芯片制造核心技术流程_芯片研发流程

作者：禅与计算机程序设计艺术

1.简介

体系结构创新工程师主要负责华为自主研发的系统级芯片、AI处理器、边缘计算平台等领域的设计、研发、测试和部署，他们往往是华为技术部高层领导人才，对华为产品及服务的成功至关重要。任正非认为，体系结构创新工程师一定要有一颗强烈的学习能力，善于发现和解决新的问题，而且他也强调研发效率、开发质量、稳定性和安全性是决定一个领域发展的四大基准，因此，有必要通过一篇博客文章对体系结构创新工程师的工作进行梳理，为后续培养这个角色打下坚实的基础。

2.基本概念术语说明

2.1 系统级芯片

体系结构创新工程师通常都负责研发各种类别的系统级芯片，如处理器、网络芯片、内存芯片、图像处理芯片、加速卡、集成电路、RFID读写芯片等。这些芯片都是用于解决特定功能的设备，它们的功耗和性能都要求非常高，所以它们一般需要高度的可靠性和低功耗，同时还要能够满足应用的各种特殊需求。系统级芯 pixel 是华为所有手机、笔记本电脑、服务器和各种智能设备所用的集成电路板。

2.2 AI处理器

AI处理器主要由人工神经网络(Artificial Neural Network, ANN)组成，可以实现自动学习、智能决策、自我改进等功能。这些处理器能够完成复杂的图像识别任务、机器翻译、语音合成、文本理解等高级功能。目前，华为的AI处理器已经超过了五亿像素的摄像头范围，这些芯片的性能得到了验证，但仍然存在很多瓶颈待解决。

2.3 边缘计算平台

边缘计算平台是一个用于海量数据分析的分布式、可编程的计算平台。它可以将存储在海量数据的设备上的数据进行快速分析和处理，并在几秒内返回结果。它可以帮助企业管理和运营海量数据，提升生产力和效率。华为的边缘计算平台最初的目标是在各种边缘设备上运行传感器和机器学习模型，如汽车的环境数据、智能手机的屏幕图像、机器人的激光雷达数据等。由于AI处理器的性能限制，目前这种平台的发展存在很大的障碍。

3.核心算法原理和具体操作步骤以及数学公式讲解

3.1 系统级芯片

3.1.1 VLIW处理器架构

VLIW处理器（Very Long Instruction Word，超长指令字）是一种用于实现多线程或复杂功能的处理器架构，其特点是指令长度较长，每条指令包含多个微指令，不同微指令可以在同一时钟周期执行。它通常采用动态分支预测和指令调度等机制，可以有效地降低资源开销，提高处理速度。系统级芯片的研发主要基于VLIW处理器架构。

典型的系统级芯片由以下几个部分构成：

• 控制器：负责调度各个部件工作，包括指令的生成、调度、取指、译码、执行等。
• 加速器：负责执行运算指令，如乘法、除法、加法、移位、比较等。
• 缓存：存放指令和数据，从而加快访问速度。
• I/O单元：用来处理外设的输入输出。
• 片上存储：存放静态信息，如指令、配置参数和初始化状态等。

不同类型的系统级芯片可以由不同的指令集、硬件配置、数据流水线布局和电气特性等方面区分。有的系统级芯片如图像处理芯片可能需要更好的性能，但它们在内存方面也有限，无法支持在线训练。另外，不同的系统级芯片之间也存在差异，有的系统级芯片拥有单核性能，有的系统级芯片拥有多核并行性能。

