芯片作为现代电子产品的核心部件，一直充当着“大脑”的作用。其技术含量和资金极其密集，生产线往往耗资数十亿、数百亿美元。

芯片制造的完整流程包括：芯片设计、晶圆制造、封装、测试等主要环节，每一个环节都是技术和技术的体现。

对于芯片来说，设计和工艺同样复杂。 20世纪80年代，EDA技术——芯片自动化设计的诞生，大大降低了芯片设计的难度和超大规模集成电路，工程师而已需要用芯片设计语言描述芯片的功能并输入到计算机，然后使用EDA工具软件将语言编译成逻辑电路，然后进行调试它。就像编辑文档需要微软的office，图像编辑需要Photoshop一样，芯片开发人员使用EDA软件平台进行电路设计、性能分析，生成芯片电路布局。目前的芯片有数百亿个晶体管。不依赖EDA工具，就不可能开始高端芯片设计。仔细一看，这么浩大的工程，靠人工怎么能完成呢？

重点是，虽然有了EDA，但并不意味着芯片设计就容易了。芯片设计仍然是一项复杂、集成度高的系统工程。

无论是IDM还是Fabless，共同的特点就是芯片设计是产业的核心。比如2018年，AMD的处理器换成了台积电，工艺是7nm。 Intel的处理器工艺仍然是14nm，但性能仍然受到压制。 AMD表明，芯片设计也非常关键。

设计一款芯片，开发者首先要明确需求，确定芯片“规格”，定义指令集、功能、输入输出管脚、性能、功耗等关键信息将电路分成小模块，并清楚地描述每个模块的要求。

然后“前端”开发人员根据各个模块的功能设计“电路”，使用计算机语言建立模型并验证其功能是否准确。 “后端”开发人员必须根据电路设计“布局”，定期将数以亿计的电路按照其连接关系复制到硅芯片上。

至此，芯片设计完成。如此复杂的设计不能有任何缺陷，否则就无法修复，必须从头再来。如果重新设计加工，通常至少需要一年的时间，投资上千万美元，有时甚至上亿。

敲黑板，戴眼镜。由于大家普遍对芯片制造的难度有一定的了解，因此本文希望能让大家对芯片设计的难度有一个共同的认识。

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第一层是建筑设计

芯片设计有很多环节，每个环节都面临着很多挑战。以比较简单的数字集成电路设计为例，设计大多采用自上而下的设计方法。分层分解后包括：

需求定义：结合外部环境分析、供应链资源、公司自身定位等信息，提出新一代产品的需求，并进一步考虑产品角色，功能、所需线路板数量、所用集成电路类型等，以准确定义产品要求。这一步的难点在于准确判断市场和技术的未来趋势，充分了解设计师、制造工厂和产业链的情况和能力。

功能实现：描述芯片需要实现的目标，通常用硬件描述语言编写。这一步的难点在于把握芯片整体所能实现的性能和功能，既要完全达到目标，又不能超出自身能力的上限。

结构设计：根据芯片的特点，划分为接口清晰、相互关系明确、功能相对独立的子模块。这一步的难度在于对芯片结构的熟悉，以及能否以尽可能少的模块、尽可能低的标准满足要求。

逻辑综合：开发人员将硬件描述语言转换为逻辑电路图。这一步的难点在于需要保证代码全面、清晰、简洁、可读。有时还必须考虑模块的可重用性。

物理实现：将逻辑电路转换为具有物理连接的电路图。这一步的难点在于如何根据制造工艺，用尽可能少的元件和连线完成从RTL描述到综合库单元的映射，得到面积和时序上满足要求的门级网表，并启用内部互连互不干扰。

物理布局：以GDSII文件格式提交给晶圆厂，在硅晶圆上制作实际电路，然后进行封装和测试，得到物理芯片。

必须注意的是，在设计芯片时，需要考虑很多变量，例如信号干扰、热量分布等，以及芯片的物理特性，例如磁场和信号干扰，不同的工艺有很大的不同。数学公式可以直接计算，没有适用的经验数据可以直接填写。我们只能依靠EDA工具一步步设计，一步步模拟，不断做出选择。每次模拟结束后，如果效果不理想，就会再次重新设计，这对团队的智慧、精力、耐心都是一个极大的考验。

