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# 03 | 芯片设计：一颗芯片到底是如何诞生的（上）
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你好，我是邵巍。
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上一讲我介绍了一下半导体产业都有什么样的产品，并且通过拆解一部iPhone，给你展示了一部手机都需要用到多少芯片。
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那么这一讲我们来聊聊，一颗芯片，是如何诞生的呢？其实一颗芯片项目就是一个标准的产品项目，项目的起点是市场需求分析，接着是设计和制造，如果产品成功完成了商业落地，那么就可以开启下一代产品的迭代升级新周期了。
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为了方便大家记忆理解，我做了一张完整的流程图。重点有市场需求分析、芯片设计、晶圆制造、封装测试这四个流程，最后，封装测试好的芯片成品会交给设备厂商，完成电子设备硬件的制造组装和软件安装。
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你一定要记住这张图，基本上它对所有的电子设备，从指纹密码锁，到手机、PC、服务器，甚至超级计算机，都是适用的。
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因为这个流程比较长，我把它拆成了两部分，这一讲重点放在芯片的设计，下一讲我们再来看芯片的制造。
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如果只看芯片设计，它主要包含需求分析、架构设计、逻辑设计、物理实现和验证等几个部分。
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如果说芯片项目和其他产品项目有什么不同，那就是芯片项目是人类历史上最细微也是最宏大的工程，研发投入大，项目收益高，**试错成本极高**。
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以iPhone的A11应用处理器为例，这颗处理器包含43亿的晶体管，工程师们要在有限的项目时间内，实现手机应用处理器所需要完成的功能任务，还需要在88mm² 指甲盖大小的面积下放置下43亿晶体管和它们自己的连线，再要经过缜密的验证工程，以保证它在2亿台手机上都能正常工作2-3年。
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有人说芯片是人类造物的巅峰之作，我是非常认可这种说法的。
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像A11处理器这样一个项目，它的商业价值有多大呢？我来给你算算。苹果每年的手机销售约为2亿台，按照上一讲我提供给你的iPhone X物料表，A11价值27美金，乘以2亿台手机那就是总共价值54亿美金。
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苹果的应用处理器是自己设计，委托台积电代工的。因此，27美金的标价，算是成本价格了。如果购买其它同类同性能的应用处理器，可能大约要80美金的单价，这样算下来，就是160亿美金的总价值。
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让我再重复一下几个关键数字，2017年的发布的iPhone 8，采用的应用处理器A11，43亿晶体管，88mm² 指甲盖大小的面积，2亿手机销量，160亿美金的总价值。不知道你看到这组数据是什么感觉，我是被这组数据震撼到了。
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接下来，我就以苹果公司为例，先讲讲苹果是怎么走上自制芯片的道路的，然后再给你逐步揭秘芯片的设计流程。
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## 课前小故事：苹果的芯片设计路
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2005年，苹果在开始计划iPhone之前的iPod产品时，当时是先买PortalPlayer公司的，后来采用三星的现成商业芯片搭建的。
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商业芯片，英语有一个专门的词叫"off the shelf"，就是指从（超市）架子上拿下来就能用。现成的商业芯片的好处是方便易得，价格确定。不好的地方，就是挑一个100%满意的比较难。会遇到功能不完全匹配、性能有高有低、接口不够用、大厂价格贵，小厂可能供货不稳定等问题。
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站在2005年的时间点，那时高通的手机应用处理器还没有GPU，德州仪器还在为如日中天的诺基亚服务，而且没有单片的方案，需要另配基带芯片。总之，那个时候没有完美选择。
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因此苹果打算定制一款自用的芯片。我们现在知道，苹果曾经和Intel谈过定制芯片的想法，但是Intel拒绝了。于是苹果转向邀请当时为iPod供应芯片的三星为自己定制芯片。
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本来在买商业现成芯片，和定制芯片或者自制芯片之间，还有FPGA一个选择。FPGA可以通过硬件编程语言，把芯片内的标准阵列器件重新组合，形成新的电路，完成类似定制芯片的功能，可以节省投片生产的开销和时间。
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但是，代价就是单片的价格偏高，功耗偏高，因此FPGA在数据中心的应用较多，在手机终端领域极少。
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苹果这种提供产品规格需求，由三星做设计服务和生产的这种模式，业内叫设计服务。而且委托设计服务的边界，非常灵活，苹果公司可以完全不参与设计只提产品规格要求，也可以自己完成部分设计，从一小部分到绝大部分都可以，其余再交给设计公司。
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不过，这个过程其实也挺不容易，苹果在请三星设计过两代芯片之后，开始自建设计团队，最终决定自己来完成芯片设计环节。按照苹果架构师的回忆，三星实现了苹果要求的功能，但是最终的芯片并不是苹果想要的芯片。这种芯片规格书与芯片成品之间的差距，就是架构师要背的锅了。
