Se dice que el procesador A11 tiene 5,5 mil millones de transistores, entonces, ¿cómo diseñaron los ingenieros tantos transistores?

Hoy en día, el número de transistores en los chips SoC de los teléfonos móviles alcanza fácilmente decenas de miles de millones y es imposible extraer uno en un segundo. El diseño de chips de alta gama actual tiene que decir adiós al trabajo manual. El proceso de diseño es muy sofisticado y el proceso de diseño está altamente automatizado. Esto puede evitar la vergüenza de que el "lirio de día" se enfríe después de lanzar el chip.

A continuación se toma un chip digital como ejemplo para guiarlo brevemente a través del proceso de diseño del chip.

El proceso de diseño del chip SoC se puede dividir en front-end y back-end. El front-end es responsable del diseño lógico y genera la lista de red a nivel de puerta (netlist). para el diseño físico, genera el diseño (diseño) y luego pasa el diseño a la fabricación de la fábrica de chips (diseño de cinta).

Por cierto, una de las razones por las que el tapeout se llama tapeout es que en los primeros días, las empresas de diseño de chips usaban cintas para almacenar archivos de diseño de chips y luego enviaban las cintas a la fábrica de chips cuando las necesitaban. a fabricar, conocido como "tapeout". Esta terminología todavía se utiliza hoy en día, aunque ahora existen muchas formas diferentes de entregar archivos de diseño.

Para decirlo sin rodeos, esto es un reflejo de la cultura de los chips. Es lo mismo que el nombre "errores" en las computadoras. Se usó por primera vez en la era de las computadoras centrales de tubos electrónicos. Los insectos voladores que murieron quemados en busca del brillo de los tubos, los ingenieros eliminaron los insectos voladores causados ​​por fallas en el circuito. Más tarde, "Bug" ya no se refería a errores en el mundo real, sino a vulnerabilidades del software.

Volver al proceso de diseño del chip.

Dos procesos principales de diseño de chips

El diseño frontal del chip se puede subdividir en nivel de comportamiento, nivel RTL y nivel de puerta. La función del circuito se describe en el nivel. nivel de comportamiento y en el nivel RTL La estructura del circuito describe la estructura del circuito en el nivel de puerta.

El diseño del back-end del chip consiste en utilizar herramientas EDA para diseñar, enrutar y verificar físicamente la lista de red a nivel de puerta del diseño del front-end y, finalmente, generar archivos de diseño para su uso en la fabricación de la fábrica de chips.

El diseño del chip describe la estructura del circuito en detalle, es decir, qué se debe retener, qué se debe erosionar y qué se debe enrutar. Los fabricantes de chips fabrican máscaras ópticas basándose en diagramas de diseño y luego utilizan máquinas de fotolitografía para fabricar chips.

El proceso anterior es difícil de entender. Puede utilizar la publicación de revistas familiar como una analogía simple:

El diseño frontal equivale a que el editor seleccione el manuscrito de acuerdo con el manuscrito. planificar la selección y editarlo y procesarlo, y determinar qué manuscritos están clasificados en una posición importante (artículo de portada) y qué manuscritos solo sirven para llenar la página. La tarea del diseño de fondo es componer los manuscritos seleccionados, convertirlos en archivos de diseño y entregarlos a la imprenta para su impresión.

En pocas palabras, el diseño frontal del chip es equivalente a editar y procesar manuscritos, y el diseño posterior es equivalente a editar el diseño y componer tipografía.

La razón por la que el diseño de chips se divide en front-end y back-end es principalmente porque la estructura de los chips, especialmente los chips SoC de alta gama, es demasiado compleja. De hecho, la precisión de la división profesional del trabajo es uno de los dos indicadores importantes para medir la complejidad de una industria. El otro indicador es si el grado de automatización es alto.

El diseño de chips es una industria con un alto grado de automatización desde el front-end hasta el back-end, y es inseparable del software EDA (Electronic Design Automation). La empresa de diseño de chips completa el diseño frontal y posterior del chip en la plataforma de software DEA, eliminando la necesidad de dibujar diagramas de circuitos a mano.

