，常常是计算机和其他电子设备的一部分.作为智能电器的核心部件，芯片一直充当着“大脑”的角色。从电脑、手机，到汽车、无人机，再到人工智能、脑机接口等，芯片可谓无所不在。
芯片，指的是内含集成电路的硅片，所以芯片又被称集成电路，可能只有2.5厘米见方大小，但是却包含几千万个晶体管，而较简单的处理器可能在几毫米见方的芯片上刻有几千个晶体管。芯片是电子设备中最重要的部分，承担着运算和存储的功能。
芯片体积微小，制造却极其复杂。以手机的核心处理器为例，在显微镜下，指甲盖大小的芯片上集成了数百亿的晶体管，仿佛一个微型世界。而半导体厂商Cerebras Systems生产的目前最大的AI芯片WSE，基于台积电16纳米工艺，更集成了1.2万亿个晶体管，40万个AI核心。16纳米工艺，意味着在芯片中，线最小可以做到16纳米的尺寸。制程缩小，则可以在更小的芯片中塞入更多的晶体管，芯片性能提升就更加明显。
可以说，芯片之于信息科技时代，是类似煤与石油之于工业时代的重要存在。
集成电路，英文为Integrated Circuit，缩写为IC；顾名思义，就是把一定数量的常用电子元件，如电阻、电容、晶体管等，以及这些元件之间的连线，通过半导体工艺集成在一起的具有特定功能的电路。
微电子
所谓微电子，是相对于“强电”，“弱电”的等概念而言的，是指他处理的电子信号极其微弱，它是现代信息技术的基础.
芯片的本质
芯片的本质是半导体加集成电路，它是一种把电路小型化并制造在一块半导体晶圆上，一种具有特殊功能的微型电路。为什么这个东西叫芯片呢？片是因为形状，而芯的意思是电子设备的心脏、大脑、中枢，所以管它叫芯片。正是这个名字，很多人对芯片有误解，认为只有像电脑里CPU那种才是芯片。电脑中的CPU属于逻辑芯片，可以逻辑控制，有运算能力。但是芯片还有很多类型，比如5G、Wi-Fi、蓝牙这种通信芯片，还有像内存、优盘里的存储芯片，还包括手机里陀螺仪那种传感芯片等等。
为什么芯片一定要是半导体
在半导体之前，人类只能用机械控制电，但是有了半导体之后，人类才可以直接用电来控制电，控制能力得到质的飞跃。20世纪初，量子力学的发展让人类发现了半导体这种关键材料。只靠施加电压变化，就能实现它在半导体和绝缘体之间的切换，这才把人类从电气时代带进了电子时代。
通过半导体，人类终于可以实现用电这个高级物理形式来控制电这个高级能量形式，处理信息的能力大大提升了。所以，芯片必须是半导体材料，这个本质也是芯片开启信息时代的根本原因。
芯片还有一个本质就是集成电路
以前人类组装单独的器件是焊接起来，现在的技术就像是微雕，在一个非常小的东西上，直接刻画出这些线路。这个非常小的东西就是半导体衬底，刻刀就是光刻机，只不过这把刀不是金属，而是激光，非常非常细。
现在已经能刻出纳米尺寸，可以在一块一厘米见方的芯片里，集成100多亿个晶体管，它的复杂程度真的远超你的想象。
芯片种类
芯片实际上是一片载有集成电路的元件，大致可以分为两类，一类为功能芯片，如CPU、通讯基站的处理芯片等；第二类为存储芯片，比如电脑中的闪存。电脑中的CPU属于逻辑芯片，可以逻辑控制，有运算能力。但是芯片还有很多类型，比如5G、Wi-Fi、蓝牙这种通信芯片，还有像内存、优盘里的存储芯片，还包括手机里陀螺仪那种传感芯片等等。
芯片原理
制作芯片的主要原材料是硅，通常而言是从砂石之中提炼而出，把沙子中的二氧化硅融化然后还原，最后得到硅单质。然后再在硅单质上进行掺杂，左侧掺入硼元素，右侧掺入磷元素。
掺杂的主要原因是由于硅单质本身不导电，而硅元素周围有四个电子，相当于四个空穴，硼元素周边只有三个电子，相对硅而言缺少了一个电子，因此以空穴导电为主，称之为P型半导体。而磷元素周围有五个电子，相比硅多一个，因此称为N型半导体。两者相结合，也就成为上述的PN结。
PN结的主要特点在于，只有在左侧加正极右侧加负极电流才能通过，如果把电流方向掉转，那么电流是不流通的，这也就是二极管。这样做我们便可以通过这些只能进行单向电流流通的二极管做出许多操作，比如与或非门等等.
芯片是一种集成电路，由大量的晶体管构成。不同的芯片有不同的集成规模，大到几亿；小到几十、几百个晶体管。晶体管有两种状态，开和关，用1、0来表示。
芯片生产是一个点砂成金的过程，从砂子到晶圆再到芯片，价值密度直线飙升.
芯片的基本单位——晶体管
所谓晶体管是一种半导体器件，放大器或电控开关常用。由于其相应速度快，准确性高，可以用于各种数字和模拟功能，包括放大、开关、稳压、信号调制和振荡器。晶体管可独立包装或在一个非常小的的区域，可容纳一亿或更多的晶体管集成电路的一部分，这也是为什么CPU中可以集成如此多晶体管的原因。
芯片的基础
芯片，作为最重要的半导体产品，实现了特定功能。比如电脑CPU实现了计算、显示、读写内存硬盘数据、接受鼠标键盘输入等等丰富的功能。
那大家有没有想过，芯片的基础是什么？
可能有人马上会想到硅，硅作为半导体材料是芯片的基础。可是喝水的玻璃杯也有硅呀，它就不值钱，所以硅不是根本基础。芯片为什么要用硅？是因为要在硅上面制造集成电路！硅的特点是能在很小的面积上集成大量的电路器件。
这么说芯片的基础是电路？电路有很多种，家里的灯泡和开关也组成一个电路，这和芯片没啥关系。芯片用到的是逻辑电路。
再试一次，芯片的基础是逻辑电路？呃，已经很接近了，但是还不是，逻辑电路是做逻辑运算的，逻辑运算也叫布尔代数运算。
所以，芯片的根本基础是数学！更具体的说是布尔代数！
布尔代数
了解最基本的布尔代数，你就会知道机器是怎么运算，也就明白了芯片要怎样设计。
接下来我就介绍一下二进制和布尔代数。
布尔代数的起源，是希望用数学表达人的逻辑思维。
其中和计算机相关的是几个重要的布尔运算：
1、与 运算

