駕車時，車輛可以自動感知周圍環境動態信息，自動避障；外出旅游，隨身攜帶的智能相機就能輕松拍出超高清畫面，即時分享；回到家中，燈光自動開啟、機器人已經家中打掃干凈……芯片的出現，無疑讓生活步入了更加智慧的模式。芯片究竟是什么？為什么會成為人類不可或缺的核心科技？一個小小的硅片，承載著幾千萬甚至數百億的晶體管，它是如何被設計和制造出來的？這條短視頻，幫你快速了解芯片設計、制造全過程。
一顆芯片的誕生，可以分為芯片設計與芯片制造兩個環節。
芯片設計： 規劃“芯”天地
芯片設計階段會明確芯片的用途、規格和性能表現，芯片設計可分為規格定義、系統級設計、前端設計和后端設計4大過程。
1. 規格定義，工程師在芯片設計之初，會做好芯片的需求分析、完成產品規格定義，以確定設計的整體方向。例如：成本控制在什么水平，需要多少TOPS的AI算力，是否功耗敏感，支持哪些聯接方式，系統需要遵循的安全等級等。
2. 系統設計， 基于前期的規格定義，明確芯片架構、業務模塊、供電等系統級設計，例如CPU、GPU、NPU、RAM、聯接、接口等。芯片設計需要綜合考量芯片的系統交互、功能、成本、功耗、性能、安全及可維可測等綜合要素。
3. 前端設計，前端設計時，設計人員根據系統設計確定的方案，針對各模塊開展具體的電路設計，使用專門的硬件描述語言（Verilog或VHDL），對具體的電路實現進行RTL（Register Transfer Level）級別的代碼描述。代碼生成后，就需要嚴格按照已制定的規格標準，通過仿真驗證來反復檢驗代碼設計的正確性。之后，用邏輯綜合工具，把用硬件描述語言寫成的RTL級的代碼轉成門級網表（NetList），以確保電路在面積、時序等目標參數上達到標準。邏輯綜合完成后需要進行靜態時序分析，套用特定的時序模型，針對特定電路分析其是否違反設計者給定的時序限制。整個設計流程是一個迭代的流程，任何一步不能滿足要求都需要重復之前的步驟，甚至重新設計RTL代碼。
4. 后端設計，后端設計是先基于網表，在給定大小的硅片面積內，對電路進行布局（Floor Plan）和繞線(Place and Route)，再對布線的物理版圖進行功能和時序上的各種驗證(Design Rule Check、Layout Versus Schematic等)，后端設計也是一個迭代的流程，驗證不滿足要求則需要重復之前的步驟，最終生成用于芯片生產的GDS(Geometry Data Standard)版圖。
芯片制造：點“沙”成金
芯片制造環節中，芯片是如何被“點沙成金”的呢？看似無關且不起眼的沙子，富含二氧化硅，而二氧化硅通過高溫加熱、純化、過濾等工藝，可從中提取出硅單質，然后經特殊工藝鑄造變成純度極高的塊狀單晶硅，稱作單晶硅棒（Crystal Ingot）。單晶硅棒根據用途被切割成0.5mm-1.5mm厚度的薄片，即成為芯片的基本原料，硅晶圓片，這便是“晶圓（Wafer）”。
晶圓（Wafer）經過拋光處理及一系列嚴格篩查后，投入第一階段的生產工藝，即前段生產（Front End Of Line）。這一階段主要完成集成晶體管的制造，包括光刻、薄膜、刻蝕、清洗、注入等幾大模塊的工藝。
第一階段前段生產（FEOL）完成后，接著開始后段生產（BEOL），BEOL由沉積無摻雜的氧化硅（也就是硅玻璃）開始，通孔由金屬鎢填充，然后制作晶體管間的電連線，最終得到滿足芯片要求的晶圓。獲得晶圓后，用圓鋸切割芯片，嵌入封裝中。芯片使用引線與封裝的引腳結合，封裝蓋子保護芯片不受外界灰塵污染。一顆融合人類智慧結晶的芯片就誕生了！
本文展示的芯片設計及芯片制造流程已經大幅簡化，微處理器的生產實際上包含著數千道工藝過程，持續時間長達數周。從個人通信到家庭生活，從交通出行到城市管理等每個人生活的方方面面，都離不開芯片，它是現代社會真正憑借“小身材”而擁有“大智慧”的硬核存在。
