芯片的分类以及IC设计的基本概念介绍

Release time:2025-10-10
author:AMEYA360
source:网络
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  什么是芯片?

  “芯片”(Chip)是“集成电路”(Integrated Circuit, IC)的俗称,是一种微型化的电子器件。它将大量的晶体管、电阻、电容、电感等电子元器件以及它们之间的连接线路,通过半导体制造工艺(主要是光刻技术),集成在一块微小的半导体材料(通常是硅,Silicon)基片上,形成一个完整的、具有特定功能的电路系统。

芯片的分类以及IC设计的基本概念介绍

  ▌核心材料

  硅(Silicon)。硅是一种半导体材料,其导电性介于导体和绝缘体之间,可以通过掺杂等方式精确控制其电学特性。

  ▌制造过程

  在晶圆(Wafer,即一大片圆形的硅片)上,通过复杂的光刻、刻蚀、离子注入、薄膜沉积等数百道工序,将电路图形一层一层地“雕刻”上去。

  ▌最终形态

  制造完成后,晶圆被切割成一个个独立的小方块,这就是裸芯片(Die)。裸芯片再经过封装(Package),加上引脚和保护外壳,就成为了我们通常看到的、可以焊接到电路板上的芯片。

  ▌简单比喻

  可以把芯片想象成一个“微型城市”。硅片是土地,晶体管是城市里的“开关”或“门卫”,负责处理信息(开/关,1/0);导线是城市的“道路”,连接各个区域;整个集成电路就是这个城市的“规划图”,规定了所有建筑(元器件)和道路(连接)的布局,使其能协同工作。

  芯片的分类

  ▌按功能分类

  数字芯片 (Digital IC):

  特点:处理离散的数字信号(0和1)。逻辑清晰,抗干扰能力强,易于大规模集成。

  代表:

  微处理器 (Microprocessor, MPU,GPU,CPU等)

  计算机、手机等设备的“大脑”,执行指令和处理数据(如Intel CPU, Apple M系列芯片)。

  微控制器 (Microcontroller, MCU)

  集成了处理器、内存、I/O接口等功能的“单片机”,常用于嵌入式系统(如家电、汽车电子)。

  存储器 (Memory)

  用于存储数据和程序。

  逻辑门电路/可编程逻辑器件 (PLD)

  如FPGA(现场可编程门阵列)、CPLD(复杂可编程逻辑器件),用户可以自行编程实现特定逻辑功能。

  RAM (随机存取存储器)

  如DRAM(动态RAM,主内存)、SRAM(静态RAM,高速缓存),断电后数据丢失。

  ROM (只读存储器)

  如Flash(闪存,U盘、SSD、手机存储)、EEPROM,断电后数据不丢失。

  模拟芯片 (Analog IC):

  放大器 (Amplifier)

  如运算放大器(Op-Amp),用于放大微弱信号。

  电源管理芯片 (Power Management IC, PMIC)

  负责电压转换(升压/降压)、稳压、充电管理、电源分配等(手机、电脑中常见)。

  数据转换器 (Data Converter)

  如ADC(模数转换器,将模拟信号转为数字信号)、DAC(数模转换器,将数字信号转为模拟信号)。

  射频芯片 (RF IC)

  处理高频无线信号,用于通信(如手机、Wi-Fi、蓝牙模块)。

  特点:处理连续变化的模拟信号(如电压、电流、温度、声音)。设计难度高,对噪声和干扰敏感。

  混合信号芯片 (Mixed-Signal IC):

  特点:在同一芯片上同时集成了数字电路和模拟电路。现代芯片大多是混合信号芯片。

  代表:很多传感器接口芯片、通信芯片(如基带处理器)、SoC(见下文)。

  ▌按集成度分类

  SSI (Small-Scale Integration, 小规模集成电路)

  :集成几十个晶体管(如简单的逻辑门)。

  MSI (Medium-Scale Integration, 中规模集成电路)

  :集成几百个晶体管(如计数器、译码器)。

  LSI (Large-Scale Integration, 大规模集成电路)

  :集成几千到几万个晶体管(如早期的微处理器、存储器)。

  VLSI (Very Large-Scale Integration, 超大规模集成电路)

  :集成几十万到几百万个晶体管(现代大多数芯片都属于此范畴)。

  ULSI (Ultra Large-Scale Integration, 特大规模集成电路)

  :集成上千万甚至数十亿个晶体管(如现代高性能CPU、GPU)。

  ▌按应用领域分类

  通用芯片

  设计用于广泛的应用场景,如CPU、GPU、标准存储器。

  专用集成电路 (ASIC - Application-Specific Integrated Circuit)

  为特定应用或客户定制设计的芯片,性能和功耗优化,但开发成本高。

  系统级芯片 (SoC - System on Chip)

