作者介紹：Ryszard Sommefeldt是Imagination Technologies公司Beyond3D的負(fù)責(zé)人，在本文中，他將帶領(lǐng)我們游歷現(xiàn)代半導(dǎo)體制造（CPU、GPU和SoC）的制造過程。

　　本文將概述性的介紹半導(dǎo)體器件的制作流程，不論是采用的哪種授權(quán)方式（內(nèi)部設(shè)計，外部IP授權(quán)或介于兩者之間）。文中主要涉及的是消費者器件，因為這也是我主要從事的領(lǐng)域，但芯片工藝制程方式基本上在任何芯片中都是通用的。

　　因為我個人從來還為讀到過從始至終的工藝描述，而早在我進(jìn)入半導(dǎo)體IP公司之前我就一直期待能看到這樣的文章。我相信很多人都有和我一樣的看法。于是最終我想我為什么不自己寫一篇呢？我希望這篇文章能給對半導(dǎo)體感興趣的讀者帶來幫助。

晶圓上的45納米芯片圖像，來自：AMD

　　創(chuàng)意

　　半導(dǎo)體改進(jìn)仍然來自創(chuàng)新和創(chuàng)意。和設(shè)計一部智能手機的創(chuàng)意相比，當(dāng)然半導(dǎo)體行業(yè)的創(chuàng)意要基礎(chǔ)和底層得多，我們的創(chuàng)新需要在硅的水平上進(jìn)行，而這是現(xiàn)在幾乎所有計算設(shè)備的基礎(chǔ)。

　　就我所知，所有我能想到的芯片，包括最小和最專業(yè)的芯片，都是由微小的模塊構(gòu)成的。如果你想進(jìn)行更為復(fù)雜的計算，即使只有單個輸入，你仍然需要繼續(xù)這些模塊進(jìn)行更上層的設(shè)計。

　　但芯片設(shè)計和制造并不是一蹴而就的事，不是單一的整體技術(shù)就可以辦到。現(xiàn)代的芯片的基礎(chǔ)模塊非常小，也因為這樣的原因，現(xiàn)在的設(shè)計師幾乎不可能將芯片的整個設(shè)計裝進(jìn)自己的腦袋。現(xiàn)在芯片非常復(fù)雜，擁有上億晶體管的芯片也已經(jīng)是家常便飯，有的甚至更多。現(xiàn)在主流的計算機和電腦的處理器中集成了10億以上的晶體管，甚至部分手機也有如此的集成量，其復(fù)雜程度可想而知。

　　所以設(shè)計師大多數(shù)不會想自己構(gòu)建一個整體，人類也無法辦到這一點。但是我們可以將這個任務(wù)切割成很多塊分開處理。也許某個設(shè)計師能夠設(shè)計、制造、測試所有的塊，但分塊仍然是必須的。

　　時間表

　　簡單起見，我要談?wù)劕F(xiàn)在最常見的處理器，這些都需要一年時間才能完成制造。半導(dǎo)體行業(yè)沒什么是發(fā)展迅速的。產(chǎn)品的設(shè)計、制造、驗證、集成、測試、取樣還有可能的返工，到最后的大規(guī)模制造，一款芯片真的需要一年時間才能出現(xiàn)在市面上。

　　因此，一款芯片的壽命通常都不短。有一些對半導(dǎo)體行業(yè)的宏觀看法，可能會很常見。比如說，一個現(xiàn)代的智能手機系統(tǒng)芯片供應(yīng)商可能從項目開始到大規(guī)模出貨僅僅用了幾個月時間，但他們實際上做的不過是將已有的模塊進(jìn)行集成而已。每年都有成千上萬人進(jìn)入這一行業(yè)，將已有的模塊變成全功能的SoC。

　　在現(xiàn)代消費電子及相關(guān)領(lǐng)域，主要的芯片能進(jìn)行復(fù)雜的計算都需要經(jīng)過好幾年的研發(fā)時間，而不是幾個月、幾周、甚至更可笑的幾天。

　　了解你的需求

　　芯片研發(fā)需要幾年時間意味著需要有一些準(zhǔn)確的預(yù)測工作要做。聰明的芯片設(shè)計者都是依靠數(shù)據(jù)驅(qū)動芯片設(shè)計的，他們可不會盲目進(jìn)行設(shè)計或者僅僅依靠直覺行動。了解自己的需求往往是純粹的數(shù)據(jù)分析。

　　芯片設(shè)計者的數(shù)據(jù)來源有很多：市場團(tuán)隊、銷售人員、已有客戶和潛在客戶、產(chǎn)品規(guī)劃、項目經(jīng)理，或者像我一樣的競爭力和性能分析師。另外還有的數(shù)據(jù)是來自芯片設(shè)計者自身的工作經(jīng)驗，因為他們知道該怎樣做才是正確的。

　　芯片設(shè)計師的第一個工作是過濾所有的數(shù)據(jù)并將其作為他們即將構(gòu)建的模型的基礎(chǔ)。他們需要盡可能知道所設(shè)計的芯片的未來的使用場景：最終的產(chǎn)品會是怎樣的？客戶對新一代的產(chǎn)品有怎樣的期待？在新功能和性能的改進(jìn)上有什么最低限制嗎？在電池壽命、材料科學(xué)和芯片制造商的行業(yè)風(fēng)向改變了嗎？

　　成本如何？在經(jīng)濟(jì)活動中，成本扮演了舉重輕重的作用。許多中國商品就憑借成本優(yōu)勢打開了世界的市場。如果你所設(shè)計的芯片的成本需要20美元，而競爭對手只要10美元就能完成同樣的新能，那么你的設(shè)計將毫無意義。所以在設(shè)計芯片之初就要考慮芯片的成本結(jié)構(gòu)，從而從頂層設(shè)計上控制成本。要記住，你所做的每一項改變都會影響到成本，不管是直接還是間接的。

　　比如說你的芯片需要引入A組件，這是一款20平方毫米。而你的整個芯片設(shè)計的使用面積為80平方毫米，而每一平方毫米的成本為20美分，而對于一個完整芯片，你的客戶的心理價位也不超過20美元。但是你為了能夠保證下一代芯片的研發(fā)，你設(shè)計的產(chǎn)品的毛利率必須要至少達(dá)到25%。這個時候，其它組件所需要的面積僅有60平方毫米了，結(jié)果你終于好不容易將這些組件都集成到了芯片上，卻發(fā)現(xiàn)其中沒有間隙了。有時候因為功耗或散熱的原因，你還需要芯片中有一些間隙。

　　所以在設(shè)計芯片時，采用組件A會有兩種情況。一是芯片本身的成本低于16美元，二是你不得不修改其他組件的設(shè)計從而降低成本。

　　最終芯片設(shè)計師將所有這些輸入和反饋引入到設(shè)計的模型中（這里通常有很多電子表格，多到超過你的想象）。然后設(shè)計師決定芯片最終需要什么組件，并將頂層設(shè)計需要背景信息考慮進(jìn)去，然后設(shè)計師就要竭盡所能完成所有的要求設(shè)計出最終的成品。

　　現(xiàn)在我們已經(jīng)知道芯片設(shè)計師在設(shè)計芯片時需要一些構(gòu)造模塊了，他們需要決定最終應(yīng)該采用什么設(shè)計模塊。如今，這些模塊是來自于何處呢？