芯片的研發(fā)及生產(chǎn)過程詳解

芯片的研發(fā)及生產(chǎn)過程詳解人類對視覺信號天生的敏感決定了對圖形處理硬件性能的渴求成了現(xiàn)階段硬件產(chǎn)業(yè)最炙手可熱的話題。與滿足聽覺的音頻設(shè)備相比，現(xiàn)在的圖形處理技術(shù)水平給圖形處理還留有很大的發(fā)展空間，這就決定了這個產(chǎn)業(yè)的競爭充滿了變數(shù)，在技術(shù)開發(fā)和市場推廣策略上稍有不慎就會別別人趕超。為了應(yīng)付激烈的行業(yè)競爭，設(shè)計出更高性能的圖形處理芯片已經(jīng)成為各個廠商保持自身競爭力水平最重要的手段。今天我就來大家做一次特殊的旅行，了解圖形芯片設(shè)計研發(fā)的全過程，事實上現(xiàn)在絕大多數(shù)的芯片設(shè)計廠商都是依照這個程序來進行新品研發(fā)的。芯片，英文為Chip；芯片組為Chipset。芯片一般是指集成電路的載體，也是集成電路經(jīng)過設(shè)計、制造、封裝、測試后的結(jié)果，通常是一個可以立即使用的獨立的整體?！靶酒焙汀凹呻娐贰边@兩個詞經(jīng)?；熘褂?，比如在大家平常討論話題中，集成電路設(shè)計和芯片設(shè)計說的是一個意思，芯片行業(yè)、集成電路行業(yè)、IC行業(yè)往往也是一個意思。實際上，這兩個詞有聯(lián)系，也有區(qū)別。集成電路實體往往要以芯片的形式存在，因為狹義的集成電路，是強調(diào)電路本身，比如簡單到只有五個元件連接在一起形成的相移振蕩器，當(dāng)它還在圖紙上呈現(xiàn)的時候，我們也可以叫它集成電路，當(dāng)我們要拿這個小集成電路來應(yīng)用的時候，那它必須以獨立的一塊實物，或者嵌入到更大的集成電路中，依托芯片來發(fā)揮他的作用；集成電路更著重電路的設(shè)計和布局布線，芯片更強調(diào)電路的集成、生產(chǎn)和封裝。而廣義的集成電路，當(dāng)涉及到行業(yè)（區(qū)別于其他行業(yè)）時，也可以包含芯片相關(guān)的各種含義。芯片也有它獨特的地方，廣義上，只要是使用微細加工手段制造出來的半導(dǎo)體片子，都可以叫做芯片，里面并不一定有電路。比如半導(dǎo)體光源芯片；比如機械芯片，如MEMS陀螺儀；或者生物芯片如DNA芯片。在通訊與信息技術(shù)中，當(dāng)把范圍局限到硅集成電路時，芯片和集成電路的交集就是在“硅晶片上的電路”上。芯片組，則是一系列相互關(guān)聯(lián)的芯片組合，它們相互依賴，組合在一起能發(fā)揮更大的作用，比如計算機里面的處理器和南北橋芯片組，手機里面的射頻、基帶和電源管理芯片組。確定研發(fā)方案和硬件語言描述與任何一個靠生產(chǎn)產(chǎn)品謀求發(fā)展的企業(yè)一樣，設(shè)計推出一款新的GPU的第一步理所當(dāng)然的是市場的調(diào)研和產(chǎn)品的開發(fā)規(guī)劃。在這段時間內(nèi)，未來產(chǎn)品的相關(guān)定位，主要占領(lǐng)的市場范圍等話題都被提到桌面上討論，這些問題討論的結(jié)果最終將決定產(chǎn)品最終的研發(fā)方案的大體內(nèi)容：研發(fā)成本，研發(fā)周期以及開發(fā)過程中需要的資源等等。接下來就要在研發(fā)方案確定的大方向的技術(shù)上研究從生產(chǎn)工藝，芯片代工等具體的細節(jié)問題進行商議。