3.1.2 芯片资源分配方法

目前，芯片的资源分配方式一般采用以下三种方法之一：

• 确定性分配：即从零开始设计每个部件，然后根据资源占用和性能要求设置分配比例。比如，AMD Opteron系列处理器的设计者们就采用这种方法，他们从零开始设计处理器，确定各部分的资源分配比例，这样可以保证资源利用率和性能之间的平衡。
• 自动化分配：系统级芯片的开发者们可以利用人工智能算法自动搜索最佳资源分配方式。比如，英伟达Tesla P100 GPU的研发者们就采用了一种自动化分配方式，系统级芯片开发者可以提供一些配置参数，让GPU的开发者们找出最合适的资源分配方案。
• 演化式分配：即根据历史设备的资源分配方式，采用某些机制来调整当前设备的资源分配策略。比如，英特尔Xeon Phi处理器的设计者们就采用了演化式分配策略，他们研究了目前最优秀的设备，将它们的设计模式发表出来，并将这些模式推广到其他设备上，来促进设备的竞争和进步。

3.1.3 可靠性和安全性

可靠性和安全性是系统级芯片的两个关键因素，如果系统级芯片出现错误，则其正确性可能受到影响。一般来说，系统级芯片的可靠性和安全性可以由以下几方面考虑：

• 容错性：系统级芯片应该具备良好的容错能力，即它应当有能力在出现故障时恢复正常状态。比如，Intel的Skylake处理器有较好的容错能力，它的接口规范、协议、驱动程序、BIOS等都有针对潜在失败的容错措施。
• 可信任性：系统级芯pixe应当可信赖，它应当能够防止恶意攻击、篡改数据。比如，英特尔的Arria 10 GX FPGA开发团队提出了可信任启动（Trusted Boot）机制，该机制使得FPGA只能在合法的固件加载后才能工作，这样就可以防止恶意攻击。
• 安全性：系统级芯片的安全性也可以通过措施来实现。比如，英伟达的Jetson TX2处理器开发团队提出了安全启动（Secure Boot）机制，该机制使得处理器只能在固件签名认证后才能运行，可以防止恶意篡改。
• 性能：系统级芯片的性能应该足够好，以确保其能够支持应用的各种需求。比如，英特尔的Ice Lake架构处理器有强大的AVX512指令集，可以支持高性能的图像处理任务。

3.2 AI处理器

3.2.1 深度学习与神经网络

深度学习（Deep Learning）是机器学习的一个分支，它利用多层神经网络进行学习。人工神经网络（Artificial Neural Network，ANN）是一种模拟人类的神经网络结构，它是一种多层的神经元网络，其中每一层由多个神经元节点组成。一个典型的ANN由输入层、隐藏层和输出层组成。输入层接收外部信号，隐藏层与各个神经元相连，并传递给下一层。输出层则产生最终的输出信号。

通过这种连接方式，ANN可以接受输入、处理信息、产生输出。与传统的分类器不同的是，ANN可以模拟人类的生理构造，并且能够进行复杂的图像识别和自然语言处理。

3.2.2 加速方法

目前，华为的AI处理器均采用了类似于现代CPU的VLIW处理器架构，不同的是它们中的部分处理单元采用了专门的AI加速器。因此，为了能够充分利用AI处理器的性能，必须首先对处理器进行优化。

目前，华为的AI处理器中，GPU和TPU都是采用了类似于ARM big.LITTLE架构的多核处理器架构。GPU通常包含两种核心，分别运行浮点运算、整数运算和图形处理任务，另外还有一块称作“HBM”的内存，可以作为GPU本地的高带宽存储器。同时，GPU支持多线程，可以并行执行许多不同的任务，并可以使用Tensor Core计算加速矩阵乘法。TPU包含一个核心，可以运行整数运算和图形处理任务，但却没有浮点运算单元。TPU侧重于推理，因此TPU的运算速度比GPU要慢一些。

除了架构上的差异，AI处理器也存在着许多差异。比如，GPU和TPU的浮点运算性能不同，GPU的浮点运算性能要比TPU高。因此，华为的AI处理器研发者们必须结合实际需求，选取合适的处理器类型，以达到最优的性能。

3.2.3 机器学习的发展和应用

随着人工智能技术的发展，越来越多的研究人员开始关注机器学习。机器学习是一种以数据为驱动，以算法为引导的用于训练和预测的技术。它可以应用于各种领域，如图像识别、自然语言处理、预测分析、推荐系统、广告排序等。目前，机器学习已成为学术界和工业界的热点，国内外很多公司纷纷投入巨资进行相关研究。

