什么是芯片流片？芯片流片為什么這么貴？

文章來源：旺財芯片 原文作者：米粒

介紹了芯片流片的原理同時介紹了首顆極大規(guī)模全異步電路芯片流片成功。

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(xiàn)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(shù)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(shù)千萬美元起的損失和至少半年市場機遇的錯失。

首顆極大規(guī)模全異步電路芯片流片成功

這是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。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。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(shù)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(xiàn)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。

審核編輯：湯梓紅