关于芯片设计的一些基本知识

芯片的设计理念

众所周知，芯片拥有极为复杂的结构。

以英伟达的B200芯片为例，在巴掌大的面积上，塞入了2080亿个晶体管。里面的布局，堪称一个异次元空间级的迷宫。

英伟达B200芯片

如此复杂的架构，无论是制造还是设计，都具有极大的难度。

早期集成电路刚刚诞生的时候，晶体管的数量并不多，结构也不复杂。

所以，基本上都是设计工程师直接在图纸上绘制电路的物理版图，然后把版图送到制造工厂，工厂进行生产。

早期的手绘门电路图纸（来自仙童半导体）

他们手工绘制的版图是非常精细的，直接具体到了晶体管的物理层级，包括布局布线等。

早期手工制作光掩模（1970年）

随着集成电路变得越来越复杂，他们仍然采用这种方式，先画底层细节，然后进行“拼接”，最终组成一个完整的集成电路。

这种设计理念，叫做自底向上（Bottom-Up）设计。

英特尔4004芯片的设计图（1971年）

这里就要说明一下，一颗芯片从设计的角度来看，是分为不同层级的。

从上到下，依次是：系统层、RTL层、门级层、晶体管层、布局布线层、掩膜层。

系统层，是最高层，是站在整个宏观的角度对芯片进行整体设计。

RTL层，是寄存器传输层（Register Transfer Level）。门级层的“门”，就是门电路。门电路是由晶体管搭建的。

掩模，在之前晶圆制造里介绍过，就是光掩模版，是芯片设计的最终产物，是最底层的、最能够从细节对芯片进行描述的东东。掩模层，是最底层。

自底向上（Bottom-Up）设计适用于早期的集成电路和PCB传统电路。

到了上世纪70-80年代，集成电路发展为大规模和超大规模集成电路，晶体管数量超过1万。

此时，再采用自底向上（Bottom-Up）方式就不合适了。于是，自顶向下（Top-Down）的设计理念开始崛起。

简单来说，就是不再从细节开始入手，而是“先宏观，再微观”——先做系统级设计，然后再做RTL级设计（逻辑功能设计）。等上层设计完成后，再进行下层设计（门级层、晶体管层、布局布线层和掩膜层），完善每一个细节。

自顶向下（Top-Down）设计理念一直到现在都是主流。对于日益复杂的芯片架构来说，这种方式具有更高的效率、更短的设计周期，以及更低的设计成本。

逐级的设计，伴随着逐级的仿真验证，所以，这种设计方式的成功率也很高。

芯片的设计工具