芯片设计分为前端设计和后端设计，前端设计（也称逻辑设计）和后端设计（也称物理设计）并没有统一严格的界线，涉及到与工艺有关的设计便是后端设计。类比建造楼房，芯片设计便是画出那张施工设计图，不同的是，比较那张施工设计图，芯片设计更为繁芜，以数字芯片设计为例，芯片设计的流程如下图所示，大体可用四个步骤概括：
1.系统级：系统级设计便是制订系统规格，即在明确市场需求后，将市场需求转化为芯片的规格指标，然后形成芯片Spec，也便是芯片规格解释书，它会详细描述这款芯片的功能、性能、尺寸、封装、运用等内容。这个步骤就像是在设计建筑前，先决定要几间房间、浴室，有什么建筑法规须要遵守，在确定好所有的功能之后在进行设计，这样才不用再花额外的韶光进行后续修正。
比如某家公司要研发一款芯片，那么芯片所要达到的功能与性能是怎么样的，都须要提前确定好，这样研发职员才能拿出设计办理方案和详细实现架构，划分模块功能。
2.架构级：架构级设计包括创建或购买知识产权 (IP) 块，以及定义软件接口、时序、性能、面积和功率限定。它是为了让芯片有升级空间，在系统规格的根本之上从架构和算法上把芯片模块化。换句话说便是结合架构和算法把芯片的总体构造搭建出来，同时定义出各个功能模块。对应到建屋子，这一步骤就像初步记下建筑的规画，将整体轮廓描述出来，方便后续制图。
架构级设计须要利用硬件描述措辞（HDL，Hardware Description Language）搭建功能模块。对付数字电路，这个阶段叫做RTL（Register Transfer Level，寄存器传输级）设计，常日是用Verilog来进行；对付仿照电路，这个阶段叫做仿照设计，早期的仿照器件晶体管较少，随着技能发展，仿照电路集成度提高，涌现了SPICE这样的设计仿真软件。
搭建功能模块后，紧接着便是逻辑功能的仿真验证（称之为前仿真），仿真验证是担保芯片功能性和精确性的关键步骤。考验的标准便是第一步制订的规格。看设计是否精确地知足了规格中的所有哀求。规格是设计精确与否的黄金标准，统统违反，不符合规格哀求的，就须要重新修正设计和编码。设计和仿真验证是反复迭代的过程，直到验证结果显示完备符合规格标准。很多没有履历初入半导体行业的公司每每在这步就已经折戟沉沙。
注：RTL设计是指不关注寄存器和组合逻辑的细节（如利用了多少逻辑门、逻辑门之间的连接拓扑构造等），通过描述寄存器到寄存器之间的逻辑功能描述电路的HDL层次。RTL级是比门级更高的抽象层次，利用RTL级措辞描述硬件电路一样平常比门级描述大略高效得多。
注：HDL是描述电子系统硬件行为、构造和数据流的措辞。利用这种措辞，数字电路系统的设计才可以从顶层到底层（从抽象到详细）逐层描述自己的设计思想，用一系列分层次的模块来表示极其繁芜的数字系统。有了HDL，借由措辞代码便可轻易地将一颗 IC 地功能表达出来，接着便是检讨代码功能的精确性并持续修正，直到它知足期望的功能为止。常利用的 HDL 有 Verilog、VHDL 等。
3.门级：门级设计又称逻辑综合，其结果便是把设计实现的HDL代码翻译成门级网表（网表是一类专业的、高效的信息化系统制作工具）。在逻辑综合时，必须要加入设定的约束条件，也便是综合出来的电路要在面积，时序等目标参数上达到的标准。逻辑综合须要基于特定的综合库，不同的库中，门电路基本标准单元的面积，时序参数是不一样的。以是，选用的综合库不一样，综合出来的电路在时序，面积上是有差异的。一样平常来说，综合完成后须要再次做仿真验证（称之为后仿真）。
有了完全规画后，接下来便是画出平面的设计蓝图。在IC设计中，逻辑合成这个步骤便是将确定无误的HDL code，放入电子设计自动化工具(EDA Tool，EDA我们将会在接下来的文章详述，这里只需知道它是设计中用到的软件工具即可)，让电脑将HDL code转换成逻辑电路，产生如下的电路图。之后，反复确定此逻辑门的设计图是否符合规格并修正，直至功能精确为止，得到终极的门级网表电路。完成这一步后也就完成了前端设计。类比于房屋设计，这一步就像是完成房屋的格局设计。
4.晶体管级：晶体管级设计包含布局布线设计、布线验证、寄生参数提取、布线后电路天生、布线后仿真、静态时序剖析。这一步也到了后端设计，须要开始可测性设计（Design for Testability，DFT)。DFT的目的是在设计的时候就考虑将来的测试。如果通过了DFT，那就可以进行布局方案了，布局方案能直接影响芯片终极的面积。布局方案完成后就须要对时钟旗子暗记单独布线，再进行普通旗子暗记布线，包括各种标准单元（基本逻辑门电路）之间的走线。布线之后对寄生参数提取，末了再对完成布线的物理版图进行功能和时序上的验证，后端设计就完成了。这一步则像是完成房屋的水电方案设计，并给出终极的房屋设计版图。
须要把稳的是，在晶体管设计中须要结合代工厂的元件资料库及DRC（设计规则检讨，Design Rule Checking）完成版图设计天生GSDII文件，完成这些，芯片设计部分就算是结束了，下一步就要进入制造阶段，即光掩模制造及后续制造流程等。详细地，这一过程是将合成完的代码再放入另一套 EDA工具，进行电路布局与绕线(Place And Route)。在经由不断的检测后，便会形成如下的电路图。图中可以看到蓝、红、绿、黄平分歧颜色，每种不同的颜色就代表着一张光罩。
