晶片驗證是什麼？下線前怎麼確定設計是對的

晶片驗證（也叫設計驗證、功能驗證）是在晶片做出來之前，確認設計做的事跟規格一樣。設計的人把電路寫好，驗證的人在電腦上給它出很多考題、看答案對不對；都確定了，才下線，交給晶圓廠。它查的是「設計圖」對不對，不是某一顆做出來的晶片好不好。

設計整個怎麼走，見「晶片是怎麼設計出來的？」；這篇把其中「驗證」那一步拆開來講。

為什麼要在做出來之前先驗證？

因為晶片一做出來，電路就改不了。設計交出去之後，要先做一整套光罩（光罩是什麼？），再投片，在晶圓廠走上好幾個月。

這時才發現設計錯了，就得改設計、重做光罩、重新投片，錢和好幾個月一起賠進去（晶片為什麼這麼貴？）。而且設計錯了，做出來的每一顆都一樣錯。

所以大家寧可在電腦上多花時間找錯。一般的說法是，驗證常佔掉設計工作裡很大一塊。

驗證怎麼做？一步一步看

第 1 步：對著規格，列出要考什麼

驗證的人先讀規格，把晶片該做的每一件事列成清單：有哪些功能、遇到什麼情況該怎麼反應。考題要照規格出，不能照設計的人寫的電路出：照著電路出題，寫錯的地方也會被當成對的。沒有這份清單，就說不出「驗完了沒有」。

第 2 步：模擬：給輸入，看輸出對不對

模擬是讓電腦假裝自己是這顆晶片，一拍一拍算出每條線是 0 還是 1。驗證的人搭一個「考場」：送進輸入，把輸出跟標準答案比；標準答案常由另外寫的簡單版本算出來。晶片說到底，是很多邏輯閘照輸入決定輸出（邏輯閘是什麼？）；在電腦上每一條線都看得到，哪裡算錯，一查就找得到。

除了自己出的題，也讓電腦照規則隨機出很多題，碰碰人想不到的組合。設計每改一次，以前的考題就全部重跑一次，確定改好了這裡、沒弄壞那裡。跳過這一步，設計裡的錯就要等晶片做回來才會發現，那時再改就要重做光罩。

第 3 步：看覆蓋率：還有哪些情況沒考到

考的時候，電腦會記下電路的哪些部分動到了、清單上哪些情況出現過，這叫覆蓋率。考題全對，不代表電路沒錯，可能只是錯的地方還沒考到；覆蓋率指出還缺哪些題，再去補。只看「全部通過」就交出去，沒考到的那一角，常就是之後出事的地方。

第 4 步：形式驗證：用數學證明一定成立

模擬再多，也只能試有限的題目。例如兩個 32 位元的數（各用 32 個 0 或 1 寫成）相加，輸入的組合有 2 的 64 次方種；就算一秒試十億種，也要試五百多年。

形式驗證不出題，而是用數學把所有可能一起想完，證明某件事一定成立，例如「這兩個訊號絕不會同時打開」，或「寫好的行為和合成出來的邏輯閘電路，做的事一模一樣」。不用它，那些很少見、模擬碰不到的組合，就可能一直躲在設計裡。它的限制是電路一大，要想的可能多到算不完，所以像第一個例子那樣的證明，常用在比較小、又特別要緊的部分，跟模擬搭著用。

第 5 步：放到可以重寫的硬體上，跑快一點

軟體模擬要一拍一拍算，整顆大晶片跑起來很慢。所以也會把設計放進一種可以重新寫入電路的晶片（FPGA），或專門用來模仿晶片的大型機器，讓電路真的動起來，快很多。快到可以先把要在這顆晶片上跑的軟體跑起來，看兩邊配不配合；不然軟體要等晶片做回來才能開始試，又多等好幾個月。

第 6 步：來不來得及、電夠不夠、做不做得出來

前面看的是「做的事對不對」。電路排成一層層的圖形（版圖）之後，還要查：訊號在每一拍之內來不來得及跑到，而且工廠做偏快、偏慢的幾種角落都要過；電從外面送到每一處，電壓會不會掉太多、會不會太耗電；圖形合不合晶圓廠的設計規則。功能全對的電路，訊號慢了一點、電壓低了一點，照樣會算錯；不合規則，就做不出來。這些檢查大多靠設計軟體（EDA 是什麼？）。

第 7 步：簽核，下線

每一項檢查都確認過了，這一關常叫簽核（sign-off）。接著把最後的設計檔交給晶圓廠，就是下線（下線（tape-out）是什麼？）。之後再改就要重做光罩，所以要有一條清楚的「到這裡為止」。

第 8 步：晶片做回來，再實際測一次

第一批晶片做回來，裝在專門的板子上通電，讓它真的跑：功能對不對、在不同電壓和溫度下穩不穩、跟軟體配不配合。這叫矽後驗證（post-silicon validation）。電腦上的模型再仔細，也只是模型；有些問題要真的晶片跑得夠快、夠久才會出現，也有些是前面漏掉的。難的是晶片裡的線大多看不到，只能從外面看結果，找原因比在電腦上難得多。找到設計的錯，就改設計、再下線一次。

驗證跟晶圓廠的量測、測試，差在哪？

三件事都在確認「對不對」，查的東西不一樣：

	晶片驗證	量測與檢測	晶片測試
查什麼	設計圖對不對	重要的步驟做得對不對，例如膜多厚、線多寬	做出來的這一顆有沒有壞
什麼時候	下線之前，大多在電腦上	在晶圓廠，做到一半	通常晶圓做完、包好之後各一次，每一顆都測
錯了會怎樣	每一顆都一樣錯	這一批、這幾片出問題	壞的那一顆挑掉

像蓋房子：驗證是開工前檢查設計圖，量測是蓋的時候量牆直不直，測試是交屋前每一間開水開電試一次。設計圖算錯了，每一間都照錯的圖蓋；設計圖對了，某一間也可能蓋壞。兩邊怎麼做，見「晶圓廠怎麼知道做對了沒？」和「晶片怎麼測試？」。

在晶圓廠和封測廠，「驗證」也常指新產品做出來之後的可靠度測試等別的事；這篇講的是設計的驗證。

在 fab24hr 裡

遊戲裡沒有設計或驗證晶片的位子；主線「晶片的一生」從下線之後開始。第一次玩，會先看到序章「下線」：助聽器晶片「螢火」的設計做完、檢查過，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，看設計在真的晶圓上撐不撐得住。第 10 章「待機電流」在封測廠，資深測試工程師鄭姐說，測試程式的上限是照設計模擬定的第一版；真的晶片回來，邊緣那一圈剛好卡在上限附近。

遊戲裡的公司、晶片和人物都是虛構的；驗證的做法照公開的一般資料寫，各家做法不一樣。其他行話可以到「半導體晶圓廠的行話，白話解釋」查。