EDA es proporcionada principalmente por Cadence y Synopsys en los Estados Unidos. Ambas empresas pueden proporcionar software de diseño front-end y back-end. En la actualidad, las empresas nacionales de diseño de chips, incluidas Huawei HiSilicon, ZTE, Spreadtrum y otras empresas, son inseparables de las plataformas de software EDA de Cadence y Synopsys. ¿Por qué debemos utilizar Cadence y Synopsys? Debido a que estas dos empresas se han desarrollado en la industria durante décadas, el software EDA es completamente funcional, ecológicamente completo y fácil de usar.

Entonces, ¿cómo utilizar el software EDA para diseñar chips? Siete pasos del diseño de chips, hay dos pasos en los que no se puede ver el circuito.

El primer paso es escribir el circuito en Verilog. En este proceso, no se puede ver el diagrama del circuito. Es un montón de lenguaje descriptivo en forma de código.

En el segundo paso, ejecute una simulación digital utilizando una herramienta como VCS o MMSIM. El propósito de la simulación es ver si el diseño escrito puede funcionar normalmente. En este proceso, no se puede ver el circuito, todavía es un montón de código fuente.

El tercer paso es convertir el código fuente en un circuito unitario estándar después de ejecutar la simulación.

El cuarto paso es utilizar herramientas como IC-Compiler para el cableado, es decir, encontrar las posiciones correspondientes del circuito unitario estándar y utilizar software para conectar automáticamente los cables. Este proceso requiere la ayuda de. El proceso de fabricación de chips.

En el quinto paso, complete el circuito unitario estándar en el gráfico y conecte los cables de acuerdo con los requisitos de diseño para formar un gráfico de diseño.

Paso 6: Una vez completado el diseño, no se puede entregar a la fábrica de chips para su producción de inmediato. Quién sabe, esas unidades no están conectadas a la línea, lo que provoca interferencias de ruido, lo que resulta en un mayor consumo de energía y. rendimiento reducido. Para eliminar posibles errores, debe verificar las reglas de diseño y verificar el diseño y el esquema por separado.

Paso 7. Una vez completadas las dos verificaciones principales, el diseño se puede convertir en un archivo electrónico GDSII y entregarlo a la fábrica de chips para su circulación (producción de prueba en pequeños lotes).

Paso 8. Después de la prueba de cinta, si el chip funciona normalmente y cumple con los requisitos de diseño, está bien, deje que la fábrica del chip lo produzca en masa.

Se puede ver que todo el proceso de diseño del chip tiene siete pasos principales. Todo el proceso se completa a través del software EDA en la computadora. No existe ningún proceso para que los ingenieros dibujen diagramas de circuito manualmente uno por uno. uno, o incluso En algunas etapas del diseño front-end, los diseñadores no necesitan pensar en qué tipo de transistores son y qué tan grandes son. En el back-end, los diseñadores no utilizan software para calcular automáticamente cuántos transistores hay. incluido en el chip. El software hará el conteo.

Es con la ayuda del software EDA que incluso si hay decenas de miles de millones de transistores en el chip, el diseño se puede completar fácilmente. Este es el poder y el encanto de la alta tecnología.

Los ingenieros no necesitan diseñar chips transistor por transistor. Muchos circuitos prefabricados, como circuitos de conversión digital a analógico, circuitos de cálculo, circuitos de transformada de Fourier, etc., han sido diseñados por predecesores, y las generaciones futuras solo necesitan optimizar la arquitectura de los chips de la generación anterior y mejorar su precisión. .

1+1+155 millones de 1. Sumar 5.500 millones de 1 lleva mucho tiempo incluso si los cuentas una vez por segundo.

En primer lugar, el diseño de chips no es solo el diseño de transistores, sino un circuito unitario maduro o experimental. Seleccione los circuitos funcionales requeridos y conéctelos en serie o en paralelo con líneas de datos para formar un chip completo. El diseño está completo. En el sistema de control del sistema de soporte, un sistema completo de combinación de chips se considera completo. En cuanto al nivel técnico requerido para la producción de chips, es decir, la fabricación de chips, no tiene nada que ver con el diseño del chip.

