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用棉线也能制作晶体管,如何作晶体管

来源:整理 时间:2022-04-11 11:32:15 编辑:科技知识 手机版

芯片有几十亿个晶体管,连接晶体管之间的导线是什么材料做成的?

芯片有几十亿个晶体管,连接晶体管之间的导线是什么材料做成的

因为“在美读博先生”对本问题的回答是完全错误的,他把芯片中晶体管的连接方法当成印制电路板中的连接方法来回答了。为了使网友们不被误导,我来回答一下这个问题。芯片中几十亿个晶体管间的连接线以及与其它元器件的连接线,如体电阻器的连接线、结电容器连接线、外引出线的焊接区,都是同时制作成功的。所使用的导体材料是金。

这些连接线的制作方法是,①通过光刻和腐蚀(腐蚀液通常是能够腐蚀二氧化硅或氮化硅的氢氟酸)的方法,将整个表面都钝化了的芯片上各条连接线的两端头开出窗口。②用等离子溅射镀膜法,在开了窗口的整个芯片表面,镀制一层1微米厚左右的铜膜。这个铜薄膜并不是作为连接线使用的,而是为制作连接线“作嫁衣裳”的,请继续往下看。

③用光刻腐蚀的方法,在完整铜膜上的将来用于制作连接线和焊接区的位置开出窗口。这种开出窗口的铜薄膜,类似于在文化衫等处印刷图案或文字的掩模;但又与那类掩模不同。因为那类掩模是可以多次放上取下,重复使用的;而这次制作的铜掩模却是固定的,一次性的使用。因此,这类掩模被称为“死掩模”。这次用于腐蚀铜薄膜的腐蚀液是,与前面工艺过程①中腐蚀钝化层的腐蚀液不同的,它一般用的是能够腐蚀铜的三氯化铁溶液。

据说A11处理器有55亿个晶体管,工程师是如何设计这么多晶体管的?

据说A11处理器有55亿个晶体管,工程师是如何设计这么多晶体管的

现在手机SoC芯片的晶体管数量动辄百亿个,“愚公移山”拼体力一秒画一个,根本不可能。现在的高端芯片设计,已经和体力活说拜拜,设计流程分工极细,设计过程自动化程度极高,这样才能避免芯片上市,“黄花菜”都凉了的尴尬。下面以数字芯片为例,为大家简单捋一捋芯片设计的过程。两大流程,SoC芯片设计流程可以分为前端和后端,前端负责逻辑设计、输出门级网表(netlist),后端进行物理设计,输出版图(layout),然后将版图传给芯片厂制造(tapeout)。

顺带说一句为什么传版图给芯片厂叫tapeout。在早期,芯片设计公司都是用磁带(tape)存储芯片版图文件,需要制造时将磁带送到芯片厂,所以叫“tapeout”。这个词一直沿用到现在,即使现在传送版图文件的方式多样化了。说白了,这是芯片文化的反映,和计算机的“bug”叫法一样,最早就是电子管大型机时代,工程师清扫追寻电子管亮光而被烤死的飞虫,排除飞虫导致的电路故障。

后来,“bug"不再指真实世界中的虫子,而是指软件漏洞。说回芯片设计流程。芯片设计两大流程前面说的芯片前端设计,又可细分为行为级、RTL级、门级,行为级描述电路功能,RTL级描述电路结构,门级描述门这一级电路的结构。芯片后端设计是将前端设计产生的门级网表通过EDA工具进行布局布线,以及物理验证,最终产生供芯片厂制造使用的版图文件。

芯片设计版图详细描述了电路结构,即哪些地方该保留,哪些地方该腐蚀,哪些地方是连线。芯片制造厂将版图制作成光学掩膜,即可用光刻机制造芯片。上述过程理解比较费力,可以用熟悉的杂志出版打个简单的比方:前端设计相当于编辑根据选题计划,挑选投稿,编辑处理,并确定哪些稿件排在重要位置(封面文章),哪些稿件仅是填补版面的酱油角色。

后端设计的任务,则是将选好的稿件,排成版面,做成版面图文件,交给印刷厂付印。简单说,芯片前端设计相当于编辑选稿、处理稿件,后端设计相当于版面编辑排版。芯片设计之所以要分前端和后端,主要是因为芯片特别是高端SoC芯片结构太复杂了。实际上,专业分工是否精细是衡量一个行业复杂度的两大重要指标之一,另一个指标就是自动化程度是否高。

芯片设计就是一个高度自动化的行业,从前端到后端,都离不开EDA软件(Electronic Design Automation,即电子设计自动化)。芯片设计公司在DEA软件平台上完成芯片的前后端设计,不需要手工画电路图。EDA主要由美国的Cadence和Synopsys公司提供,两家公司都能提供前端和后端设计软件。

目前国内的芯片设计公司包括华为海思、中兴、展讯等企业,都离不开Cadence和Synopsys公司的EDA软件平台。为什么非得用Cadence和Synopsys的?因为这两家公司在行业发展几十年,EDA软件功能完备、生态完整,好用。那么,如何用EDA软件设计芯片呢?芯片设计七大步,有两步看不到电路第一步,用Verilog编写电路,这个过程是看不到电路图的,就是一堆描述性语言,以代码形式呈现。

第二步,跑数字仿真,用到的工具有VCS或MMSIM等工具。仿真的目的是看写出来的设计能不能正常工作,这个过程也看不到电路,还是一堆源代码。第三步,跑完仿真后,将源代码转换成标准单元电路(Standard Cell)。第四步,用IC-Compiler等工具进行布线,就是把标准单元电路找到对应的位置,用软件进行自动连线,这个过程需要和芯片的制造工艺进行辅助配合。

第五步,再将标准单元电路填入图形,按设计需求连线,形成版图图形。第六步,完成版图后,还不能马上交付芯片厂生产,谁知道那些单元的连线没连好,造成噪音干扰,导致功耗升高、性能降低。为了消灭潜在bug,需要分别进行设计规则验证、和布局与原理图验证。第七步,两大验证通过后,就可以把版图制成GDSII电子文件,交给芯片厂流片(小批量试制)。

第八步,流片后对芯片检测,如果芯片功能正常,符合设计要求,OK,让芯片厂大规模生产。可以看出,芯片整个设计过程共有7个大步骤,全程都通过EDA软件在电脑上完成,不存在工程师手工一个一个画电路图的情形,甚至在前端设计的部分阶段,设计者根本不用考虑晶体管长什么样、有多大,在后端,设计者也不会去数该芯片含有多少晶体管,而由软件自动统计。

文章TAG:用棉线也能制作晶体管如何作晶体管棉线也能制作

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