可编程门阵列FPGA模拟验证 - 芯片是怎么开发出来的_芯片研发过程详细

　　可编程门阵列FPGA模拟验证

　　现场可编程门阵列FPGA可以能完成任何数字器件的功能，上至高性能CPU下至简单的74电路，都可以用它来实现。FPGA其实是一个包含有大量门电路的逻辑元件，但是它的每一个门的定义可以有使用者来定义，如同一张白纸或是一堆积木，工程师可以通过传统的原理图输入法，或是硬件描述语言自由的设计一个数字系统。通过软件仿真，我们可以事先验证设计的正确性。在PCB完成以后，还可以利用FPGA的在线修改能力，随时修改设计而不必改动硬件电路。所以说使用FPGA来开发数字电路，可以大大缩短设计时间，更为重要的是大大减少了再出现成品芯片以后反复修改，投片资金和时间的消耗，一块几千美元的FPGA（这里指目前最大容量的FPGA）和花费数百万美元得到一块成品芯片相比，消耗是微不足道的。

　　在这个方面，ATI 和 NVIDIA 公司都使用了名为IKOS的FPGA验证系统。 IKOS内部是由多块插卡构成，每块插卡都是一个FPGA阵列，由许多块大规模FPGA组成。 因为到了R300和NV30世代，图形芯片已经成了最复杂的ASIC芯片了，无法用一两块FPGA就能完成验证工作，必须使用这样的专业FPGA验证设备。 当然， FPGA也不是完美无缺的，它固有的缺点就是运行速度还没有ASIC芯片这么快。 和现在动不动运行频率都在200-300MHz 的GPU相比，IKOS 的运行主频大概只有可怜的几十兆Hz左右。当然这些缺点在应用在产品的设计过程中没什么大不了的。它负责的工作就是最终验证芯片设计功能的实现，你可以让IKOS作为显示部分的系统正常运行，进行驱动程序的开发和验证，当然如果你硬要在这样的系统上运行游戏也不是不可能，不过能维持在每秒几帧就不错了。

　　投片生产样片和修正

　　经过前面一系列的验证工作，这道工序就可以告一段落了，几经修订的设计方案被送到了芯片代工厂开始投片生产。代工厂从拿到设计方案到第一批产品下线一般需要四周的时间，不过在这段时间里，设计人员仍旧马不停蹄，继续进行芯片的模拟测试和上市产品PCB（Printed Circuit Boards印刷电路板） 的设计，这就产生了一般官方钦定的“公板”。四周以后，第一批产品下线了，这就是我们一般称为的”A0”版本。 （编者：就是常说的“工程样片”）

　　一般情况下， A0版本的产量不会很多，它们的主要用途还是用来进行测试和修改，一些被送到开发小组继续测试和查错，另一部分被送到相关的卡板厂商处进行相关的测试和设计。由于现在是有了真正的芯片到手了，查错的手段当然也要和前面的模拟手段不同。FIB （Focused Ion Beam聚焦离子束） 系统在这里被引入查错过程。简单的说FIB系统相当于我们平时在医院看到的各种依靠波束能量进行外科类手术的仪器，它们能在不破坏芯片功能的前提下，对芯片进行门电路级别的修改——切断原有的或者是布置新的门连线，不管你需要修改的电路是在芯片金属布线的哪一层，也不会对芯片造成任何的物理损坏。

　　当然，除了FIB设备外，还要使用很多其他的测试手段，像上图这台机器同样是一台探测芯片缺陷的设备，工作原理又完全不同，实际上它是一台高性能原子级别电子显微镜。下面这张图显示的就是一块NVIDIA 芯片在45，000X放大倍数下的面目。 我们在下图中用红线框围绕的部分就是该芯片的缺陷。一般这种缺陷都是在生产过程中造成的， 由于某种其他物质的原子混进高纯度硅晶体中造成的。这台机器能够辨别出混入的这种原子的种类并且判断可能是什么原因这些原子会进入到芯片的这个部分，从而能采取措施避免这种情况的发生，改善成品率。

　　当“所有”的缺陷都得到了修正之后，最终的设计被交付到代工厂进行投片生产，这时的产量就不会像A0版本那么少了，但也不是最终的量产版本，在前面验证基本功无误的情况下，这次生产的芯片要进行各种各样的和正式上市产品相关的测试：产品兼容性，工作温度，外围供电电路的稳定性，信号完整性等等，直到产品能达到作为产品上市的程度，这时芯片生产方就可以投入量产了。

　　在最后的这些测试过程中，要测试大量的GPU，方便期间，显卡上面都做出了GPU的插座，一个个独立的GPU芯片只要插接在上面就能进行测试了。当然这些插座都是为特定的GPU芯片所设计的，只能来测试引脚定义相同的GPU。也许有朋友说，要是现在市面上的显卡也做成这种插座式的设计，并且能够不断进行升级该有多好，我们先不说每一款芯片针脚定义不同。假设这方面不是问题，那我们至少也要保证显存有能力向新核心提供数据的带宽同步增长才有意义。所以说，显卡上GPU插座的设计注定只能存在在实验室。

　　其实芯片设计过程中的插座原则也适用于其它产品，在主板 芯片组 的测试过程中也很常见，瞧瞧上面这块nForce 2主板，它的 北桥 芯片同样是安放在插座上的，当然这是题外话了。