原标题:带你了解芯片流片

 

什么是芯片流片?

 

像流水线一样通过一系列工艺步骤制造芯片,这就是流片。

 

流片:英文 Tape Out。在集成电路设计领域,“流片”指的是“试生产”,就是说设计完电路以后,先生产几片几十片,供测试用。如果测试通过,就照着这个样子开始大规模生产了。

 

我们像流水线一样通过一系列工艺步骤制造芯片,这就是流片。在芯片制造过程中一般有两段时间可以叫作流片。

 

在大规模生产芯片时,那流水线一样地生产就是其中之一。大家可能很早就已经知道了这个过程叫流片,我们在搞设计的时候发现某个地方可以进行修改以取得更好的效果,但又怕这样的修改会给芯片带来意想不到的后果,如果根据这样一个有问题的设计大规模地制造芯片,那么损失就会很大。所以为了测试集成电路设计是否成功,必须进行流片,即从一个电路图到一块芯片,检验每一个工艺步骤是否可行,检验电路是否具备我们所要的性能和功能。

 

如果流片成功,就可以大规模地制造芯片;反之,我们就需要找出其中的原因,并进行相应的优化设计。

 

芯片流片为什么这么贵?

 

这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亿个晶体管,制造工艺已经到了纳米级,只能用光刻来完成。光刻就是用光刻出想要的图形,光刻需要用到掩膜版(又称光罩,Mask),掩膜版就是把设计好的电路图雕刻在上面,让光通过后,在晶圆上刻出图形。

 

流片贵,一方面是因为刚开始有许多工艺需要验证,从一个电路图到一块芯片,检验每一个工艺步骤是否可行,检验电路是否具备所要的性能和功能。芯片流片过程至少持续三个月(包括原料准备、光刻、掺杂、电镀、封装测试),一般要经过1000多道工艺,生产周期较长,因此也是芯片制造中最重要最耗钱的环节。

 

如果流片成功,就可以据此大规模地制造芯片;反之,就需要找出其中的原因,并进行相应的优化设计。

 

其中,芯片流片贵,主要贵在掩膜版和晶圆,这两项价格不菲且都是消耗品,其中掩膜版最贵,一套中端工艺制程的掩膜版价格大约在50万美元左右,而一片晶圆的价额也在数千美元。

 

一个芯片开发项目,需要经历从产品定义、设计、验证仿真一直到最终流片的漫长过程,而作为“终极大考”的流片,此前漫长过程中的任何一个小疏忽都可能导致流片失败,而一旦流片失败往往意味着企业将面临数千万美元起的损失和至少半年市场机遇的错失。近日,兰州大学迎来了它的首颗极大规模全异步电路芯片。

 

兰州大学首颗极大规模全异步电路芯片流片成功

 

这是由兰州大学信息科学与工程学院何安平领衔的异步电路与系统团队设计并成功流片的120颗名为LZU_GERM的芯片。该芯片采用40纳米工艺制程,在每颗仅有96平方毫米的芯片上共集成了3.5亿晶体管和1512个CPU,且每颗芯片的功耗仅有98毫瓦。这些芯片在2021年4月底完成设计,并于2022年5月成功回片。

 

异步电路的优点主要在于低功耗,而难点在于没有时钟电路作为芯片的全局驱动电路,并且主流的商用EDA软件均是针对同步电路设计的软件。国内优秀的同步电路设计团队很多,但是异步电路设计团队却寥寥无几,有能力生产芯片的团队就更是少之又少。国外从很早就注意到了异步电路的优势并开始了研究,但是对中国却有严格的技术封锁。何安平带领团队历经9年时间,从异步电路设计方法学开始,一直探索到芯片设计。

 

在主流商用EDA软件的基础上,逐渐突破了异步驱动逻辑设计、异步时序约束、大规模异步电路设计和设计稳定性验证等一系列芯片设计问题。这款芯片也正是他们团队研究成果的集合,团队采用国际上最先进的异步电路设计方法,在这一枚枚小小的芯片上,每一个异步的CPU核都将由异步的mesh网络连接,数据在CPU中运算后会被mesh网络广播到各个路由节点,并被目标路由节点抓取。这样的工作机制非常适合用于现如今大家非常熟知的类脑计算和其他高并发计算领域。在国外,Intel、IBM等公司已经用Loihi、TrueNorth等芯片证明了用异步电路做类脑计算,无论是在功耗上还是在性能上均比同时期的同步电路优越。而国内的大规模异步电路设计尚处于初级阶段,未来可期。同时,何安平团队基于异步电路设计的EDA软件“拼图”3.0版历经两次迭代,日臻成熟,成为中国自主研发的第一个异步电路EDA(电子设计自动化)软件,并在OpenI网站开源。