Al principio, los ingenieros prepararon los transistores, los colocaron en grupos y luego los enchufaron cuando el procesador no estaba mirando.

Demos un ejemplo;

Quieres construir un edificio, primero debes diseñar los dibujos. Tienes 10,000 habitaciones en este edificio, pero hay 5,000 habitaciones en él. son iguales, 3000 habitaciones son iguales y 2000 habitaciones son iguales, por lo que puede usar directamente 5 opciones de diseño para diseñar estas 4 habitaciones diferentes y luego usar un método de conexión organizado

Así que no. No necesitas diseñar 10.000 habitaciones, sólo necesitas diseñar 4 habitaciones y una forma de combinarlas.

Por lo tanto, queda claro de un vistazo cuánto material se utilizó.

Lo mismo ocurre con el diseño de chips. Aunque algunos chips contienen miles o decenas de miles de millones de componentes, solo es necesario diseñar cómo organizarlos. Solo hay miles o decenas de miles de modelos en su interior. que el arreglo es diferente basta con combinarlos en su conjunto con la misma función.

Estas combinaciones no se hacen manualmente, solo requieren las ideas de las personas, al igual que si quieres poner 100 toneladas de concreto en qué edificio, no necesitas que cientos o miles de personas vayan allí en persona. Se puede excavar a mano y transportarlo sobre los hombros, y un camión puede simplemente detenerlo. El camión es una herramienta para diseñar chips. Cuando conduces, eres el diseñador del chip. Por supuesto, está la grúa torre, que también es una herramienta.

Así que diseñar astillas es la acumulación de un camión, no de una pala, que es demasiado lenta.

Por lo tanto, el diseño de chips requiere múltiples camiones de software y grúas. Cabrestante, martinete, etc.

Las herramientas son muy importantes. Sin herramientas no se puede hacer un edificio muy grande, como 1 millón de habitaciones, 10 millones de habitaciones, etc. Una habitación es un transistor, y hay que diseñar canales, combinaciones, etc., es absolutamente imposible dibujar con una sola persona. Solo puedes usar el software para dibujar 10,000 veces. El software solo tarda unos segundos en completarse. ¿Cuántos días, decenas de miles de millones y cuántos años se necesitan para la mano de obra? ?Usando software, solo necesita Se puede completar en unos pocos segundos. ¿Cuántos días, decenas de miles de millones o años se necesitarán para la mano de obra? Solo toma unos segundos con el software. El software sólo lleva unos meses y es suficiente.

Aunque este ejemplo no es muy apropiado, es bueno tener una comprensión general. Solo somos usuarios. No debemos preocuparnos de cómo obtenerlo, solo de cómo usarlo.

ctrl+c,

ctrl+v.

Método de diseño modular.

Diseña casas, construye casas, produce ladrillos y barras de acero de cemento. Los arquitectos no construyen sus casas con un grano de arena, una cucharada de cemento y una barra de acero.

Por ejemplo, si hay 20 millones de transistores, si quieres conseguir una buena parte y utilizarla en este momento, simplemente tómala y úsala. Esta parte también se compone de muchas partes más pequeñas.

Los primeros circuitos integrados a pequeña escala tenían sólo unas pocas docenas de transistores.

El diseño de chips a gran y ultragran escala requiere la ayuda de un software de diseño, que avanzará con más y más transistores.

Al ver a tanta gente en el área de comentarios comentando que los chips son fáciles de hacer, como construir un edificio, me siento aliviado. El país realmente está desarrollando el sector inmobiliario, así que dejemos de lado la tecnología primero. . Pensé que habría un futuro brillante, así que seguí el torrent.

Basta con mirar la impresora láser. ¿Cuántos años tarda un niño de jardín de infantes en escribir trazo a trazo? La máquina de fotolitografía es 10.000 veces más rápida que la impresora.