  将一个完整系统的大部分甚至全部功能(如CPU、GPU、内存控制器、DSP、I/O接口、射频模块等)集成在单一芯片上。这是现代电子设备(尤其是移动设备)的核心,如手机的主控芯片(如高通骁龙、苹果A系列)。

  IC设计的基本概念

  IC设计是创造芯片的“蓝图”和“规划”的过程,是一个高度复杂、多学科交叉的工程。这里主要介绍数字IC的设计,分为两大阶段:

  ▌前端设计 (Front-End Design)

  专注于功能的定义、验证和逻辑实现。

  规格定义 (Specification)

  明确芯片需要实现的功能、性能指标(速度、功耗)、接口标准等。

  架构设计 (Architecture Design)

  设计芯片的整体结构,如采用何种处理器核心、总线结构、存储层次等。

  RTL设计 (Register-Transfer Level Design):

  使用硬件描述语言(HDL),如Verilog或VHDL,编写代码来描述芯片的行为和数据在寄存器之间流动的方式。这是前端设计的核心,将功能需求转化为可综合的逻辑描述。

  功能验证 (Functional Verification):

  通过仿真(Simulation)等手段,确保RTL代码在各种输入条件下都能正确实现预期功能。

  这是设计过程中耗时最长、成本最高的环节之一,目标是“把错都找出来”。

  逻辑综合 (Logic Synthesis):

  使用EDA(Electronic Design Automation,电子设计自动化)工具,将RTL代码自动转换为由标准单元库(如与门、或门、触发器等)构成的门级网表(Netlist)。这个过程会考虑时序、面积和功耗的约束。

  ▌后端设计 (Back-End Design)

  专注于物理实现,将逻辑设计转化为可以在晶圆上制造的物理版图。

  物理实现 (Physical Implementation):

  布局 (Placement)

  将门级网表中的所有标准单元在芯片版图上进行物理摆放。

  布线 (Routing)

  根据网表连接关系,在布局好的单元之间铺设金属导线。

  静态时序分析 (Static Timing Analysis, STA)

  在不进行仿真的情况下,分析电路中所有可能的时序路径,确保信号能在时钟周期内稳定传输,满足建立时间(Setup Time)和保持时间(Hold Time)的要求。

  物理验证 (Physical Verification):

  设计规则检查 (Design Rule Check, DRC)

  确保版图符合晶圆厂的制造工艺规则(如最小线宽、最小间距)。

  版图与电路图一致性检查 (Layout vs. Schematic, LVS)

  确保最终的物理版图与原始的门级网表在电气连接上完全一致。

  电气规则检查 (Electrical Rule Check, ERC)

  检查版图中的电气连接是否正确(如避免悬空引脚)。

  寄生参数提取 (Parasitic Extraction)