在成本的限制范圍內(nèi)決定諸如集成晶體管數(shù)量等物理參數(shù)；緊接著就要在符合生產(chǎn)工藝的芯片代工廠中做出選擇了，決定這個的因素很多，當(dāng)然第一點是能提供生產(chǎn)芯片要求的工藝水平，比如0.15微米，0.13微米，甚至90納米，其次是代工廠的產(chǎn)品質(zhì)量和價格因素。當(dāng)然很多時候芯片在設(shè)計的時候就計劃使用比較超前的工藝，保證選擇的代工廠（即芯片生產(chǎn)的公司比如TSMC）在芯片設(shè)計完成開始投片的時候完成相關(guān)工藝改造是十分重要的，如果你在這一點上面做出錯誤的判斷，那對公司造成的損失是巨大的，因為圖形芯片行業(yè)是一個最求速度的產(chǎn)業(yè)，在生產(chǎn)工藝已經(jīng)決定的情況下，如果要在回過頭來修訂工藝指標(biāo)，那進行的工作又會持續(xù)幾個月，其中的工作量不比重新一塊芯片要少多少！當(dāng)這一切前期環(huán)節(jié)確定以后，就開始我們這篇文章最主要的部分了，顯示芯片構(gòu)架的設(shè)計。一個設(shè)計團隊被組織起來定義GPU支持的技術(shù)特征并且制定整個設(shè)計工作的日程表（比如團隊1在三周內(nèi)完成反鋸齒單元的設(shè)計）。在我們深入介紹芯片的設(shè)計過程之前，我們先來了解一下現(xiàn)在芯片制造公司一般的設(shè)計流程。現(xiàn)在，芯片構(gòu)架的設(shè)計一般是通過專門的硬件設(shè)計語言HardwareDescripTIonLanguages（HDL）來完成，所謂硬件設(shè)計語言（HDL）顧名思義，是一種用來描述硬件工作過程的語言?，F(xiàn)在被使用的比較多的有Verilog、VHDL。這些語言寫成的代碼能夠用專門的合成器生成邏輯門電路的連線表和布局圖，這些都是將來發(fā)給芯片代工廠的主要生產(chǎn)依據(jù)。對于硬件設(shè)計語言（HDL）一般的人都基本上不會接觸到，我們在這里只給大家簡略的介紹一下：在程序代碼的形式上HDL和C也沒有太大的不同，但他們的實際功能是完全的不同。比如下面這個Verilog語言中非常基本的一條語句：always@（posedgeclock）Q《=D;這相當(dāng)于C里面的一條條件判斷語句，意思就是在時鐘有上升沿信號的時候，輸出信號‘D’被儲存在‘Q’。就是通過諸如此類的語句描述了觸發(fā)器電路組成的緩存和顯存之間數(shù)據(jù)交換的基本方式。綜合軟件就是依靠這些代碼描述出來的門電路的工作方式關(guān)系生成電路的。在芯片的設(shè)計階段基本上都是通過工程師們通過Verilog語言編制HDL代碼來設(shè)計芯片中的所有工作單元，也決定該芯片所能支持的所有技術(shù)特征。這個階段一般要持續(xù)3到4個月（這取決于芯片工程的規(guī)模），是整個設(shè)計過程的基礎(chǔ)。在上述的工作完成后，就進入了產(chǎn)品設(shè)計的驗證階段，一般也有一兩個月的時間。這個階段的任務(wù)就是保證在芯片最后交付代工廠的設(shè)計方案沒有缺陷的，就是我們平時所說的產(chǎn)品的“bug”。這一個階段對于任何芯片設(shè)計公司來說都是舉足輕重的一步，因為如果芯片設(shè)計在投片生產(chǎn)出來以后驗證出并不能像設(shè)計的那樣正常工作，那就不僅意味著繼續(xù)投入更多的金錢修改設(shè)計，重新投片，還會在圖形芯片產(chǎn)業(yè)最為重視的產(chǎn)品推出速度方面失去先機。