A和B都是真，做运算的结果才是真。
2、或 运算

3、非 运算

4、异或 运算

就是A和B不能一样
除了上面4种布尔运算，还有与非、或非、异或非运算。从异或运算可以看出，全部的运算都可以由与、或、非运算结合产生。
二进制运算
咱们接着讲二进制运算。
二进制就是用0、1表示一切数字，每一位上只能是0和1，到了2就要进位。
比如，十进制的2，用二进制表示就得进位了，变成两位数10，而十进制3就是11。

二进制计算

前三种情况不需要进位，后一种情况和S是一个两位二进制数，所以需要进位，我们单独设置一个进位标识C。
二进制的加法和上面介绍的布尔运算是一样的：
加法的和就是两个加数的异或运算加法的进位标识就是两个加数的与运算我们用布尔运算符做个逻辑图，就是这样的：

怎么做出实际能用的芯片呢？
首先我们需要有和上面布尔运算符对应的电子元件，实现同样的功能。然后按照设计把这些元件连接起来。这样就有了实际的电路，这种电路就叫门电路。实现了上面布尔运算的元件就叫门元件。
最终，我们要在硅片上面制作出这种门元件，这样就在硅片上面实现了门电路，也就是集成电路。
最后，再把这个集成电路切割下来，把输入输出引脚做好，然后封装，一个完整的芯片就产生了！
高大上的芯片设计流程
芯片行业包括一个庞大而复杂的产业链，整体上可以分为设计、制造、封装、测试四大环节。在封装、测试方面，中国已经处于世界领先地位。
一颗芯片的诞生，可以分为设计与制造两个环节。芯片制造的过程就如同用乐高盖房子一样，先有晶圆作为地基，再层层往上叠的芯片制造流程后，就可产出想要的IC 芯片，然而，没有设计图，拥有再强大的制造能力也无济于事。
在 IC 生产流程中，IC 多由专业 IC 设计公司进行规划、设计，像是联发科、高通、Intel 等知名大厂，都自行设计各自的 IC 芯片，提供不同规格、效能的芯片给下游厂商选择。所以，IC设计是整个芯片成型最重要的一环。
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。
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逻辑设计），后端设计（物理设计）。
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逻辑设计），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。
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。
芯片制造全工艺流程
芯片一般是指集成电路的载体，也是集成电路经过设计、制造、封装、测试后的结果，通常是一个可以立即使用的独立的整体。如果把中央处理器CPU比喻为整个电脑系统的心脏，那么主板上的芯片组就是整个身体的躯干。对于主板而言，芯片组几乎决定了这块主板的功能，进而影响到整个电脑系统性能的发挥，芯片组是主板的灵魂。

版图GDSII文件的数据格式和解析方法

GDSII流格式，常见的缩写GDSII，是一个数据库文件格式。它用于集成电路版图的数据转换，并成为事实上的工业标准。GDSII是一个二进制文件，其中含有集成电路版图中的平面的几何形状，文本或标签，以及其他有关信息并可以由层次结构组成。GDSII数据可用于重建所有或部分的版图信息。它可以用作制作光刻掩膜版。
GDSII文件的所有数据都是由一连串的数据块链接组成的。这些数据块大体上可分为文件头，模块结构头，图素头，图素，图素尾，模块结构尾，文件尾这几个部分，每个部分包含若干个模块，有些模块是必须包含的，另外一些则为可选的模块。每模块的前四个字节标志了该部分的元信息，第一二字节描述了该部分的size，第三四字节描述了该部分的type。

当有了芯片的需求和架构之后，设计人员就要先整体后模块地去进行了解了，功能、性能、参数、功耗、面积、时序…都是设计人员在设计过程中要关注的。而验证是贯穿于芯片设计整个流程的，从芯片设计的最初环节开始，到代码实现，再到流片。
换句话说，设计和验证是更加具备全流程角度和系统角度的，相应的，在晋升的时候就更有优势。
IC行业的壁垒如此之高，伴随着摩尔定律和行业发展，细分岗位也就多了起来。不同的岗位的工程师都可以朝着高级、资深、专家去发展。
每个岗位的上限都可以很高，例如版图，要成为资深layout ，可以横向拓宽在模拟验证/设计以及芯片制造封装的知识。深入了解工艺、半导体物理（经典的比如latch up的原因，等效电路图，解决办法）、以及设计，有些可能还要会写脚本。其中工艺和半导体物理是进阶的必要条件。

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