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第二层是验证

芯片验证的目标是在芯片制造前通过检查、仿真、原型平台等进行反复、迭代的验证，提前发现系统软硬件功能错误，优化性能和功耗，使设计准确无误。 、可靠、符合最初规划的芯片规格。

它不是设计完成后进行的一个过程，而是贯穿于设计各个方面的重复行为。可细分为系统级验证、硬件逻辑功能验证、混合信号验证、软件功能验证、物理层验证。 、时序验证等

验证很困难。首先，验证只能证明证伪。它需要反复考虑可能出现的问题，并利用形式验证等手段来保证正确的概率，这考验着设计者的经验和智慧。

其次，验证方法必须尽可能高效。如今的芯片集成了微处理器、模拟IP核、数字IP核和存储器（或片外存储控制接口），验证复杂度呈指数级增长。如何快速、准确、完整、轻松地完成日益复杂的验证并进入流片阶段，是每个芯片设计者面临的最大挑战。

最后，还有验证工具本身。以常见的FPGA硬件仿真验证为例。在20世纪90年代，FPGA验证可以支持多达200万个门，每个门的成本为1美元。如今虽然单价大幅下降，但随着芯片复杂度呈指数级增长，验证门数量也增加到千万、数十亿，整体成本更加惊人。

另外，FPGA本身也是芯片设计的一种。现在，大规模设计（超过 2000 万个等效 ASIC 门）需要使用多个 FPGA 互连进行验证。 FPGA设计面临RTL逻辑的划分、多个FPGA之间的互连拓扑以及I/O分布、布局布线、可观测性等现实要求，这给设计过程增加了难度。

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第三关是流片难度

流片为试生产。设计完成后，一些芯片由芯片代工厂小批量生产用于测试。看似芯片制造，其实属于芯片设计行业。

流片在技术上并不困难，因为芯片设计是基于现有工艺。除了少量生产需要芯片设计公司指导之外，困难就在于钱、钱、钱。

磁带输出有多贵？我们先引用CMP（Circuits Multi-Projets，美国非营利性多项目晶圆服务组织）的公开报价。

图片来自CMP报价表

根据这份报价，以业界裸片面积最小的处理器高通骁龙855为例（尺寸8.48毫米×8.64毫米，面积73.27平方毫米），采用28nm工艺流程的标准价格一部电影的票房是499,072.5欧元，也就是近400万元人民币！

那么，芯片设计公司能得到什么？ 25个裸芯，平均每个16万元！

更重要的是，流片根本不是一次性的事情！

如果流片失败，需要修改后重新流片；如果流片成功，可能还需要继续修改优化，二次改进后再流片。

每次至少需要数百万元。

什么是氪金？这就是所谓的氪金！

有的朋友可能会问，这是成本问题，为什么算作难度呢？当然这很难。世界上最大的困难不就是没钱吗？

之所以提到流片成本，是因为很多人在谈到芯片制造的困难时都会指出，建立先进工艺芯片生产线需要大量的资金投入。不过从流片可以看出，芯片设计其实非常重要。对资金的渴求同样令人震惊。

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第四关，越来越具有挑战性的设计要求

首先，随着芯片使用场景延伸到AI、云计算、智能汽车、5G等领域，芯片的安全性，可靠性变得比以往任何时候都更加重要，对芯片设计提出了更高、更严格的要求。其次，随着人工智能、智能汽车等领域的快速发展，对适应行业需求的专用芯片和新架构提出了需求。这个新课题给芯片设计带来了更多新的挑战。最后，由于硅基芯片按照摩尔定律将在两三年内达到1纳米工艺极限，持续提升性能、降低功耗的负担更多地落在芯片设计身上，给芯片设计带来更大的压力。此外，工艺改进也迫切需要芯片设计的指导，这也增加了额外的压力。

原标题：分析|芯片设计的难点是什么？

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责任编辑：haq

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