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小故事我先讲到这里，后面也就是苹果自己做设计的故事了。回到开篇说的芯片设计流程，我们来看看，要做芯片设计的话，芯片公司都会做哪些工作呢？
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## 需求分析
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其实可以想见当时一定是有多个芯片公司，发现了手机应用处理器这个真实需求。在芯片公司发现市场需求之后，通常会进行市场调查，总结出一个通用的市场需求清单出来。一般这个需求清单，会包括主要应用场景分析、软件栈、竞争分析、性能与定位、需求量与投资回报比分析、行规与标准，主要配套芯片的市场供应情况预测等多项内容。最终形成的就是一份市场需求文档。
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每个公司的文档流程不一样，有的公司，在做市场需求文档之前，还要做商业需求文档，重点在于分析投入产出比。在市场需求文档之后，还要做深入的产品需求文档和细分的功能需求文档。
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在需求分析之后，通常会有一个立项决策会议，由内部管理层决策是否进行此产品的开发。如果顺利通过立项决策，这个芯片项目就由市场部门，转交给研发部门。
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像苹果A11这种项目，需求分析这一步，会集中在公司内部，为iPhone8服务。而如果是高通，联发科这种商业芯片公司，往往会征求主要客户的反馈，和手机厂商们对齐需求。
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## 架构设计
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我们说，一个项目是否有商业价值，主要看需求分析。而一个芯片是否做得好，80%是由架构设计决定的。
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在拿到需求分析文档后，高层设计人员，往往是以架构师为主的团队，需要开会对产品需求逐条进行可行性分析，并在此基础上确定基本架构和模块分解，最终设计出一个系统架构。我可以给你看看，苹果A12的一张系统架构图，你可以感受一下。
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在基本架构确定之后，芯片的大目标，就是对Power功耗、 Performance性能、Area面积，也就是业内常提到的PPA衡量标准，要有明确的规划，这一般也就确定了要选择的制造工厂和工艺制程。接着，芯片设计公司要把需要向供应商购买的IP和自研的IP，把它们的交付时间和接口逐一确认。苹果的CPU 核一直是自研的，GPU，则从IP供应商那里购买过很长一段时间。
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如果采用先进封装技术进行小芯片（chiplet）的设计，此时封装方案和初步的布局规划也都应该确定了。在大多数情况下，一个芯片里面只封装一个集成电路硅片，但是有时候为了更高的性能，或者高密度的设计，当然还有成本因素，需要把多个硅片封装在一起，这种技术手段就叫先进封装。
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到架构设计这一步，最终输出的就是一份产品规格书和高层架构设计文档。**这是一个将市场需求，翻译为可实现的芯片架构过程。**
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架构确定了之后，通常架构团队和算法工程师团队会建模仿真，确保功能、性能、吞吐量等指标可实现。有了一个可行的芯片设计方案和芯片原型模型之后，架构团队就可以把文档和芯片模型移交给设计团队，开始逻辑设计。设计团队，会先输出微架构或者模块设计文档，然后进入编码阶段。
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回顾一下开篇那张图，你可以理解，架构设计的输入是市场需求文档，输出是产品规格书。下一步，逻辑设计也叫前端设计，就需要拿着产品规格书，去输出RTL代码，用以生成网表（Netlist）了。
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我们在开头提到，在逻辑设计完成后，还要做物理实现，物理实现就是由RTL代码综合成门级网表，然后生成GDS II文件的过程。这里的物理实现也叫后端设计，前端和后端设计这两个部分并没有统一严格的界限，凡涉及到与物理工艺有关的设计我们就叫后端设计。我们先来看逻辑设计。
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## 逻辑设计
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#### 前端设计与验证
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前端设计（逻辑设计）一般用硬件描述语言，例如Verilog，将架构师的设计用编码实现。大型芯片项目，设计也是分层次的。先进行模块设计，底层的模块写完之后，把新写的模块、商业IP、复用的旧IP等整合在一起，形成一个完整的设计。
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其实硬件描述语言，看起来跟C语言颇为类似，不过**写C语言的人，心里想着“hello world”，写Verilog HDL的人，心里想着电路图。**
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我给你展示一段编码，用Verilog HDL写的寄存器传输级设计如下图：
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跟其它的软件项目一样，在设计的同时，验证也要并行进行。验证是芯片设计中最为耗时耗力的工序，ARM的技术白皮书有统计，一般一个项目的40%资源是用在验证阶段的。
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#### 逻辑综合
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设计验证完成之后，还有一个步骤，叫逻辑综合 （Logic Synthesis），就是用EDA工具把寄存器传输级设计RTL描述变网表（Netlist），非常类似于编译器把C语言翻译成机器语言的过程。从这一步开始，芯片的设计就和具体的晶圆代工厂和具体工艺绑定在一起，设计开始具有物理特征了。
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网表表示的电路如下图，它其实就是描述电路元件相互之间的连接关系。
