Mikrochips sind die komplexesten Produkte, die je gebaut wurden. Sie können Milliarden von einzelnen Transistoren und Leiterbahnen haben und phänomenale Rechenleistungen erbringen. Aber wie genau geht man vor, um eines dieser unglaublichen Produkte zu entwerfen?
In den Anfängen der Chipherstellung wurden die Entwürfe bis hin zu den einzelnen Gattern mit Hilfe von Klebebandlinien direkt auf transparente Oberflächen aufgebracht. Ingenieure und Designer würden den gesamten Prozess überwachen und durchführen, Transistor für Transistor. Möglich war dies, weil die Zahl der Transistoren sehr viel kleiner war - nur einige Tausend.
Dies ist nicht mehr der Fall. Heute können Computerchips Milliarden von Transistoren haben, und selbst mit Teams von Hunderten oder Tausenden, die an Chip-Layouts arbeiten, ist es für Menschen unmöglich, diese Transistoren wie in der Vergangenheit manuell anzuordnen.
Das modulare Gehäuse des Chipdesigns
Moderne Chipdesigner müssen jedoch nicht mehr manuell arbeiten. Moderne Chipdesigns nutzen die Modularität von Chips und die Möglichkeiten des computergestützten Designs (CAD) für eine zeiteffiziente Konstruktion.
Die Modularität ist ein besonders leistungsfähiges Instrument. Vergleichen Sie den menschlichen Körper. Es besteht aus Organen, Organe bestehen aus Geweben, Gewebe aus Zellen, Zellen aus Proteinen, Proteine aus Molekülen, Moleküle aus Atomen und Atome aus subatomaren Teilchen.
Ein Arzt muss jedoch nicht verstehen, wie sich Elektronen verhalten, um eine Krankheit zu verstehen und zu behandeln; er muss nur die übergeordneten Systeme kennen, z. B. wie eine Leber funktionieren soll und welche anderen übergeordneten Systeme, wie z. B. Alkoholmissbrauch, ihre normale Funktion beeinträchtigen könnten.
Ebenso besteht ein einzelner Chip aus vielen Modulen, die z. B. den Speicher steuern oder Rechenoperationen durchführen können. Diese Module setzen sich wiederum aus kleineren Modulen zusammen, die kleinere und spezifischere Funktionen ausführen.
Diese setzen sich wiederum aus kleineren Modulen zusammen, bis man auf die Ebene der einzelnen Transistoren gelangt. Die Module können auch horizontal dupliziert werden, um die Verarbeitungskapazität zu vervielfachen.
Sie können diese Modularität erkennen, wenn Sie sich ein Chip-Layout ansehen. Während einzelne Transistoren und Verdrahtungsverbindungen zu klein sind, um sie zu sehen, sind regelmäßige, sich wiederholende Gittermuster mit bloßem Auge erkennbar.
Irgendwann wird jedes dieser Module von Hand entworfen worden sein. Doch im Laufe der Jahre der Chipentwicklung haben die Entwickler eine Bibliothek mit bewährten Modulen aufgebaut, die eine bestimmte Funktion auf eine bestimmte Weise zuverlässig ausführen können.
Bau des Chips
Die moderne Chipentwicklung macht sich diese Modularität zunutze, um Designchips kosten- und zeiteffizient aufzubauen.
Zunächst wird die Top-Level-Architektur definiert. Dies bedeutet, dass die Anforderungen an den Chip ermittelt und die Module, die die erforderlichen Funktionen bereitstellen, in einer Gesamtstruktur angeordnet werden.
Dieser Architekturentwurf wird dann in maschinenlesbaren Code umgesetzt. Dies geschieht mit Hilfe von CAD-Softwaretools. In der Welt des Chipdesigns bedeutet dies, mit einem der beiden Hauptstandards zu arbeiten: Verilog und VHDL.
Diese sogenannten Hardware-Beschreibungssprachen (HDL) werden verwendet, um kodierte menschliche Designanweisungen in die spezifische Platzierung einzelner Logikgatter (Kombinationen von Transistoren, die bestimmte Funktionen innerhalb von Chip-Architekturen ausführen) zu übersetzen.
Anschließend platziert die Software diese Gatter an den richtigen Stellen im Gesamtplan des Chips und ordnet automatisch die richtigen Pfade zwischen ihnen an. Anschließend werden Simulationen durchgeführt, um die Funktionalität des Chips zu testen und zu überprüfen.
Vom Bildschirm zum Silizium
Schließlich werden diese Chipdesigns noch einmal in Fotomaskenbilder im GDSII-Dateiformat umgewandelt, die das tatsächliche physische Layout des Mikrochips definieren.
Die Entwürfe werden dann mit Hilfe eines Elektronenstrahls auf Fotomasken aus Quarzglas übertragen, mit denen die Chipdesigns während des Fotolithografieprozesses physisch in die Siliziumwafer eingeschrieben werden können.
Diese Wafer werden dann in einzelne Dies zerlegt, die verpackt und als Mikroprozessorprodukte exportiert werden. Und schon haben Sie einen fertigen Mikrochip!