整個驗證工作分為好幾個過程，基本功能測試驗證芯片內(nèi)的所有的門電路能正常工作，工作量模擬測試用來證實門電路組合能達到的性能。當(dāng)然，這時候還沒有真正物理意義上真正的芯片存在，這些所有的測試依舊是通過HDL編成的程序模擬出來的。接下來的驗證工作開始進行分支的并行運作，一個團隊負(fù)責(zé)芯片電路的靜態(tài)時序分析，保證成品芯片能夠達到設(shè)計的主頻；另外一個主要由模擬電路工程師組成的團隊進行關(guān)于儲存電路，供電電路的分析修改。和數(shù)字電路的修正工作相比，模擬工程師們的工作要辛苦的多，他們要進行大量的復(fù)數(shù)，微分方程計算和信號分析，即便是借助計算機和專門的軟件也是一件很頭疼的事情。同樣，這時候的多有測試和驗證工作都是在模擬的狀態(tài)下進行的，最終，當(dāng)上述所有的工作完成后，一份由綜合軟件生成的用來投片生產(chǎn)門電路級別的連線表和電路圖就完成了。但是，圖形芯片設(shè)計者不會立即把這個方案交付廠家，因為它還要接受最后一個考驗，那就是我們通常所說的FPGA（FieldProgrammableGateArray）現(xiàn)場可編程門陣列來對設(shè)計進行的最終功能進行驗證。對于NV30那樣集成一億多個晶體管超級復(fù)雜芯片，在整個使用硬件設(shè)計語言（HDL）設(shè)計和模擬測試的過程中，要反復(fù)運行描述整個芯片的數(shù)十億條的指令和進行真正“海量”的數(shù)據(jù)儲存，因此對執(zhí)行相關(guān)任務(wù)的的硬件有著近乎變態(tài)的考驗。我們從下面NVIDIA實驗室的配備可見一斑?？删幊涕T陣列FPGA模擬驗證現(xiàn)場可編程門陣列FPGA可以能完成任何數(shù)字器件的功能，上至高性能CPU下至簡單的74電路，都可以用它來實現(xiàn)。FPGA其實是一個包含有大量門電路的邏輯元件，但是它的每一個門的定義可以有使用者來定義，如同一張白紙或是一堆積木，工程師可以通過傳統(tǒng)的原理圖輸入法，或是硬件描述語言自由的設(shè)計一個數(shù)字系統(tǒng)。通過軟件仿真，我們可以事先驗證設(shè)計的正確性。在PCB完成以后，還可以利用FPGA的在線修改能力，隨時修改設(shè)計而不必改動硬件電路。所以說使用FPGA來開發(fā)數(shù)字電路，可以大大縮短設(shè)計時間，更為重要的是大大減少了再出現(xiàn)成品芯片以后反復(fù)修改，投片資金和時間的消耗，一塊幾千美元的FPGA（這里指目前最大容量的FPGA）和花費數(shù)百萬美元得到一塊成品芯片相比，消耗是微不足道的。在這個方面，ATI和NVIDIA公司都使用了名為IKOS的FPGA驗證系統(tǒng)。IKOS內(nèi)部是由多塊插卡構(gòu)成，每塊插卡都是一個FPGA陣列，由許多塊大規(guī)模FPGA組成。因為到了R300和NV30世代，圖形芯片已經(jīng)成了最復(fù)雜的ASIC芯片了，無法用一兩塊FPGA就能完成驗證工作，必須使用這樣的專業(yè)FPGA驗證設(shè)備。當(dāng)然，F(xiàn)PGA也不是完美無缺的，它固有的缺點就是運行速度還沒有ASIC芯片這么快。