芯片的研发流程大体可分为两大部分:一是在Design House

完成的芯片设计,二是 TO 之后转到 Foundry 的 NTO 流片。

二、芯片设计的流程

芯片设计分为前、后端两大部分,前端主要做逻辑设计,后端做物理设计。


.流程说明

1.1 功能规格定义

每一颗芯片都有其特定的使用场景,开发之前,先要对芯片的使用场景、功能、性能做需求分析,然后将需求分析结果,最终转化为具体功能和规格指标。

比如:应用于手机的处理器,8核,3.2GHz,运行内存12G,工艺节点:7nm;加法器,可实现加法功能等。

规格定义完成,需要输出一份文档

1.2 架构设计

定义架构、算法和模块(IP)。

芯片架构是指对芯片的类别和属性的描述。架构一词还和语境有关,提到soc时,一般指嵌入式处理核心的类型。提到X86和ARM时,指的是指令集。

SOC(system on chip)架构,哪些是需要外购IP,哪些是自己设计。

ARM是高级精简指令集的简称,是一个32位的精简指令集处理器架构。

X86架构(The X86 architecture)是微处理器执行的计算机语言指令集,指一个intel通用计算机系列的标准编号缩写,也标识一套通用的计算机指令集合

芯片架构的设计直接决定了芯片能够执行什么样的功能、处理速度和效率;不同的芯片架构在实现相同功能时,所需要的硬件复杂程度、制造成本、功耗等方面都有所不同;芯片架构的设计也决定了芯片与外部组件之间的连接方式,包括通信接口、数据传输速度等。

1.3 芯片设计(搭建模块)

PPR:power、performance、Area

电路:电路仿真和性能测试

开发,形成逻辑门:RTL

定义:使用HDL(hard )将各个功能模块,用代码组织起来。包括:高速接口的Verilog设计实现;从图像算法到RTL设计实现等。

硬件描述语言:Verilog和VHDL

语法入门:Verilog,以Module开始,End Module结束:

前端:RTL

RTL(Register Transfer Level,寄存器传输级)指:不关注寄存器和组合逻辑的细节(如使用了多少逻辑门,逻辑门之间的连接拓扑结构等),通过描述寄存器到寄存器之间的逻辑功能描述电路的HDL层次。

RTL级是比门级更高的抽象层次,使用RTL级语言描述硬件电路一般比门级描述简单高效得多。RTL级语言的最重要的特性是:RTL级描述是可综合的描述层次。

此级别的建模使用编程语句和运算符表示数字功能。RTL模型是功能模型,不包含有关如何在硅中实现该功能的详细信息。由于这种抽象,复杂的数字功能可以比在详细的门级更快速、更简洁地建模。RTL模型的仿真速度也大大快于门级和开关级模型,这使得验证更大、更复杂的设计成为可能。

注:

时钟域描述:描述所使用的所有时钟,时钟之间的主从与派生关系,时钟域之间的转换;

时序逻辑描述(寄存器描述):根据时钟沿的变换,描述寄存器之间的数据传输方式;

组合逻辑描述:描述电平敏感信号的逻辑组合方式与逻辑功能。

1.4 逻辑功能仿真验证

用仿真软件,进行功能验证

时序仿真:

1.5 逻辑综合

中端:RTL-Netlist

有了完整规功能设计后,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),让电脑将 HDL code  转换成逻辑电路,产生如下的电路图。之后,反覆的确定此逻辑门设计图是否符合规格并修改,直到功能正确为止。

通过EDA工具将RTL转换为门级网表:

获得可靠的门级网表电路。

2.后端物理设计:Netlist-版图

这一部分和工艺强相关。

2.1 DFT可测试性设计:在不影响芯片结构的情况下,插入一些测试电路。

芯片的开发流程

常用工具:DFT Complier

2.2 自动布局布线流程

整体布局

CTS,时钟树布线。

寄生参数提取。

这一步要将电路设计转换为物理版图,需要确定元件的位置、形状和连线等物理特性。

将合成完的程式码再放入另一套 EDA tool,进行电路布局与绕线(Place And Route)。在经过不断的检测后,便会形成如下的版图。

常用的演算芯片- FFT 芯片,完成电路布局与绕线的结果:

布线:根据设计规则,对版图进行布线,确保电路元件的连接符合工艺要求。

DRC/LVS检查:进行设计规则检查(DRC)和布局与原理图的一致性检查(LVS),确保版图设计符合制造要求且与原始电路设计一致。

⑤ 版图物理验证(TR6)

生成GDS文件

:GDS文件是用于描述集成电路版图的文件格式。完成DRC/LVS检查后,将版图数据生成GDS文件,用于晶圆代工厂的生产。

最终检查:在提交给晶圆代工厂之前,进行最终的版图检查,确保没有遗漏或错误。

Tape Out提交:完成最终检查后,将GDS文件提交给晶圆代工厂,开始进入Foundry流程。

三、代工厂流程

补充:IPD VS. APQP

1.IPD:集成产品开发(Integrated Product Development, 简称IPD)是一套产品开发的模式、理念与方法。

2.APQP:AdvancedProduct Quality Planning,先期产品质量策划。

以下是通俗化理解:

相同点:它们都是一种结构化的流程体系,是告诉我们要怎样去干活,主要是面向产品开发时候使用。

不同点:APQP侧重于质量的目标实现;IPD侧重于商业的成功,也就是财务的回报,因此它的范围更广,并且鼓励全员参与和共同决策。

执行过程直观的不同是:

1.IPD会有一些常态的委员会设定,大概就是一群跨部门的领导组成的专门会议,然后配置会议秘书。待决策的相关事务,提交给秘书申报议题,组织会议决策。APQP则是组成跨部门的项目组,没有特别强调群体决策,也就是小组领导就可以决策;

2.项目的阶段划分不同,IPD是分为:概念、计划、开发、验证、发布,比较抽象。因为抽象,所以通用;APQP则是项目批准、样件、试产、投产,比较专注在具体产品研发过程。IPD范围更大,侧重于研发驱动的公司级流程,APQP侧重于如何确保让客户满意的产品开发流程,可以理解为APQP是IPD在产品开发环节的一个实例。

3.工具的不同,IPD不强调具体工具,什么模板能够产生好的回报就用哪个,APQP则提供了比较多的工具模板。

Charter:定义项目等级、编号、预算、里程碑、组织等。

TR是一个点,代表开始或结束的评审点。

TR1 产品需求:组织kick off启动会,进行工艺平台适配性的评估,对齐工艺需求要点,包括:可靠性需求、封装方案、ATE测试需求、衬底技术需求基本信息。确认好后,进行TR1过点,然后再完成CDCP决策。

TR2 产品规格:实现跨部门初版工程规格文件的齐套,每个工程文件都有子流程在支撑。最后汇总成初版Handbook,由QA管控整个工程文件的规范性(NTO流程,完成后就是TR2过点)

1.Reticle(Tooling)、Mask tape out确定光罩的规格,客供还是自研,利旧还是新制等

2.Golden Map/ink rule/test pad同步展开

3.Module Recipe Setup(Name)

TR3 概要设计(模组PRS):各个膜层的Control,通线lot、结构片。初版工艺Flow。验证完成后升版FLOW。过点完成概要设计。

TR4 TR4是详细设计(TD工程验证):工程批,电性结果,调整工艺Flow,Golden Tool。

TR4A:工程Flow定版(技术侧),Qual Lot,电性报告,可靠性报告

TR5:风险量产,扩机,PCRB变更控制,Flozen

补充,工艺验证:

流程:验证单及其审批、验证单集成ERP生成订

单,订单下推生产订单,生产订单下推工单到MES,MES生成领料单到WMS,WMS发料,MES收料,WaferStart LaserMark,工艺流程,验证报告,Lot终止。(通过SRC来完成)

验证单内容:用于管理的基本信息:5W1H,比如owner是谁、时间、部门、挂靠的成本中心、物料编码、开始时间、结束时间等;验证本身的信息:验证的来源、验证的目的、验证的类型、验证的方法、验证的物料、分批方式、具体条件、注意事项等。

单工艺开发:验证特定结构可以做出来

联合工艺开发:工艺之间的影响确认

Qual Lot:批量投确认最终电性ok

风险量产:进行产能爬坡

量产:产能稳定进行规模化生产

刊期:2025年第181期

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