一顆芯片是如何誕生的

作者：Eric Wu 2020-06-30 15:38:17

企業(yè)動態(tài)

2020年7月10日早9：00，新華網直播間重磅發(fā)布主題為“奔涌之勢智造未來”戴爾科技新一代信息技術賦能新基建暨2020新品發(fā)布會。

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高樓大廈、橋梁道路、種植

所需的土壤

均由一粒粒沙子構成

而驅動著互聯(lián)網世界運轉的

也是由沙子（硅）構成

自然界最普遍存在的元素——硅

同時支撐起了現實世界與虛擬世界

這不得不說是一種巧合

芯片，別稱集成電路（縮寫作IC）

代表了人類智慧的最高結晶

指甲蓋大小的空間里

集成了數十億甚至上百億的晶體管

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手機電腦里有芯片

冰箱空調洗衣機里有芯片

上天的衛(wèi)星、入地的鉆頭也有芯片

是當今任何人都離不開的重要元件

我們都知道芯片是由沙子（硅）制成

但你知道從沙子到芯片的制作過程

需要經歷幾個步驟嗎？

今天

我們一起走進芯片誕生記

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制成一顆芯片要幾步？

芯片制造，是一個“點沙成金”的過程，總體上分為三步，從上游的IC芯片設計，到中游的芯片制造，再到下游的封裝測試，其間要經過數百道工藝的層層精細打磨，方可制成芯片成品。

第一步：IC設計

在設計階段，工程師用硬件描述語言(HDL)完成設計文件，隨后由計算機自動完成電路邏輯的編譯、化簡、優(yōu)化、布局、布線和仿真，直至對特定目標芯片的適配編譯和邏輯映射等工作。芯片的用途、規(guī)格、特性、制成工藝，全部是在這個階段完成的規(guī)范和設計。

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相關數據顯示，到2018年，中國IC設計企業(yè)已接近1700家。

第二步：IC制造

IC制造處于芯片工序的中游，這是個典型的重資產投入行業(yè)，涉及的關鍵制造設備有200多種，包括光刻機、蝕刻機、離子注入機、拋光機、清洗機等，每種設備都非常精密且成本昂貴。

芯片制造，從主要原材料石英砂（主成分是二氧化硅）開始。

▲英特爾制作的《從沙子到芯片》

石英砂經過高度熔煉、提純，達到9個9的硅純度，化學形態(tài)從多晶硅轉化為三維空間規(guī)則有序排列、晶體結構非常穩(wěn)定的單晶硅；

之后，通過拉伸工藝將單晶硅制成單晶硅錠，切割、研磨、鏡面拋光之后制成厚度均勻、表面光滑、極度清潔的硅晶圓片；

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硅晶圓片再經過光刻、蝕刻、離子注入、氣相沉積等一系列工藝的“精雕細刻”，最終完成晶體管之間連接電路的構建并通過晶圓級測試。

這里不得不提的就是光刻機，光刻機作為制約芯片發(fā)展的關鍵要素，是核心技術中的核心。光刻通過光來制作圖形，在硅片表面均勻涂膠，將掩膜版上的集成電路微型圖形轉印到光刻膠上。光刻直接決定了芯片的精度和質量，也是目前IC制造中難度最高的一環(huán)。

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第三步：IC封測

封裝和測試是芯片產業(yè)的下游，封裝環(huán)節(jié)主要完成芯片的安放、固定、密封、保護，測試環(huán)節(jié)對芯片進行全面的測試，最終制成商用芯片產品。

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“芯片之母”EDA

我們都知道，芯片制造從設計起步，是整個芯片制造流程中最難的步驟。芯片設計環(huán)節(jié)繁多、精細且復雜，其中，EDA工具發(fā)揮了極為重要作用。

EDA（Electronic Design Automation,電子設計自動化），是在電子CAD基礎上發(fā)展起來的軟件系統(tǒng)。隨著芯片制成工藝和性能的提升，芯片設計的復雜度越來越高，肉眼很小的一塊芯片，在顯微鏡則是由晶體管和電路組成的異常復雜的“立體高速公路”。

