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你应该知道的半导体芯片知识科普

小蜜蜂2019-06-11半导体技术精帖1408

尺寸缩小有其物理限制

不过，制程并不能无限制的缩小，当我们将晶体管缩小到 20 奈米左右时，就会遇到量子物理中的问题，让晶体管有漏电的现象，抵销缩小 L 时获得的效益。作为改善方式，就是导入 FinFET(Tri-Gate)这个概念，如右上图。在 Intel 以前所做的解释中，可以知道藉由导入这个技术，能减少因物理现象所导致的漏电现象。

更重要的是，藉由这个方法可以增加 Gate 端和下层的接触面积。在传统的做法中(左上图)，接触面只有一个平面，但是采用 FinFET(Tri-Gate)这个技术后，接触面将变成立体，可以轻易的增加接触面积，这样就可以在保持一样的接触面积下让 Source-Drain 端变得更小，对缩小尺寸有相当大的帮助。

最后，则是为什么会有人说各大厂进入 10 奈米制程将面临相当严峻的挑战，主因是 1 颗原子的大小大约为 0.1 奈米，在 10 奈米的情况下，一条线只有不到 100 颗原子，在制作上相当困难，而且只要有一个原子的缺陷，像是在制作过程中有原子掉出或是有杂质，就会产生不知名的现象，影响产品的良率。

如果无法想象这个难度，可以做个小实验。在桌上用 100 个小珠子排成一个 10×10 的正方形，并且剪裁一张纸盖在珠子上，接着用小刷子把旁边的的珠子刷掉，最后使他形成一个 10×5 的长方形。这样就可以知道各大厂所面临到的困境，以及达成这个目标究竟是多么艰巨。

随着三星以及台积电在近期将完成 14 奈米、16 奈米 FinFET 的量产，两者都想争夺 Apple 下一代的 iPhone 芯片代工，我们将看到相当精彩的商业竞争，同时也将获得更加省电、轻薄的手机，要感谢摩尔定律所带来的好处呢。

在前面已经介绍过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，再层层往上迭的芯片制造流程后，就可产出必要的 IC 芯片。然而，没有设计图，拥有再强制造能力都没有用，因此，建筑师的角色相当重要。但是 IC 设计中的建筑师究竟是谁呢?接下来要针对 IC 设计做介绍。

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。因为 IC 是由各厂自行设计，所以 IC 设计十分仰赖工程师的技术，工程师的素质影响着一间企业的价值。然而，工程师们在设计一颗 IC 芯片时，究竟有那些步骤?设计流程可以简单分成如下。

设计第一步，订定目标

在 IC 设计中，最重要的步骤就是规格制定。这个步骤就像是在设计建筑前，先决定要几间房间、浴室，有什么建筑法规需要遵守，在确定好所有的功能之后在进行设计，这样才不用再花额外的时间进行后续修改。IC 设计也需要经过类似的步骤，才能确保设计出来的芯片不会有任何差错。

规格制定的第一步便是确定 IC 的目的、效能为何，对大方向做设定。接着是察看有哪些协议要符合，像无线网卡的芯片就需要符合 IEEE 802.11 等规范，不然，这芯片将无法和市面上的产品兼容，使它无法和其他设备联机。最后则是确立这颗 IC 的实作方法，将不同功能分配成不同的单元，并确立不同单元间链接的方法，如此便完成规格的制定。

设计完规格后，接着就是设计芯片的细节了。这个步骤就像初步记下建筑的规画，将整体轮廓描绘出来，方便后续制图。在 IC 芯片中，便是使用硬件描述语言(HDL)将电路描写出来。常使用的 HDL 有 Verilog、VHDL 等，藉由程序代码便可轻易地将一颗 IC 地菜单达出来。接着就是检查程序功能的正确性并持续修改，直到它满足期望的功能为止。

▲ 32 bits 加法器的 Verilog 范例。

有了计算机，事情都变得容易

有了完整规画后，接下来便是画出平面的设计蓝图。在 IC 设计中，逻辑合成这个步骤便是将确定无误的 HDL code，放入电子设计自动化工具(EDA tool)，让计算机将 HDL code 转换成逻辑电路，产生如下的电路图。之后，反复的确定此逻辑闸设计图是否符合规格并修改，直到功能正确为止。

▲ 控制单元合成后的结果。

最后，将合成完的程序代码再放入另一套 EDA tool，进行电路布局与绕线(Place And Route)。在经过不断的检测后，便会形成如下的电路图。图中可以看到蓝、红、绿、黄等不同颜色，每种不同的颜色就代表着一张光罩。至于光罩究竟要如何运用呢?