注：DFT技能是在知足芯片正常功能的根本上，通过有效的加入测试电路，来降落产品的测试难度，降落测试本钱。这样，对设计职员就提出了更高的哀求，既要能实现正常的功能，又要加入不太多的电路能够达到测试目的，又不能让测试模块霸占太多的功耗和面积，因此，理解并节制DFT技能是每个从业者的基本本色。
注：寄生参数提取，由于导线本身存在的电阻，相邻导线之间的互感,耦合电容在芯片内部会产生旗子暗记噪声，串扰和反射。这些效应会产生旗子暗记完全性问题，导致旗子暗记电压颠簸和变革，如果严重就会导致旗子暗记失落真缺点。提取寄生参数进行再次的剖析验证，剖析旗子暗记完全性问题是非常主要的。寄生参数提取的紧张目的是建立一个精确的电路仿照模型，使详细的仿照能够仿照实际的数字和仿照电路相应。
注：DRC是版图验证中的主要工具，包括设计规则检讨，检讨连线间距、连线宽度等是否知足工艺哀求。它在版图的几何图形上实行检讨，确保版图数据能够进行生产，并在给定的集成电路工艺技能上得到高成品率。
当然了，实际的芯片设计工序会远远比上面提到的繁芜，就像下图一样实际设计事情会须要非常多的反复设计、修正、验证事情，还要考虑代工厂的制造工艺。实际上，从芯片最初的架构设计到末了的流片，验证事情贯穿了全体设计流程，目前全体芯片设计70%旁边的事情量已经被验证所霸占，如上面提到的DRC便是版图验证中的一种。
至此我们已经对芯片设计的紧张流程进行了先容，从先容中我们也能直不雅观的感知到芯片设计流程之繁芜。芯片设计是一个知识密集型行业，技能门槛高，对峙异人才的需求也高。同时，设计环节霸占集成电路代价量的四成旁边，是一个市场空间非常大的行业，因此也不难明得我国一定要在这一领域霸占一席之地的缘故原由。
当下，仍是由外洋龙头主导芯片设计行业，根据Gartner数据，2021年环球芯片设计前十大厂商中有7家为美国企业，CR10为54.6%。数字芯片领域，高通、英伟达等国际巨子高度垄断，剩余市场空间较小，GPU、CPU等细分领域国产化率较低。根据IC Insights统计，2021 年环球第一大仿照IC厂商德州仪器市占率19%， CR5为51.5%。中国半导体行业协会数据表明，我国仿照芯片自给率从 2017 年的6%提升至2021年的约12%，仍旧处在一个非常低的水平。
通过上面一系列的数字可以看出，我们与外洋厂商仍有不小的差距，在这种情形下，美国又不遗余力地对我们的半导体家当进行打压。另一方面，无论是要提升我们的科技水平，还是要提升我们的生活水平，都不可能不发展我们的芯片家当。因此，认识到困难的同时，也要看到国产替代的巨大空间，道路是曲折的，出息是光明的，如何穿过弯曲的道路达到光明的出息是当下不得不思考的问题。我想充分认识到与外洋厂商的差距、差异及其缘故原由将是我们的第一步，在此大略谈一下我们的三个思考。
1.我国芯片设计企业与外洋公司商业模式的差异：从商业模式上看，芯片设计之后的制造环节对工艺协同及设备等哀求较高，初始投资本钱较大。而比较于环球龙头企业而言，海内厂商收入规模和产品数量相对较少，因此多采纳Fabless模式，将制造、封测的环节交由外协厂商，并实现芯片设计产品的迭代创新，财务上则表现为较高的资产收益率。Fabless模式初始投资规模和创业难度较小，紧张依赖研发职员，因而企业运营用度更低，产品转型更加灵巧。比较之下，德州仪器、 美光科技、英特尔等国际龙头企业采纳IDM或Fab-lite模式运营，均培植了自有生产线，家当链布局更加完善。
2.我国芯片设计行业的核心痛点之一在于人才不敷：芯片设计下贱运用市场对功能、能耗、体积、续航韶光等不断提出更高哀求，催生了芯片设计和制造流程更加繁芜化。由于设计环节涉及物理、化学、打算机等多个学科， 属于知识密集型领域，对人才的技能及综合本色哀求较高。目前我国自主培养的有履历人才尚少，部分出国留学人才毕业后选择外洋事情，人才流失落率高。 同时， 培养一个闇练工程师的周期较长，如IC硬件设计师入行需靠近三年，独当一壁完成新产品打破常日需近十年之久，发展周期较长。因此海内芯片设计人才缺口明显，制约了我国芯片设计家当的发展。
3.我国芯片设计行业的核心痛点之二在于家当生态不完善：对付芯片设计而言，其终极运用时须要与其他软硬件举动步伐协作支撑整体的正常运行。由于开拓自主的操作系统初始投入较高且难度较大，因此国产芯片每每须要购买相应版权，难以独立构建完善的家当生态体系。 而芯片家当各环节在这个生态体系中又相互依赖，缺失落任何一个环节都可能严重制约其他环节的发展。此外，我国芯片设计公司数量迅速增长，家当资源较为分散，低端产品恶性竞争导致利润率较低，高端产品则缺少足够的人才和资金投入，这反过来又进一步限定了我们的芯片家当升级。
通过对以上几个难点的论述，我们会创造，这些难点不仅是设计环节的痛点，更是全体家当生态的痛点。所幸的是，我们拥有巨大的市场，我们的芯片生态体系也初步建立，也在逐步呈现出像圣邦股份、韦尔股份、澜起科技、卓胜微等精良的公司。星星之火，可以燎原，对未来我们武断而充满期待。