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利用EDA工具，工程師將芯片的電路設計、性能分析、設計出IC版圖的整個過程交由計算機自動處理完成，這極大提升了IC設計的效率和可操作性。EDA軟件已成為IC設計的標配，被一些業(yè)內人士稱為“芯片之母”。

而使用EDA軟件工具進行IC設計，主要包含前端設計和后端設計兩大階段：

前端設計，側重邏輯設計，根據芯片規(guī)格書完成芯片的邏輯和集成，使用仿真驗證工具完成SOC的設計驗證；

后端設計，側重物理設計，根據前端設計產生的門級網表，通過EDA工具進行布局布線和物理驗證。

當下，全球主要有Synopsys、Cadence、Mentor Graphics三大EDA軟件廠商，可以為IC設計企業(yè)提供從前端到后端的整體設計流程服務，包含邏輯仿真、自動布局布線、物理設計、參數提取等各個設計環(huán)節(jié)的軟件開發(fā)工具。

常言道，工欲善其事，必先利其器。IC設計的重要性不言而喻，EDA平臺構建更是重中之重。構建符合IC設計企業(yè)級需求的EDA平臺，除了選擇合適的EDA軟件工具，高性能可擴展的EDA IT基礎設施平臺亦是重要一環(huán)。

EDA平臺存儲需求：

芯片制程工藝的每次提升，都會使IC設計環(huán)節(jié)產生的數據量大幅增加。據統(tǒng)計，2019年平均每設計一款芯片生成的數據量都要超過500TB，而大量的IC設計數據資料必須備份和長期保存。

在EDA前端設計階段有大量的小文件生成，對隨機IOPS要求很高，并要求目錄深度；后端設計階段，會生成很多大文件，對順序IO性能和存儲帶寬有比較高的需求。

因此EDA數據存儲系統(tǒng)，需要滿足數以百計的Job同時訪問，提供對應的高帶寬性能與低訪問延遲。

EDA平臺計算需求：

由于EDA軟件收費很高，更快的計算速度可以加速各個流程（設計、驗證、模擬、測試），縮短IC設計所需計算時間——這意味著軟件費用的大幅節(jié)省，同時有助于搶占市場先機，獲取市場份額和高額利潤。

因此，高計算速度也是EDA平臺所追求的要件。

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一體化EDA平臺

戴爾易安信助力實現

通過前文我們知道，在整個芯片設計過程中，EDA是重要一環(huán)。如果說設計人員決定了芯片設計過程的上限，那么EDA IT基礎設施平臺則決定了芯片設計過程的下限。因此IT基礎設施平臺對于芯片設計能否快速、順利研發(fā)起到了重要作用。

在這方面，戴爾易安信提供了端到端的EDA HPC解決方案，包括CPU/GPU/FPGA計算、高性能NFS文件存儲系統(tǒng)、高速交換網絡、數據保護、HPC集群構建與作業(yè)調度在內的整體解決方案交付，可實現一體化構建EDA基礎架構。

2U空間8顆處理器，專為速度而生

考慮到很多EDA軟件工具按照CPU核心數計費，高主頻處理器可以在提升計算性能的同時，降低軟件費用的開支。

戴爾易安信PowerEdge C6420服務器，基于企業(yè)級高可用性與可擴展性而設計，搭載8顆英特爾®至強®處理器，2U空間內支持4個獨立熱插拔的雙路服務器。

它內置DPAT性能優(yōu)化技術(Dell Processor Acceleration Technology)，DPAT能夠精細到同一系統(tǒng)，不同CPU有各自的優(yōu)化模板，可以使CPU核心在turboboost上獲得更穩(wěn)定的效能輸出，針對高性能計算提供BIOS優(yōu)化方案可以減少EDA各流程計算時間。

Isilon存儲，實現性能無損的橫向擴展

戴爾易安信Isilon采用分布式存儲來替代傳統(tǒng)中心存儲，是一款能夠實現上下平衡無瓶頸的分布式IT解決方案。

Isilon存儲系統(tǒng)采用scale-out數據湖架構設計，可以輕松實現PB級容量擴展，它原生支持多種文件協(xié)議，能夠滿足開發(fā)和運維的整體性與敏捷度:NFS、SMB、HDFS、Object與Rest API。