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逻辑综合，对于半导体设计公司不难，但是却是EDA公司的核心产品之一。在实现流程中，就背后算法而言，综合一定是最难最复杂的步骤。一个晶圆厂，并不仅仅要有先进工艺，提供给设计公司的设计工具包PDK（Process Design Kit）和EDA厂商的支持也非常重要。
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#### DFT（可测试性设计）
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除了以上两步，前端设计还有一个步骤就是DFT（Design For Test）。所谓DFT，就是预先规划并插入各种用于芯片测试的逻辑电路。芯片制造后期，在封测阶段中，很多测试需要依赖DFT的设计。
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完成以上工作后，前端设计团队就可以将生成的网表交给后端实现团队，开始物理设计了。当然这个过程不是一蹴而就的，前端设计工程师往往要多次，不同层次的反复综合、验证，各种设计规则检查，既要确保设计的正确性，又要保证设计的布局布线可行且优化。
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整个逻辑设计阶段，你可以这样理解：**架构师写在文档上的指标与功能，是需要设计团队通过一行行的代码实现出来的。**
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## 物理实现
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在前端设计结束后，后端也就是物理实现需要完成布局布线，这个时候，需要把网表转换成制造工厂可以看懂的文件，也就是转化为制造工厂可以用来制造光罩的图形文件。
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后端设计的主要步骤可以总结为：布局规划Floorplan→布局Placement→时钟树综合CTS→布线Routing →物理验证。
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布局规划就是在总体上确定各种电路的摆放位置，它是后端实现中最为重要的一个环节。我这里放了一张图，你可以看下苹果A11的布局规划是怎么样的。
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芯片的面积、时序收敛、稳定性、走线难易，基本上都是受布局规划的影响。在实际项目中，往往此时还有未完成的模块，就要预留位置。
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规划之后，在指定区域摆放元器件，就是布局，而把各个元器件连接起来，就是布线。一颗芯片的树状的时钟信号线路非常重要，往往需要单独布线，因此还有一个专门的名称：时钟树综合。最后，要做验证。
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我说得简单，其实这就是在指尖上建高楼，在小小的芯片上放置上百亿个晶体管，纳米级的单位，幸而有EDA工具辅助，这不是人力所及的工程。
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**一颗芯片做得好不好，在决策阶段取决于市场需求理解的是否深刻，在逻辑设计阶段取决于工程师的能力强不强，而在物理实现阶段基本取决于EDA工具玩得好不好。**
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在芯片设计进入纳米时代之后，布局布线的复杂度呈指数增长，从布局规划到布局布线，时钟树综合，每一步涉及到的算法在近年都有颠覆性的革新。这些步骤，都高度的依赖EDA工具。要对EDA工具有深度理解，并且要理解EDA工具背后的方法学。
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整个芯片设计流程就是一个设计、优化、验证的不断迭代的过程，每一步如果不能满足要求，例如时序不能满足目标要求，或者存在物理规则违规，信号完整性不合格，都要重复之前的过程，直至满足要求为止，才能进行下一步。
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在项目早期，任何的问题，都可以通过修改RTL，然后重做后续步骤来完成。因此大项目，往往有多个版本火车并行在跑。
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在项目后期，特别是在最后阶段发现个别电路小问题 ，可以进行工程更改（Engineering Change Order,ECO）。ECO有专门的EDA工具和流程，我就不展开说了。
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物理设计完成之后就形成了下图展示的电路图。图中可以看到蓝、红等不同颜色，每种颜色就代表着一张光罩。这个时候的芯片设计就可以以GDSII的文件格式从设计公司移交给芯片代工厂了。自此，设计完成，制造流程开始。
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## 总结
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这一讲，我们了解了一颗芯片的诞生，第一步就是芯片设计，有几个重点，简单给你总结一下。
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1. 芯片项目是人类历史上最细微也是最宏大的工程，研发投入大，项目收益高。
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2. 在需求分析之后，进入芯片设计过程。芯片的设计过程可分为两个部分，分别为：前端设计（也称逻辑设计）和后端设计（也称物理实现），这两个部分并没有统一严格的界限，凡涉及到与工艺有关的设计都可称为后端设计。
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3. 一颗芯片做得好不好，在决策阶段取决于市场需求理解的是否深刻，在逻辑设计阶段取决于工程师的能力强不强，而在物理实现阶段基本取决于EDA工具玩得好不好。
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4. 整个芯片设计流程是一个设计，优化，验证的不断迭代的过程。
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## 思考题
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你同意需求分析是整个项目中最重要的环节这个说法么？欢迎你在评论区给我留言。
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