晶片是怎麼設計出來的？IC 設計在做什麼

一句話：晶片是先在電腦上設計好、檢查很多遍，才交給晶圓廠做出來的。IC 設計（IC 是積體電路，晶片的正式名字）做的就是這一段：決定晶片要做什麼，把電路寫出來，確認它做得對，再排成一層一層的圖形，交出去做成光罩。

設計和晶圓廠的工作差在哪，「IC 設計（VLSI）和晶圓廠的工作差在哪？」講過；這篇講設計怎麼一步一步走。

設計一顆晶片，有哪幾步？

像蓋房子：先定需求、畫圖、檢查，送審過了才開工。數位晶片的設計大致是：

1. 規格：要做什麼、多快、多省電。
2. 寫出行為：用硬體描述語言，把電路要做的事寫出來。
3. 驗證：確認它做的事跟規格一樣。
4. 合成：變成一個個邏輯閘。
5. 佈局繞線：決定每個邏輯閘擺哪裡、線怎麼連。
6. 檢查：做不做得出來、時間來不來得及。
7. 下線：交給晶圓廠做光罩。

實際上常要回頭改好幾次。

規格要定什麼？

規格是晶片的「需求單」：做哪些事、跑多快、最多用多少電、面積多大。晶片越大，一片晶圓排得下的越少，每一顆就越貴。

這幾樣常互相拉扯：要快，常得多放電路、多用電；要省電，可能就慢一點。靠一顆小電池撐很久的東西，省電就排第一。

電路怎麼「寫」出來？

一顆手機晶片有上百億個電晶體（電晶體是什麼？），不可能一個一個畫。數位電路多半用硬體描述語言（HDL），把電路的行為寫成文字。

它寫起來像寫程式，差別是：程式照順序一行一行做；硬體描述語言寫的是電路，很多部分同時在動。

大部分數位電路跟著一個固定的節拍動作，叫時脈，像節拍器。常見的寫法是寫清楚：每一拍，資料從哪裡來、經過什麼計算、存到哪裡，常叫 RTL。

驗證為什麼這麼花力氣？

驗證是確認寫出來的電路，做的事跟規格一樣。一般的說法是，它常佔掉設計工作裡很大一塊，因為：

• 試不完：輸入的組合，加上電路裡記著的狀態，多到不可能一個一個試。
• 錯誤躲在少見的情況裡：平常都對，兩件事剛好同時發生才出錯。
• 漏掉很貴：下線後才發現，就得改設計、重做光罩。

常用的辦法有三種：

• 模擬：在電腦上給電路各種輸入，看輸出對不對，像出很多考題。
• 形式驗證：不出題，用數學證明某些事一定成立，例如「這兩個訊號絕不會同時打開」。
• 先跑跑看：把設計放進一種可以重新寫入電路的晶片（FPGA），實際跑起來。

寫好的行為，怎麼變成電路？

這一步叫合成：設計軟體把寫好的行為，翻成邏輯閘接成的電路。邏輯閘是幾個電晶體接成的小電路，例如「兩個都是 1，才出 1」（記憶體和處理器差在哪？）。

翻的時候用一套元件庫：事先設計好、驗證過的小積木，有各種邏輯閘，也有記住一個 0 或 1 的小電路。每一塊一樣高、寬度不同，可以一排一排排好，像積木。同一種邏輯閘換一代製程，大小和速度都不一樣，所以元件庫是照某一家晶圓廠的某一代製程做的。

每個東西放哪裡、線怎麼連？

合成出來的是一張「誰接誰」的清單，還沒有位置。佈局繞線把它變成真的圖形：

1. 分區：大塊的電路放哪裡、電從哪裡送進來。
2. 擺放：把邏輯閘擺進去，常互相連的放近一點。
3. 送時脈：節拍要差不多同時送到晶片的每一處。
4. 拉線：好幾層導線疊在一起，像立體交叉的道路，線在這幾層裡繞。

做完，每一層是一張圖形，叫版圖；之後每一層至少做一片光罩。

交出去之前，要檢查什麼？

全部過了才能交出去，這一關常叫簽核（sign-off）：

• 做不做得出來：晶圓廠有一套設計規則，例如線最細能多細、兩條線最近能多近。設計軟體把版圖一條一條比對，叫設計規則檢查（DRC）。
• 畫的和寫的是不是同一個：把版圖反推回電路，跟原本的比，叫 LVS。
• 時間來不來得及：每一拍，訊號都要在下一拍之前跑到；最慢的那條路，決定晶片能跑多快。工廠做出來的電晶體會偏快、偏慢，這幾種偏法叫角落：偏慢時要來得及，偏快時也不能出錯。
• 之後能不能測：先加進測試用的電路，讓測試機能檢查每一顆的裡面（晶片怎麼測試？）。

下線（tape-out）是什麼？

檢查都過了，把最後的設計檔交給晶圓廠，叫下線，英文 tape-out。常見的說法是，早年設計檔存在紙帶、磁帶上交出去，名字就留了下來。

下線後還想改，就得重做光罩：又貴、又要多等好幾個月。下線也不是結束：晶片做出來還要測，看是不是真的照規格動；有問題，就改設計、再下線一次。下線和投片差在哪，見「投片是什麼？」。

類比電路也這樣設計嗎？

不完全。類比電路處理連續變化的訊號，例如聲音、電壓、無線電（類比晶片和數位晶片差在哪？）。它多半更靠手工：

• 每個電晶體多大、怎麼接，常是工程師自己決定，再用電路模擬一遍一遍調。
• 版圖也常自己畫。類比電路對擺法很敏感：兩個要一模一樣的電晶體，要擺得對稱、靠近；旁邊有很吵的電路，就容易被干擾。

自動化的工具也在進步，但還是很靠經驗。

設計和晶圓廠怎麼合作？

設計要照晶圓廠做得到的事來畫，所以兩邊一開始就要接上：

• 開始前：晶圓廠給一套設計用的檔案，常叫製程設計套件（PDK）：設計規則、電晶體的模型（通常有中間值和幾個角落）、檢查用的規則檔；元件庫有時也在裡面，有時由別人照這一代製程另外做。
• 下線之後：做好光罩、投片。新晶片最早的幾批是試產：設計的人看測試結果，晶圓廠的人找是哪一步的問題。

設計和製造常分在不同公司（新聞說的 IC 設計、晶圓代工、IDM 差在哪？）；自己設計、自己做的公司，也一樣要照這一套規則。

在 fab24hr 裡

遊戲裡沒有設計晶片的位子；主線「晶片的一生」從下線之後開始。第一次玩主線，會先看到序章「下線」：一家做助聽器的小公司第一次自己設計的晶片「螢火」，交給晶圓廠做成一套光罩。

第 1 章「12 片怎麼分」在投片前一天，你是研發線的研發整合工程師：同一張設計圖，工廠做出來一定有偏差，所以第一批 12 片要故意把幾片做偏快、偏慢，看設計撐不撐得住（研發整合工程師在做什麼？）。第 3 章「壞的形狀」，下一版光罩下週定案，你要決定要不要在晶片裡留位置給自己的測試鍵，可是面積是客戶的。

遊戲裡的公司、晶片和人物都是虛構的；設計的流程照公開的一般資料寫，每家公司做法不一樣。其他行話可以到「半導體晶圓廠的行話，白話解釋」查。