大环境下如何玩转高速芯片封装逆向设计【1】

陆妹 · 发表于 2022-2-17 15:35

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大环境下如何玩转高速芯片封装逆向设计【1】

EDA365原创作者：毛忠宇老师

1 逆向工程

逆向设计一直被大家认为是“抄袭”，这观点不完全正确，优秀的逆向设计可以做到真正的“屌丝逆袭”。最近A国对H公司芯片业务下死手，一顿非理性的“王八拳”反而使决策层深刻体会到国内高端芯片在产业及生态链上的重要性，也清醒认识到“钱解决不了的问题是真的问题”，不是所有的事情都能仅凭一腔热血就可以短期解决的，基础研究领域及人才培养才必须要脚踏实地及真金白银投入。没有坚实的基础建设绝不会有凭空而来的“弯道超车”，那些“科学无国界”的观点经过此事后希望能理性地看问题。

当前环境下，还在大谈“弯道超车”的人一般都对行业的了解不够深入所产生的太乐观想法，虽然基础研究需要人力与财力长时间的持续投入才有效果，但基于现有产品的改良及创新，衍生出更有竞争力的新生产品其可能性还是有的，如芯片行业中的SiP设计就是一个非常好的例子，而SiP的设计主要设计重点都集中在芯片的封装设计上。于是喊下口号：只要思想不滑坡，办法总比困难多。

关于弯道超车及最终碾压的故事，典型案例之一是如下图大家都很熟悉的刀片，这是70-80年代最常见的日常生活用品之一（用途包括：刮须、鎅纸、被电子支付业务整得快绝迹的某传统行业必备利器…..），家里还有老缝纫机的话，拉开抽屉上说不定还可以找到，这个传奇的日常消费品【飞鹰牌刀片】当时是山寨A国的产品，由于它在后来的质量不断改良及市场占有率的扩大与原厂的不思进取下，此消彼长，最后结局是“小三上位取代原配”---它超越原品牌的品质及市场占有率，最后收购了原品牌……

类似的逆袭的故事一直在不同行业中上演及重复着，尤其在技术含量相对较低的产品中，一个仿制品的制作周期可能只需要几个小时或几天时间就可以与那头神奇的“公Puma”同屏出现在电商平台上。PCB行业中最常见的“24小时PCB打样抄板….”这类的广告，对象一般是相对低端的产品，至少没见过25G高速PCB板或高速测试夹具打过这样的抄板广告吧！这充分说明了即使是逆向设计也是分门槛的，下图优大叔的态度已说明了一切。

【一直被模仿，从未被超越】这类广告一般出于综合研发实力强且较为自信的企业，这类产品一般不是简单按图纸画出来随便找个工厂生产就行，产品的性能会受到如：加工精度、材料、工艺处理、设计细节等影响，小小偏差都会对产品的性能产生非常大的影响，后期必须根据自身的生产工艺进行优化、仿真及测试等迭代，才能造出与原来的产品性能相当或更好的产品。

高速芯片的封装设计就是很明显例子，一些封装设计看似布线简单，但它的技术含量一点也不少，设计者需要从层数、信号布线优化、封装管脚优化、热、应力、可靠性、可量产化、成本、现在还需要加入一条“是否可以排除美国技术”等方面进行综合的考虑，只有综合的考虑及设计才能做出比原设计性价比更高的产品。

在“大芯片梦”受到打压的当下，通过芯片SiP设计可以解决一部分问题，也是目前条件下一种可选方案，即使不能“弯道超车”，但“别一下同跑道上的车”还是可以的，下面会介绍一颗内存颗粒由一张打线图而逆向设计出原设计并优化的详细过程。

2 芯片封装逆向流程

【那些年的IC逆向工作】想起刚出校门时所服务的第一家公司，那是一家正向与逆向设计并存的电子消费类芯片公司。也是当时在珠海2家台资芯片企业间纠缠的往事，Y公司每出一款新的芯片，N这边就开始忙着：剖片、放大拍照、描晶体管间连接关系、逻辑验证、投片、测试等，当然也会在此基础上开发新的产品，当时由于此类低端芯片相对简单且门数不多，基本上都可以逆向设计，现在芯片门规模太大，再用以前的已然行不通，由于软件工具的发展，现在正向设计的门槛也已大幅降低，正向设计更可行及更有意义。

芯片太复杂逆向不了，于是转到高端封装的逆向也是一个不错的思路，相对芯片来说这个较易实现。

下图是芯片封装逆向设计流程，正向过程与逆向过程类似，主要的不同点是Die Pad Location、Package每层布线图、网络名、封装管脚坐标等数据的获取上。逆向设计通常都拿不到原始数据，能找到的资料有限，因而找到的材料可能是不等比的PDF文件、图片等，需要从这些文件中提取出可编辑网络名、Die Pad Location的坐标、封装的布线等，提取这些数据后再把它整理成一定的格式供封装设计软件导入，对于很简单的设计使用手工方式逐个输入还可以接受，但手工输入过程太耗时且易出错，当封装所包含的信息较多时使用全手工输入的方法就不现实了，由于获取到的输入材料格式千变万化，要通过软件全自动实现数据提取也不现实，没有任何一款封装设计软件可以通吃各种不规范数据。通过设计流程，使用手工与小软件结合的方式实现算是比较靠谱。封装逆向设计过程一般包含如下的一些主要步骤（不是每个步骤都必须包含，视具体项目状况而定），其中步骤【2】是逆向设计中最麻烦的一步：

【1】	项目导入
【2】	根据材料提取有效输入数据
【3】	网表的整理与创建
【4】	元件导入与布局
【5】	设置（层、孔、Finger、线宽、间距…）
【6】	设计过程
【7】	模型提取
【8】	链路仿真与Co-Design
【9】	链路优化
【10】	约束处理
【11】	输出

图 1. 逆向设计流程

以上主要步骤的详细操作过程在《芯片SiP封装与工程设计》一书中可以找到，这里不再复述。

3 DDR4内存颗粒逆向设计实例

中国有一道经典名菜叫 “开水白菜”，本来听起来非常普通的一道菜，由于制作过程复杂食材讲究，中间还掺杂了太多的“祖传秘方”，最终硬是把一道最普通的菜做成了吃不起的样子。同样，一个看似简单只有2个布线层的DDR4基板设计，看起来布线及铺铜都很简单，但设计时如综合考虑了如：高速信号性能、可加工性、热、应力、材料、链路综合性能等诸多有技术含量的工作时，它就成了“开水白菜”。

下图是针对此DDR4封装的逆向设计过程，与上图的流程相比主要步骤类同。