一文詳解芯片流片

原標(biāo)題：帶你了解芯片流片

什么是芯片流片？

像流水線一樣通過一系列工藝步驟制造芯片，這就是流片。

流片：英文 Tape Out。在集成電路設(shè)計領(lǐng)域，“流片”指的是“試生產(chǎn)”，就是說設(shè)計完電路以后，先生產(chǎn)幾片幾十片，供測試用。如果測試通過，就照著這個樣子開始大規(guī)模生產(chǎn)了。

我們像流水線一樣通過一系列工藝步驟制造芯片，這就是流片。在芯片制造過程中一般有兩段時間可以叫作流片。

在大規(guī)模生產(chǎn)芯片時，那流水線一樣地生產(chǎn)就是其中之一。大家可能很早就已經(jīng)知道了這個過程叫流片，我們在搞設(shè)計的時候發(fā)現(xiàn)某個地方可以進(jìn)行修改以取得更好的效果，但又怕這樣的修改會給芯片帶來意想不到的后果，如果根據(jù)這樣一個有問題的設(shè)計大規(guī)模地制造芯片，那么損失就會很大。所以為了測試集成電路設(shè)計是否成功，必須進(jìn)行流片，即從一個電路圖到一塊芯片，檢驗每一個工藝步驟是否可行，檢驗電路是否具備我們所要的性能和功能。

如果流片成功，就可以大規(guī)模地制造芯片；反之，我們就需要找出其中的原因，并進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計。

芯片流片為什么這么貴？

這就要提到芯片的制造原理了。

芯片制造要在很小的芯片里放上億個晶體管，制造工藝已經(jīng)到了納米級，只能用光刻來完成。光刻就是用光刻出想要的圖形，光刻需要用到掩膜版（又稱光罩，Mask），掩膜版就是把設(shè)計好的電路圖雕刻在上面，讓光通過后，在晶圓上刻出圖形。

流片貴，一方面是因為剛開始有許多工藝需要驗證，從一個電路圖到一塊芯片，檢驗每一個工藝步驟是否可行，檢驗電路是否具備所要的性能和功能。芯片流片過程至少持續(xù)三個月（包括原料準(zhǔn)備、光刻、摻雜、電鍍、封裝測試），一般要經(jīng)過1000多道工藝，生產(chǎn)周期較長，因此也是芯片制造中最重要最耗錢的環(huán)節(jié)。

如果流片成功，就可以據(jù)此大規(guī)模地制造芯片；反之，就需要找出其中的原因，并進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計。

其中，芯片流片貴，主要貴在掩膜版和晶圓，這兩項價格不菲且都是消耗品，其中掩膜版最貴，一套中端工藝制程的掩膜版價格大約在50萬美元左右，而一片晶圓的價額也在數(shù)千美元。

一個芯片開發(fā)項目，需要經(jīng)歷從產(chǎn)品定義、設(shè)計、驗證仿真一直到最終流片的漫長過程，而作為“終極大考”的流片，此前漫長過程中的任何一個小疏忽都可能導(dǎo)致流片失敗，而一旦流片失敗往往意味著企業(yè)將面臨數(shù)千萬美元起的損失和至少半年市場機(jī)遇的錯失。近日，蘭州大學(xué)迎來了它的首顆極大規(guī)模全異步電路芯片。

蘭州大學(xué)首顆極大規(guī)模全異步電路芯片流片成功

這是由蘭州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院何安平領(lǐng)銜的異步電路與系統(tǒng)團(tuán)隊設(shè)計并成功流片的120顆名為LZU_GERM的芯片。該芯片采用40納米工藝制程，在每顆僅有96平方毫米的芯片上共集成了3.5億晶體管和1512個CPU，且每顆芯片的功耗僅有98毫瓦。這些芯片在2021年4月底完成設(shè)計，并于2022年5月成功回片。

異步電路的優(yōu)點主要在于低功耗，而難點在于沒有時鐘電路作為芯片的全局驅(qū)動電路，并且主流的商用EDA軟件均是針對同步電路設(shè)計的軟件。國內(nèi)優(yōu)秀的同步電路設(shè)計團(tuán)隊很多，但是異步電路設(shè)計團(tuán)隊卻寥寥無幾，有能力生產(chǎn)芯片的團(tuán)隊就更是少之又少。國外從很早就注意到了異步電路的優(yōu)勢并開始了研究，但是對中國卻有嚴(yán)格的技術(shù)封鎖。何安平帶領(lǐng)團(tuán)隊歷經(jīng)9年時間，從異步電路設(shè)計方法學(xué)開始，一直探索到芯片設(shè)計。

在主流商用EDA軟件的基礎(chǔ)上，逐漸突破了異步驅(qū)動邏輯設(shè)計、異步時序約束、大規(guī)模異步電路設(shè)計和設(shè)計穩(wěn)定性驗證等一系列芯片設(shè)計問題。這款芯片也正是他們團(tuán)隊研究成果的集合，團(tuán)隊采用國際上最先進(jìn)的異步電路設(shè)計方法，在這一枚枚小小的芯片上，每一個異步的CPU核都將由異步的mesh網(wǎng)絡(luò)連接，數(shù)據(jù)在CPU中運算后會被mesh網(wǎng)絡(luò)廣播到各個路由節(jié)點，并被目標(biāo)路由節(jié)點抓取。這樣的工作機(jī)制非常適合用于現(xiàn)如今大家非常熟知的類腦計算和其他高并發(fā)計算領(lǐng)域。在國外，Intel、IBM等公司已經(jīng)用Loihi、TrueNorth等芯片證明了用異步電路做類腦計算，無論是在功耗上還是在性能上均比同時期的同步電路優(yōu)越。而國內(nèi)的大規(guī)模異步電路設(shè)計尚處于初級階段，未來可期。同時，何安平團(tuán)隊基于異步電路設(shè)計的EDA軟件“拼圖”3.0版歷經(jīng)兩次迭代，日臻成熟，成為中國自主研發(fā)的第一個異步電路EDA（電子設(shè)計自動化）軟件，并在OpenI網(wǎng)站開源。