机器学习领域的研究者们不断探索新算法、新模型，并试图找到合适的机器学习框架。在这个过程中，他们遇到了很多的问题，比如过拟合、欠拟合、标签噪声等。在解决这些问题的同时，他们又面临着新的挑战，比如模型压缩、模型推理效率的提升、异构计算集群上的模型训练等。

近年来，人们越来越倾向于采用统计学习的方法来解决机器学习问题。统计学习是机器学习的一个子分支，它利用统计学的方法来估计模型参数，并使用优化方法来最小化误差。它可以对大量数据进行训练和预测，并取得良好的性能。目前，统计学习已成为许多学术界和工业界的共识，各大高校和公司纷纷致力于推广应用。

3.3 边缘计算平台

3.3.1 大数据处理的挑战

目前，大数据处理面临着多个挑战，如海量数据的收集、存储、分析和处理等。在这些挑战面前，边缘计算平台必须能够应对突发事件，并保持可用性。目前，边缘计算平台主要用于处理那些能够发生在万米以外的应用场景，例如监控、安全、路测、视频分析等。

边缘计算平台的目标是在无线接入、低带宽、弱覆盖条件下，对海量数据进行高效的分析处理。因此，边缘计算平台必须设计成能够承受较大的延迟、较差的连接质量、以及高峰时段的高压力。在这样的情况下，边缘计算平台也需要实现尽可能少的节点部署，以便在资源消耗和成本下降的同时，保持其高可用性。

另一方面，为了防止数据泄露，边缘计算平台必须对数据进行加密，并限制只有授权的应用才能访问。此外，边缘计算平台必须具备很高的处理效率，可以实时响应请求，并能够处理海量数据。

3.3.2 边缘网络的影响

边缘计算平台主要用于处理那些能够发生在万米以外的应用场景，其中包括监控、安全、路测、视频分析等。由于距离地球很远，移动终端的数量和密度都很小，因此移动终端通常都处于弱覆盖状态。此外，由于距离地球很远，无线接入的时延较长，在弱覆盖和高峰时段，移动终端的传输带宽和处理性能可能会受到限制。为了实现应用的无缝衔接，边缘计算平台需要对边缘网络的传输协议、路由机制、丢包重传机制等进行适配和优化。

虽然边缘计算平台面临着诸多挑战，但是其不可替代性和规模效应正在使它成为一个独立的研究领域。

4. 系统级芯片研发流程

系统级芯片的研发流程是一个复杂而细致的过程，通常包括多个阶段和环节。下面将详细介绍系统级芯片研发的一般流程，以帮助您了解这个过程。

1. 需求分析阶段：
   系统级芯片研发的第一步是明确需求。这个阶段的目标是与客户和相关利益相关者进行沟通，了解他们的需求和期望，以及芯片应该具备的功能和性能。这个阶段通常需要进行市场调研、竞争分析和技术可行性评估。

2. 架构设计阶段：
   在需求分析的基础上，开始进行系统级芯片的架构设计。这个阶段的目标是确定芯片的整体结构、核心组件和功能模块，并建立它们之间的关系和交互方式。设计团队通常使用各种设计工具和方法，如系统建模、仿真和优化，来确保芯片的设计满足需求，并具备可扩展性和可靠性。

3. 功能设计阶段：
   一旦芯片的架构确定，就进入功能设计阶段。在这个阶段，设计团队会详细设计每个功能模块的电路和逻辑。他们会使用硬件描述语言（HDL）编写代码，描述芯片的行为和功能。然后，使用电子设计自动化（EDA）工具对这些代码进行仿真、验证和综合，生成电路网表和逻辑门级的设计。

4. 物理设计阶段：
   在功能设计完成后，进入物理设计阶段。这个阶段的目标是将逻辑设计转化为实际的物理结构。设计团队会进行布局设计和布线设计，决定芯片内部电路的位置和连接方式。他们还会考虑功耗、时序和信号完整性等因素，以确保芯片在物理层面上能够正常工作。物理设计完成后，会生成版图文件，用于芯片的制造和生产。

