Hardware 版 (精华区)

发信人: hell (懒得动弹), 信区: Hardware
标  题: 显卡是怎样炼成的（一）：走进ATI   
发信站: 哈工大紫丁香 (2002年10月04日16:28:24 星期五), 站内信件

    自从3Dfx倒闭以后，ATI和Nvidia成了我们争论的话题，在用A卡或N卡享受3D乐趣
的同时，你可曾想到它们究竟是怎么制成的？ATI和Nvidia如何让图像在显示器上飞舞？
读完anandtech的这篇对ATI和Nvidia公司内部的采访记，你应该能大略知道显示芯片的
一些制造过程。就让我们从ATI开始吧。
一.设计芯片：
最早的一步当然是设计，ATI的ASIC（ Application Specific Integrated Circuit 特
定用途集成电路）工程师解释了这个问题。
GPU的设计当然是很重要的，因为它们决定了市场的定位和产品的前景，一般都会有一份
详细的文档报告来清楚的描述芯片的一些特性，比如价格，设计日程表和成本，原材料
。
成本的限制也决定了产品能包含多少晶体管，在这一点上制造商也要依赖于几个因素，
比如说芯片工艺，很明显.15和.13两种不同的工艺就会对芯片的成本产生很大的影响。
更重要的是它决定了芯片到底要到那种水平的厂家来生产（比如TSMC这样的芯片厂），
如果没有对它做出正确的评估，那么产品很可能会延期，NV30就是一个很好的反面教材
。一旦生产流程确定下来了，要重新更改设计是非常困难的，需要花费大量的时间。
关于这点，市场人员和设计人员将会花几个星期的时间来讨论，流程将会以一个环形方
式展开，设计人员把文档交给市场人员审查，市场人员审查后在把意见反馈给设计人员
，设计人员完善设计或者重新设计方案后再给市场人员审核，如此反复。
当产品的方案最终敲定，研发就开始走上日程，将会有一组工程师负责总体的规划及定
义GPU的特性和分配人手。比如，给1号小组分配任务:三个星期拿下AA单元的设计。
现在的芯片架构设计由于HDL(Hardware Description Languages 硬件描述语言)的出现
变得越来越容易。通过使用特定的HDL语言，Verilog或者VHDL（两种流行的HDL），设计
人员编写代码，通过综合器翻译成网表(netlist)或者原理图(schematic)，传统的绘制
原理图的方法应用的相对少些，大部分时间花在了源代码编写上了。HDL语言和传统的编
程语言C,C++有着很大的差别，虽然表面上看起来很像c语言，但是实际的功能却决然不
同，比如verilog的一段程序：
always@(posedge clock)
Q<=D;
上面的两行代码表示当遇到脉冲上升沿时执行，执行的时候，输入的信号'D'将会存储在
Q中。这就是我们在设计基本储存器件时候经常用到的触发器。综合器将会编译代码并建
立相应的硬件模型，在这个例子中，仿真后的电路将提供一个存储单元来存储它的输入
信号。
通过使用HDL，分组的工程师将会在3-4个月（取决于计划的复杂度）来完成代码的编写
工作，在这几个月的代码编写期间，原来讨论芯片的所具有全部特性都会被设计进去。

设计完工后的几个月是调整，校检的过程，这个过程对整个产品的日程至关重要，它会
在芯片送到制造厂前除去设计中的一些问题，如果从制造厂那里送回的芯片出了问题，
要花费的功夫就大了，除此之外，也浪费了资金。
一些特性需要更严格的校检，要对此进行模拟运行，保证它们不但能工作而且要很好的
工作。有些这样的测试也可以通过编写HDL程序来完成，也就是说，测试用的环境也是由
HDL编写的。
与此同时，一个小组将开始进行时序分析，保证"芯片"能在要求的时钟频率上运行。（
再次提醒，这不是一个真正的成品芯片，而是软件模拟出的"芯片"。），相应的有一组
模拟电路工程师对内存，电源，电路等单元进行类似的分析。模拟电路工程师和电子电
路工程师有很大的差别，他们要完成复杂的工作，比如电路平衡和信号分析，模拟部分
是GPU设计和生产的一个重要环节，那些数字电路工程师很幸运，不用和这些复杂的东西
打交道。
二.测试芯片：
所有的单元部分经过测试后，就会被综合，这意味着HDL转换成了一个基于门的电路网表
，或者原理图，这就可以直接用来制造芯片了。下一步是怎么安排硅片中的这些门电路
，这一步还没有出现产品芯片，而是我们大家所知道的FPGA (Field Programmable Gat
e Array)。
FPGA是一个拥有很多门的逻辑器件，这些门是可配置的，因而在量产前可以进行有效的
模拟。使用FPGA的优势就是可以充分的测试芯片，而且由于FPGA的可改写和经济性，使
得它非常实用。 IKOS就是一家ATI和Nvidia都经常使用的FPGA公司，它的产品（经常被
叫做IKOS box）非常适用于大规模设计，比如R300和NV30。
虽然IKOS box可以充分的模拟设计芯片，但是却不能达到GPU最终的速度要求，今天的G
PU运行速度超过了300MHz,而IKOS box却只能仿真1000khz-1Mhz的频率，所以不足以达到
什么性能要求，一个装了操作系统，测试驱动的IKOS box平台运行游戏的速度仅仅能提
供大概0.2fps的图像。
当这些都完成的时候就可以先期投产了，4个星期后公司会收到第一批芯片，（也就是经
常说到的A0 硅片），在这个期间测试工作还在继续，与此同时，PCB(Printed Circuit
 Boards 印制电路板)也开始进行模拟，因为GPU最终将会被安装在电路板上。
A0硅片回来后，所有单元的功能都会重新测试，任何与预期不合的现象都会进入调试，
Focused Ion Beam(FIB)是经常用到的调试工具，FIB可以让测试人员对芯片进行有效的
调查而不破坏芯片的功能，这个工具可以加入或者删除芯片走线，除掉设计中的bug。通
过它ATI和Nvidia可以尝试着修补bug或者察看这些bug是否真的被修复成功。由于重新投
产芯片又要花4个星期的时间，所以在此之前你必须保证bug被修复，不然，重新投产的
芯片又出了毛病，再花4个星期可就是大麻烦了。
当先期投产芯片的bug都搞定后，最终的设计才会提交芯片制造厂来量产，这些芯片将会
通过品质测试，兼容性测试，温度和电压容忍度，信号的完整性等等一系列的工业测试
。
这些就是显示芯片量产前的所有工作了。在下一个单元中，我们将和Anandtech一起走进
Nvidia的总部，一睹这家图形芯片巨子的风采，了解真实的图形制造公司。

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小灌可以怡情，大灌可以发家。

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