2020/06/30

一颗芯片是如何诞生的

戴尔官方企采中心

高楼大厦、桥梁道路、种植

所需的土壤

均由一粒粒沙子构成

而驱动着互联网世界运转的

也是由沙子（硅）构成

自然界最普遍存在的元素——硅

同时支撑起了现实世界与虚拟世界

这不得不说是一种巧合

芯片，别称集成电路（缩写作IC）

代表了人类智慧的最高结晶

指甲盖大小的空间里

集成了数十亿甚至上百亿的晶体管

手机电脑里有芯片

冰箱空调洗衣机里有芯片

上天的卫星、入地的钻头也有芯片

是当今任何人都离不开的重要元件

我们都知道芯片是由沙子（硅）制成

但你知道从沙子到芯片的制作过程

需要经历几个步骤吗？

今天

我们一起走进芯片诞生记

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制成一颗芯片要几步？

芯片制造，是一个“点沙成金”的过程，总体上分为三步，从上游的IC芯片设计，到中游的芯片制造，再到下游的封装测试，其间要经过数百道工艺的层层精细打磨，方可制成芯片成品。

第一步：IC设计

在设计阶段，工程师用硬件描述语言(HDL)完成设计文件，随后由计算机自动完成电路逻辑的编译、化简、优化、布局、布线和仿真，直至对特定目标芯片的适配编译和逻辑映射等工作。芯片的用途、规格、特性、制成工艺，全部是在这个阶段完成的规范和设计。

相关数据显示，到2018年，中国IC设计企业已接近1700家。

第二步：IC制造

IC制造处于芯片工序的中游，这是个典型的重资产投入行业，涉及的关键制造设备有200多种，包括光刻机、蚀刻机、离子注入机、抛光机、清洗机等，每种设备都非常精密且成本昂贵。

芯片制造，从主要原材料石英砂（主成分是二氧化硅）开始。

▲英特尔制作的《从沙子到芯片》

石英砂经过高度熔炼、提纯，达到9个9的硅纯度，化学形态从多晶硅转化为三维空间规则有序排列、晶体结构非常稳定的单晶硅；

之后，通过拉伸工艺将单晶硅制成单晶硅锭，切割、研磨、镜面抛光之后制成厚度均匀、表面光滑、极度清洁的硅晶圆片；

硅晶圆片再经过光刻、蚀刻、离子注入、气相沉积等一系列工艺的“精雕细刻”，最终完成晶体管之间连接电路的构建并通过晶圆级测试。

这里不得不提的就是光刻机，光刻机作为制约芯片发展的关键要素，是核心技术中的核心。光刻通过光来制作图形，在硅片表面均匀涂胶，将掩膜版上的集成电路微型图形转印到光刻胶上。光刻直接决定了芯片的精度和质量，也是目前IC制造中难度最高的一环。

第三步：IC封测

封装和测试是芯片产业的下游，封装环节主要完成芯片的安放、固定、密封、保护，测试环节对芯片进行全面的测试，最终制成商用芯片产品。

“芯片之母”EDA

我们都知道，芯片制造从设计起步，是整个芯片制造流程中最难的步骤。芯片设计环节繁多、精细且复杂，其中，EDA工具发挥了极为重要作用。

EDA（Electronic Design Automation,电子设计自动化），是在电子CAD基础上发展起来的软件系统。随着芯片制成工艺和性能的提升，芯片设计的复杂度越来越高，肉眼很小的一块芯片，在显微镜则是由晶体管和电路组成的异常复杂的“立体高速公路”。

利用EDA工具，工程师将芯片的电路设计、性能分析、设计出IC版图的整个过程交由计算机自动处理完成，这极大提升了IC设计的效率和可操作性。EDA软件已成为IC设计的标配，被一些业内人士称为“芯片之母”。

而使用EDA软件工具进行IC设计，主要包含前端设计和后端设计两大阶段：

前端设计，侧重逻辑设计，根据芯片规格书完成芯片的逻辑和集成，使用仿真验证工具完成SOC的设计验证；

后端设计，侧重物理设计，根据前端设计产生的门级网表，通过EDA工具进行布局布线和物理验证。

当下，全球主要有Synopsys、Cadence、Mentor Graphics三大EDA软件厂商，可以为IC设计企业提供从前端到后端的整体设计流程服务，包含逻辑仿真、自动布局布线、物理设计、参数提取等各个设计环节的软件开发工具。

常言道，工欲善其事，必先利其器。IC设计的重要性不言而喻，EDA平台构建更是重中之重。构建符合IC设计企业级需求的EDA平台，除了选择合适的EDA软件工具，高性能可扩展的EDA IT基础设施平台亦是重要一环。

EDA平台存储需求：

芯片制程工艺的每次提升，都会使IC设计环节产生的数据量大幅增加。据统计，2019年平均每设计一款芯片生成的数据量都要超过500TB，而大量的IC设计数据资料必须备份和长期保存。

在EDA前端设计阶段有大量的小文件生成，对随机IOPS要求很高，并要求目录深度；后端设计阶段，会生成很多大文件，对顺序IO性能和存储带宽有比较高的需求。

因此EDA数据存储系统，需要满足数以百计的Job同时访问，提供对应的高带宽性能与低访问延迟。

EDA平台计算需求：

由于EDA软件收费很高，更快的计算速度可以加速各个流程（设计、验证、模拟、测试），缩短IC设计所需计算时间——这意味着软件费用的大幅节省，同时有助于抢占市场先机，获取市场份额和高额利润。

因此，高计算速度也是EDA平台所追求的要件。

一体化EDA平台

戴尔易安信助力实现

通过前文我们知道，在整个芯片设计过程中，EDA是重要一环。如果说设计人员决定了芯片设计过程的上限，那么EDA IT基础设施平台则决定了芯片设计过程的下限。因此IT基础设施平台对于芯片设计能否快速、顺利研发起到了重要作用。

在这方面，戴尔易安信提供了端到端的EDA HPC解决方案，包括CPU/GPU/FPGA计算、高性能NFS文件存储系统、高速交换网络、数据保护、HPC集群构建与作业调度在内的整体解决方案交付，可实现一体化构建EDA基础架构。

Isilon A200 NAS 存储

Isilon A200：是一种理想的活动归档存储解决方案，集接近主存储的可访问性、价值和易用性于一体。A200 提供每个机箱 120 TB 至 960 TB 的容量，单个群集的容量可扩展至 60 PB。

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2U空间8颗处理器，专为速度而生

考虑到很多EDA软件工具按照CPU核心数计费，高主频处理器可以在提升计算性能的同时，降低软件费用的开支。

戴尔易安信PowerEdge C6420服务器，基于企业级高可用性与可扩展性而设计，搭载8颗英特尔®至强®处理器，2U空间内支持4个独立热插拔的双路服务器。

它内置DPAT性能优化技术(Dell Processor Acceleration Technology)，DPAT能够精细到同一系统，不同CPU有各自的优化模板，可以使CPU核心在turboboost上获得更稳定的效能输出，针对高性能计算提供BIOS优化方案可以减少EDA各流程计算时间。

Isilon存储，实现性能无损的横向扩展

戴尔易安信Isilon采用分布式存储来替代传统中心存储，是一款能够实现上下平衡无瓶颈的分布式IT解决方案。

Isilon存储系统采用scale-out数据湖架构设计，可以轻松实现PB级容量扩展，它原生支持多种文件协议，能够满足开发和运维的整体性与敏捷度:NFS、SMB、HDFS、Object与Rest API。