一文詳解芯片流片

原標題：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。在集成電路設計領域，“流片”指的是“試生產”，就是說設計完電路以后，先生產幾片幾十片，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)模生產芯片時，那流水線一樣地生產就是其中之一。大家可能很早就已經知道了這個過程叫流片，我們在搞設計的時候發(fā)現某個地方可以進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，如果根據這樣一個有問題的設計大規(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計是否成功，必須進行流片，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，并進行相應的優(yōu)化設計。

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（包括原料準備、光刻、摻雜、電鍍、封裝測試），一般要經過1000多道工藝，生產周期較長，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，就可以據此大規(guī)模地制造芯片；反之，就需要找出其中的原因，并進行相應的優(yōu)化設計。

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千美元。

一個芯片開發(fā)項目，需要經歷從產品定義、設計、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致流片失敗，而一旦流片失敗往往意味著企業(yè)將面臨數千萬美元起的損失和至少半年市場機遇的錯失。近日，蘭州大學迎來了它的首顆極大規(guī)模全異步電路芯片。

蘭州大學首顆極大規(guī)模全異步電路芯片流片成功

這是由蘭州大學信息科學與工程學院何安平領銜的異步電路與系統(tǒng)團隊設計并成功流片的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動電路，并且主流的商用EDA軟件均是針對同步電路設計的軟件。國內優(yōu)秀的同步電路設計團隊很多，但是異步電路設計團隊卻寥寥無幾，有能力生產芯片的團隊就更是少之又少。國外從很早就注意到了異步電路的優(yōu)勢并開始了研究，但是對中國卻有嚴格的技術封鎖。何安平帶領團隊歷經9年時間，從異步電路設計方法學開始，一直探索到芯片設計。

在主流商用EDA軟件的基礎上，逐漸突破了異步驅動邏輯設計、異步時序約束、大規(guī)模異步電路設計和設計穩(wěn)定性驗證等一系列芯片設計問題。這款芯片也正是他們團隊研究成果的集合，團隊采用國際上最先進的異步電路設計方法，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網絡連接，數據在CPU中運算后會被mesh網絡廣播到各個路由節(jié)點，并被目標路由節(jié)點抓取。這樣的工作機制非常適合用于現如今大家非常熟知的類腦計算和其他高并發(fā)計算領域。在國外，Intel、IBM等公司已經用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。而國內的大規(guī)模異步電路設計尚處于初級階段，未來可期。同時，何安平團隊基于異步電路設計的EDA軟件“拼圖”3.0版歷經兩次迭代，日臻成熟，成為中國自主研發(fā)的第一個異步電路EDA（電子設計自動化）軟件，并在OpenI網站開源。