和現(xiàn)在動不動運行頻率都在200-300MHz的GPU相比，IKOS的運行主頻大概只有可憐的幾十兆Hz左右。當(dāng)然這些缺點在應(yīng)用在產(chǎn)品的設(shè)計過程中沒什么大不了的。它負(fù)責(zé)的工作就是最終驗證芯片設(shè)計功能的實現(xiàn)，你可以讓IKOS作為顯示部分的系統(tǒng)正常運行，進行驅(qū)動程序的開發(fā)和驗證，當(dāng)然如果你硬要在這樣的系統(tǒng)上運行游戲也不是不可能，不過能維持在每秒幾幀就不錯了。投片生產(chǎn)樣片和修正經(jīng)過前面一系列的驗證工作，這道工序就可以告一段落了，幾經(jīng)修訂的設(shè)計方案被送到了芯片代工廠開始投片生產(chǎn)。代工廠從拿到設(shè)計方案到第一批產(chǎn)品下線一般需要四周的時間，不過在這段時間里，設(shè)計人員仍舊馬不停蹄，繼續(xù)進行芯片的模擬測試和上市產(chǎn)品PCB（PrintedCircuitBoards印刷電路板）的設(shè)計，這就產(chǎn)生了一般官方欽定的“公板”。四周以后，第一批產(chǎn)品下線了，這就是我們一般稱為的”A0”版本。（編者：就是常說的“工程樣片”）一般情況下，A0版本的產(chǎn)量不會很多，它們的主要用途還是用來進行測試和修改，一些被送到開發(fā)小組繼續(xù)測試和查錯，另一部分被送到相關(guān)的卡板廠商處進行相關(guān)的測試和設(shè)計。由于現(xiàn)在是有了真正的芯片到手了，查錯的手段當(dāng)然也要和前面的模擬手段不同。FIB（FocusedIonBeam聚焦離子束）系統(tǒng)在這里被引入查錯過程。簡單的說FIB系統(tǒng)相當(dāng)于我們平時在醫(yī)院看到的各種依靠波束能量進行外科類手術(shù)的儀器，它們能在不破壞芯片功能的前提下，對芯片進行門電路級別的修改——切斷原有的或者是布置新的門連線，不管你需要修改的電路是在芯片金屬布線的哪一層，也不會對芯片造成任何的物理損壞。當(dāng)然，除了FIB設(shè)備外，還要使用很多其他的測試手段，像上圖這臺機器同樣是一臺探測芯片缺陷的設(shè)備，工作原理又完全不同，實際上它是一臺高性能原子級別電子顯微鏡。下面這張圖顯示的就是一塊NVIDIA芯片在45，000X放大倍數(shù)下的面目。我們在下圖中用紅線框圍繞的部分就是該芯片的缺陷。一般這種缺陷都是在生產(chǎn)過程中造成的，由于某種其他物質(zhì)的原子混進高純度硅晶體中造成的。這臺機器能夠辨別出混入的這種原子的種類并且判斷可能是什么原因這些原子會進入到芯片的這個部分，從而能采取措施避免這種情況的發(fā)生，改善成品率。當(dāng)“所有”的缺陷都得到了修正之后，最終的設(shè)計被交付到代工廠進行投片生產(chǎn)，這時的產(chǎn)量就不會像A0版本那么少了，但也不是最終的量產(chǎn)版本，在前面驗證基本功無誤的情況下，這次生產(chǎn)的芯片要進行各種各樣的和正式上市產(chǎn)品相關(guān)的測試：產(chǎn)品兼容性，工作溫度，外圍供電電路的穩(wěn)定性，信號完整性等等，直到產(chǎn)品能達到作為產(chǎn)品上市的程度，這時芯片生產(chǎn)方就可以投入量產(chǎn)了。在最后的這些測試過程中，要測試大量的GPU，方便期間，顯卡上面都做出了GPU的插座，一個個獨立的GPU芯片只要插接在上面就能進行測試了。當(dāng)然這些插座都是為特