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IC設計(上)


2022-09-23 / 吳念庭
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上篇介紹了IP矽智財與IC設計服務公司,本篇將要來介紹IC設計公司。如我們一開始的譬喻,IC設計公司就如從畫房屋設計圖的設計商,而我們在路上可以看到有許多不同種類的房子,有公寓、大廈、平房、透天…等等,IC設計的種類也有許多不同的種類,如電腦CPU、觸控 IC、網通 IC、DRAM、手機 SOC、車用IC…等等。


IC設計的流程中,又可以細分為系統設計、邏輯設計、實體設計三大部分,其中邏輯設計屬於「前段設計(Front end)」,實體設計屬於「後段設計(Back end)」,實體設計完成後會得到完整的設計圖,將設計圖送進光罩廠製作光罩(Mask)的動作稱為「Tape out」,光罩製作完成後再送進晶圓廠製作晶片(Chip),最後再送進封測廠經過封裝與測試就成為可以銷售的積體電路(IC)。


 


                                                   


 


 


首先,系統設計(System design)就是在IC設計開始之前先進行「規格制定(Specification)」,如從我們所說的,IC設計種類繁多,在開始畫設計圖前,你要先設計好要畫甚麼樣的IC,並須有何種功能、速度、介面規格、環境溫度與消耗功率…等;用房子來比喻就是指,預先設計好你要蓋的房子是甚麼種類,豪宅、公寓、透天、學校、醫院、警察局…等等,本案例就以設計一棟三層樓的透天厝為例。


再來是邏輯設計,又稱前段設計,主要是IC設計工程師使用硬體描述語言(Verilog或VHDL),將IC所需之邏輯以程式明確地描述每個區塊的內部功能,稱為「RTL程式碼(RTL code)」,經過模擬與驗證無誤後,將撰寫好RTL code,搭配電子設計自動化工具(EDA tool),經過電腦輔助設計轉換成相對應的「邏輯閘(Gate)」;用房子來比喻就是指,設計一棟3層樓的透天厝,那裡面設計有5個房間、3間廁所、1間廚房、1個客廳、1個車庫,並確定能各司其職,發揮功效,廚房設計好確定可以煮飯、房間設計好可以睡覺休息。最後,去特X屋、或宜X利、宜X家具..等,購買床、廚具的用品,並組裝完成。這時候,你設計圖裡的床、廚具、馬桶、冰箱…等都有了,但你還不知道要怎擺放在哪裡。


最後一步就是實體設計,主要工作是在將邏輯閘(Gate)轉換成電晶體(CMOS),可以搭配EDA Tool提供自動配置、繞線、驗證等功能,將各個功能單元安排在最好的位置,以達成最高效能,也就是決定數百億個電晶體配置在矽晶片上的「實際位置」,再使用金屬導線連接起來形成「實際連線」,完成最終驗證後,就可以將最終的設計圖送進光罩廠製作光罩,這動作稱為「Tape out」;用房子來比喻就是指,我們在上一步已經準備好了床、廚具、馬桶..等各種家具,但尚未確定其擺放位置,我們不可能把3間廁所全部集中在三樓吧,這樣一來要上廁所都只能跑三樓,這是不可能發生的事,所以就是把這些家具設計擺放至最適合的位置,並且決定好瓦斯管、網路線、電源線怎麼拉,全部完成後,經過驗證,確認無誤就可以得到最終的設計圖,之後就可以把這設計圖交給建設公司開始建造這棟三層透天厝。


其中,我們有提到的EDA 電子設計自動化,是指利用電腦輔助設計(CAD:Computer Assisted Design)軟體,提供設計、模擬、分析、合成、自動配置、繞線、驗證…等功能。在電子設計自動化出現之前,設計人員必須手工完成積體電路的設計、布線等工作,但在IC日益複雜的現代,先進的CPU上已經有數百到數千億個電晶體,還用人工繪圖的方式簡直是天方夜譚,所以需要EDA來協助IC設計工程師完成設計圖的工具,它有許多種類,EDA Tool只是一個統稱。


目前全球EDA晶片設計工具主要掌握在新思科技(Synopsys)、益華電腦(Cadence)、以及西門子電子設計自動化(Siemens EDA)三大廠,這三大廠在全球EDA市占率逼近八成,且都是美國企業


Tips:


1.IC設計種類有許多種,有CPU、觸控 IC、網通 IC、DRAM、手機 SOC、車用IC…等等,就如從我們在路上看到有許多不同種類的房子。


2.IC設計的三大流成為,系統設計、邏輯設計(前段設計)、實體設計(後段設計),又可以想成,決定蓋怎麼樣的房子、決定用怎麼樣的格式與家具、以及確定家具與管線的實際擺放位置;其中前段與後段的差異最主要在於,是否確定擺放位置。


3.EDA是協助晶設計的工具,它有許多種類與功能;目前全球前三大EDA大廠分別為新思科技(Synopsys)、益華電腦(Cadence)、以及西門子(Siemens),三者合計市占逼近八成,且皆為美國企業。


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