  提取布线产生的寄生电阻、电容等参数,用于更精确的时序和功耗分析。

  最终交付

  生成符合晶圆厂要求的GDSII或OASIS格式的版图文件,交付给晶圆厂进行制造。


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全球首款1.8nm芯片来了!
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2026-01-04 16:10 reading:312
芯片Layout中的Guard Ring是什么?
  在芯片设计中,Guard Ring(保护环) 是一种环绕在敏感电路或器件(如模拟电路、高精度器件、存储器单元、I/O驱动器等)周围的版图结构,形成关键的“隔离带”。它的核心使命是提高电路的可靠性、性能和抗干扰能力,是复杂芯片(尤其是混合信号芯片、高可靠性芯片)成功量产的关键因素之一。  Guard Ring的物理构成  Guard Ring并非单一结构,而是由多个精心设计的物理组件协同构成:  1衬底接触环  采用高掺杂的P+区域(P型衬底)或N+区域(N型衬底/深N阱)。其核心作用是提供到半导体衬底的低阻连接。它能有效收集衬底中不需要的少数载流子,防止其干扰被保护电路,稳定衬底电位,减少衬底噪声耦合,并为潜在寄生电流提供泄放路径。  2阱接触环标题  采用高掺杂的N+区域(N阱)或P+区域(P阱)。它提供到阱的低阻连接点,稳定阱电位并收集阱中产生的少数载流子。在双阱工艺中,N阱接触环本身就能阻挡衬底中的少数载流子(空穴)进入N阱。  3隔离结构  通常指浅沟槽隔离或深沟槽隔离。它在物理上分隔保护环内外的区域,阻止表面漏电流路径,增加载流子从外部扩散进入保护区域的难度,是防止闩锁效应的关键物理屏障。  4连接线  通过通孔和金属层将衬底接触环和阱接触环连接到指定电位(VSS或VDD)。确保这些连接具有极低的电阻至关重要。  Guard Ring的核心作用  Guard Ring通过其物理结构实现多重关键保护功能:  1防止闩锁效应  这是Guard Ring最核心的作用。闩锁效应由芯片内部寄生的PNPN结构意外触发引发,可导致大电流、功能失效甚至芯片烧毁。Guard Ring通过提供低阻的阱和衬底接触,有效收集触发闩锁的寄生载流子,在其达到触发浓度前将其泄放。同时,隔离结构增加了载流子横向流动的阻力。它对包含NMOS和PMOS相邻放置的电路(如CMOS反相器、I/O驱动器)的保护尤为关键。  2抑制衬底噪声耦合  芯片上不同模块(尤其是数字模块与敏感的模拟/射频模块)工作时产生的噪声会通过公共硅衬底传播。连接到干净VSS的衬底接触环作为一个低阻抗的“汇”,能吸收和分流试图进入保护区域的衬底噪声电流,为被保护电路提供局部的“安静地”,显著降低噪声干扰。  3阻挡少数载流子注入  芯片某些区域(如开关状态的NMOS源/漏、反向偏置的PN结)可能向衬底注入少数载流子(电子或空穴)。这些载流子扩散到敏感区域(高阻节点、存储节点、精密基准源)会引发漏电流、电压偏移或数据错误。Guard Ring(尤其是反向偏置的阱接触环,如N阱环接VDD阻挡空穴)能收集这些扩散载流子,阻止其到达敏感区域。  4提高器件隔离度与可靠性  在需要高隔离度的应用(如RF电路、混合信号电路)中,Guard Ring有助于减少相邻器件间通过衬底的串扰。通过综合防止闩锁、减少噪声干扰和漏电流,Guard Ring显著提升了被保护电路的长期工作可靠性和稳定性。  设计与实现考量  Guard Ring的设计需结合具体工艺和电路需求:  必要性:为MOS器件提供衬底/阱电位(Bulk端)的Guard Ring是必不可少的。用于隔离噪声或防止Latch-up的Guard Ring则需评估实际需求(是否存在噪声源或对噪声敏感)。  结构选择:根据保护对象(PMOS/NMOS/DNW器件)选择对应的NWring、PSUBring或DNWring结构。其版图实现需严格遵循特定工艺的设计规则(Design Rule),例如有源区(AA/OD)与注入层(SP/PP/SN/NP)的包围关系、接触孔(CT/CONT)的尺寸和间距、金属层(M1)的连接等。  增强防护:有时会采用双层Guard Ring结构,以进一步降低阱/衬底的寄生电阻压降,增强隔离效果,更有效地降低Latch-up风险。  面积权衡:添加Guard Ring必然增加芯片面积。设计时必须在防护效果和成本(面积)之间进行仔细权衡。  Guard Ring是芯片版图设计中基础而关键的防护结构。其本质是通过在敏感电路周围精确构建阱接触环、衬底接触环和隔离结构,并将它们连接到合适的电源/地网络,共同形成一个高效的载流子收集阱和噪声隔离带。它从根本上防止了致命的闩锁效应,有效抑制了衬底噪声耦合,并阻挡了有害的少数载流子注入,从而极大提升了芯片的鲁棒性、性能和可靠性。
2025-10-30 14:49 reading:583
全球首款,我国芯片研制获重大突破!
  据《科技日报》报道,近日,清华大学电子工程系方璐教授团队在智能光子领域取得重大突破,成功研制出全球首款亚埃米级快照光谱成像芯片“玉衡”,标志着我国智能光子技术在高精度成像测量领域迈上新台阶。相关研究成果在线发表于学术期刊《自然》。  科研团队基于智能光子原理,创新提出可重构计算光学成像架构,将传统物理分光限制转化为光子调制与计算重建过程。通过挖掘随机干涉掩膜与铌酸锂材料的电光重构特性,团队实现高维光谱调制与高通量解调的协同计算,最终研制出“玉衡”芯片。“玉衡”光谱成像芯片概念图。图片来源:清华大学  “玉衡”芯片仅约2厘米×2厘米×0.5厘米,却可在400—1000纳米的宽光谱范围内,实现亚埃米级光谱分辨率、千万像素级空间分辨率的快照光谱成像,能在单次快照中同步获取全光谱与全空间信息,其快照光谱成像的分辨能力提升两个数量级,突破了光谱分辨率与成像通量无法兼得的长期瓶颈,为高分辨光谱成像开辟了新路径。  方璐表示,“玉衡”攻克了光谱成像系统的分辨率、效率与集成度难题,可广泛应用于机器智能、机载遥感、天文观测等领域,以天文观测为例,“玉衡”的快照式成像每秒可获取近万颗恒星的完整光谱,有望将银河系千亿颗恒星的光谱巡天周期从数千年缩短至十年以内,凭借微型化设计,它还可搭载于卫星,有望在数年内绘制出人类前所未有的宇宙光谱图景。
2025-10-16 14:25 reading:564
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