▲ 常用的演算芯片- FFT 芯片，完成电路布局与绕线的结果。

层层光罩，迭起一颗芯片

首先，目前已经知道一颗 IC 会产生多张的光罩，这些光罩有上下层的分别，每层有各自的任务。下图为简单的光罩例子，以集成电路中最基本的组件 CMOS 为范例，CMOS 全名为互补式金属氧化物半导体(Complementary metal–oxide–semiconductor)，也就是将 NMOS 和 PMOS 两者做结合，形成 CMOS。至于什么是金属氧化物半导体(MOS)?这种在芯片中广泛使用的组件比较难说明，一般读者也较难弄清，在这里就不多加细究。

下图中，左边就是经过电路布局与绕线后形成的电路图，在前面已经知道每种颜色便代表一张光罩。右边则是将每张光罩摊开的样子。制作是，便由底层开始，依循上一篇 IC 芯片的制造中所提的方法，逐层制作，最后便会产生期望的芯片了。

至此，对于 IC 设计应该有初步的了解，整体看来就很清楚 IC 设计是一门非常复杂的专业，也多亏了计算机辅助软件的成熟，让 IC 设计得以加速。IC 设计厂十分依赖工程师的智能，这里所述的每个步骤都有其专门的知识，皆可独立成多门专业的课程，像是撰写硬件描述语言就不单纯的只需要熟悉程序语言，还需要了解逻辑电路是如何运作、如何将所需的算法转换成程序、合成软件是如何将程序转换成逻辑闸等问题。

然而，使用以上这些封装法，会耗费掉相当大的体积。像现在的行动装置、穿戴装置等，需要相当多种组件，如果各个组件都独立封装，组合起来将耗费非常大的空间，因此目前有两种方法，可满足缩小体积的要求，分别为 SoC(System On Chip)以及 SiP(System In Packet)。

在智能型手机刚兴起时，在各大财经杂志上皆可发现 SoC 这个名词，然而 SoC 究竟是什么东西?简单来说，就是将原本不同功能的 IC，整合在一颗芯片中。藉由这个方法，不单可以缩小体积，还可以缩小不同 IC 间的距离，提升芯片的计算速度。至于制作方法，便是在 IC 设计时间时，将各个不同的 IC 放在一起，再透过先前介绍的设计流程，制作成一张光罩。

然而，SoC 并非只有优点，要设计一颗 SoC 需要相当多的技术配合。IC 芯片各自封装时，各有封装外部保护，且 IC 与 IC 间的距离较远，比较不会发生交互干扰的情形。但是，当将所有 IC 都包装在一起时，就是噩梦的开始。IC 设计厂要从原先的单纯设计 IC，变成了解并整合各个功能的 IC，增加工程师的工作量。此外，也会遇到很多的状况，像是通讯芯片的高频讯号可能会影响其他功能的 IC 等情形。

此外，SoC 还需要获得其他厂商的 IP(intellectual property)授权，才能将别人设计好的组件放到 SoC 中。因为制作 SoC 需要获得整颗 IC 的设计细节，才能做成完整的光罩，这同时也增加了 SoC 的设计成本。或许会有人质疑何不自己设计一颗就好了呢?因为设计各种 IC 需要大量和该 IC 相关的知识，只有像 Apple 这样多金的企业，才有预算能从各知名企业挖角顶尖工程师，以设计一颗全新的 IC，透过合作授权还是比自行研发划算多了。

折衷方案，SiP 现身

作为替代方案，SiP 跃上整合芯片的舞台。和 SoC 不同，它是购买各家的 IC，在最后一次封装这些 IC，如此便少了 IP 授权这一步，大幅减少设计成本。此外，因为它们是各自独立的 IC，彼此的干扰程度大幅下降。

▲ Apple Watch 采用 SiP 技术将整个计算机架构封装成一颗芯片，不单满足期望的效能还缩小体积，让手表有更多的空间放电池.

采用 SiP 技术的产品，最著名的非 Apple Watch 莫属。因为 Watch 的内部空间太小，它无法采用传统的技术，SoC 的设计成本又太高，SiP 成了首要之选。藉由 SiP 技术，不单可缩小体积，还可拉近各个 IC 间的距离，成为可行的折衷方案。下图便是 Apple Watch 芯片的结构图，可以看到相当多的 IC 包含在其中。