5. 验证和验证阶段：
   在芯片的物理设计完成后，需要对其进行验证和验证。这个阶段的目标是确保芯片的功能和性能符合预期，并且没有错误或缺陷。设计团队会进行各种验证方法，如功能验证、时序验证和电气验证。他们还会使用仿真工具和硬件验证平台对芯片进行测试和调试，以验证其在不同工作条件下的可靠性和稳定性。

6. 制造和生产阶段：
   一旦芯片的设计和验证都完成后，进入制造和生产阶段。这个阶段涉及到与芯片制造厂商的合作，将芯片的版图文件发送给制造厂商，并进行芯片的生产和封装。制造过程中需要考虑工艺、材料和成本等因素，以确保芯片的质量和可靠性。

7. 测试和调试阶段：
   在芯片生产完成后，需要对芯片进行测试和调试。这个阶段的目标是验证芯片在实际工作环境中的性能和可靠性。测试团队会使用各种测试设备和方法，对芯片进行功能测试、性能测试和可靠性测试。他们还会对芯片进行故障分析和修复，以确保芯片的质量和可靠性。

8. 集成和系统调试阶段

5. 芯片制造核心技术

芯片制造是一个涉及精密工艺和复杂技术的过程，它包含了多个核心技术环节。下面将详细介绍芯片制造的核心技术，帮助您了解这些关键技术的重要性和应用。

1. 晶圆制备（Wafer Preparation）：
   晶圆制备是芯片制造的第一步，它涉及到将硅片转化为具有特定特性和结构的晶圆。关键技术包括：

• 单晶生长：通过化学气相沉积或其他方法，在晶圆上生长单晶硅层，以获得高纯度和晶格完整性。
• 切割和抛光：将大块的单晶硅切割成薄片，然后通过抛光和化学机械研磨（CMP）等工艺，使其表面光滑。

2. 光刻（Photolithography）：
   光刻是芯片制造中至关重要的步骤，它用于将芯片的图案转移到晶圆上。关键技术包括：

• 掩膜制备：使用计算机辅助设计软件（CAD）设计芯片的版图，并通过电子束曝光或激光光刻技术将版图转移到光刻掩膜上。
• 曝光和显影：将掩膜放置在晶圆上，然后使用紫外光或激光照射掩膜，通过显影过程去除未曝光的光刻胶，形成芯片的图案。

3. 制程工艺（Process Technology）：
   制程工艺是芯片制造中的核心环节，它涉及到在晶圆上逐步添加和形成不同的材料层和器件结构。关键技术包括：

• 氧化和沉积：使用化学气相沉积（CVD）或物理气相沉积（PVD）等技术，在晶圆上形成氧化层或添加其他材料层。
• 配电和刻蚀：通过光刻和刻蚀工艺，将不需要的材料层或部分刻蚀掉，形成电路和结构。
• 掺杂和扩散：通过离子注入或扩散工艺，在晶圆表面引入或扩散掺杂物，改变材料的导电性能。

4. 金属化和填充（Metallization and Interconnection）：
   金属化和填充是将芯片器件连接起来的关键步骤，它涉及到在晶圆上形成导线和连接结构。关键技术包括：

• 金属蒸镀和电解沉积：使用金属蒸镀或电解沉积技术，在晶圆表面形成金属导线和电极。
• 电镀和填充：使用电镀和填充工艺，填充金属导线之间的空隙和孔洞，以提高导电性和连接性。

5. 封装和测试（Packaging and Testing）：
   封装和测试是芯片制造的最后阶段，它涉及到将芯片封装成可使用的封装体，并对芯片进行功能和可靠性测试。关键技术包括：

• 封装技术：将芯片放置在封装基板上，并使用线或球连接芯片和封芯片制造是一个涉及精密工艺和复杂技术的过程，包含了多个核心技术环节。