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虹膜识别芯片设计概览


近日,中兴通讯遭美国商务部制裁事件成了公众舆论新热点。根据美国商务部宣布的处罚,中兴除了面临3亿美元天价罚款外,在全球范围内,7年之内无法与美国公司进行业务合作。实际上,就是禁止一切美国公司向中兴提供芯片等核心元器件。由于中兴公司通讯类产品严重依赖美国进口的核心芯片和部件,这一国内数一数二和全球领先的通信设备制造商和全球综合通信解决方案提供商,因一纸禁令命悬一线。中兴被封杀在社会各界引起的震撼是前所未有的,出口禁运触碰到了中国信息产业缺乏核心技术的痛点。“缺芯少魂”的问题,再次严峻地摆在我们面前。

 

 

集成电路芯片是信息时代的核心基石,信息技术产业已成为影响社会、经济和国防的安全保障与综合竞争力的战略性产业。当前,我国每年进口额高达2600亿美元,其中四分之一是存储器,95%的存储器芯片依靠进口。所有的电子产品,包括手机、相机、电脑都离不开它。那么,什么是芯片?芯片(Integrated Circuit集成电路)半导体元件产品的统称,指内含集成电路的硅片。而今几乎所有的计算机或其他电子设备,都离不开芯片。一个芯片产品从构想到完成电路设计是怎样的过程?设计出来的芯片是怎么生产出来的呢?

 

芯片制造的过程就如同盖房子一样,先有晶圆作为地基,再经过层层往上叠的芯片制造流程后,就可产出必要的芯片。然而,没有设计图,拥有再强制造能力都没有用,因此,芯片的设计相当重要。然而芯片设计十分依赖设计图的水准,设计工程师的专业程度和经验甚至直接影响着芯片的价值。所以,在设计一颗芯片时,究竟有哪些步骤?为了方便理解,我们可以简单的把芯片设计看做是盖楼房。

 

 

1. 要盖一栋大楼,首先要打好地基,这是整座楼能否拔地而起的关键所在。根据客户的需求,基坑要挖多大?地基的框架怎么建?直接影响着整座楼的高度、形态。芯片设计的第一步,就是完成算法或硬件架构设计,即完成芯片中数字部分的高层次算法或架构的分析与建模,为硬件提供一个正确的软件功能模型。

 

2. 打好的地基只是开始,我们的目的是要建楼房。那么第二步就是搭建整个楼房的框架。整座楼要建多少层?多少层是商用?民用的楼层?在框架搭建的时候,就要有相应的规划设计,在施工的时候才能有目标。芯片设计的第二步,就是RTL实现:依据第一步的结果,完成由高层次描述到Verilog HDL实现的过程。

 

3. 框架搭好了,先别忙。先验证一下这个框架是不是直的?所需要的楼层空间是否都有预留位置?芯片设计第三步就是代码验证,以验证覆盖率(包括功能覆盖率和代码覆盖率等)为驱动,通过大量的仿真,及时发现代码设计中的缺陷。随着集成电路规模的不断增加,验证工作在芯片设计中所占的比例和重要性日趋增大。这个阶段会占用大量的时间,数以月计。

 

4. 地基没问题了,框架结构也都验证通过,接下来就要准备一层一层盖楼了。底层用什么结构,上层需要什么造型?关键承重部位的如何搭建最为合理?这一步就是芯片设计中的逻辑综合,将RTL代码映射为与工艺库相关的网表。逻辑综合主要是将VerilogHDL格式的文本映射为网表格式的文本,其过程可以看成一个多目标(频率、面积、功耗)多约束的工程优化问题。

 

5. 选好材料还需要分析一下,不能直接蛮干。万一材料选择不当,大楼搭完了才发现要倒了,不可能拆掉从第一层开始重新搭吧?芯片静态时序分析,就是保证设计中所有的路径,满足内部时序单元对建立时间和保持时间的要求。即无论起点是什么,信号都可以被及时地传递到该路径的终点,并且在电路正常工作所必需的时间段内保持恒定。仿真又会消耗掉数以月计的时间。

 

6. 每一层该怎么做明确了,还要验证一下。选材用料可以保证这一层不会倒,那对上一层或下一层是否会产生影响?芯片设计中就需要一致性验证。由于RTL代码和逻辑综合后的网表都可以抽象为两幅由节点和边构成的图,一致性验证阶段采用了类似于比较两幅图逻辑是否一致的方法,来确定逻辑综合生成的网表是否正确。

 

7. 最后,时序仿真同功能仿真,只是将RTL代码替换为网表,然后需要加载SDF文件和工艺库模型。该步骤的目的在于,在延迟等近似实际工作的条件下,观察功能是否还能保持正确。数字后端流程数字后端设计又称物理设计,将网标格式的文本转化成一个个有物理大小和位置的单元、连线。并且在实现过程中要满足面积、功耗、性能等要求。

 

 

芯片是一个高度复杂的科技产品,3毫米见方的硅片上,电路只有头发的几百分之一粗细,肉眼无法看到。上面可以看到芯片光是设计就步骤繁多,一步都不能错,且加工设备昂贵,流片出错的成本极高,一不小心损失可达上千万元。由于试错成本高和排错难度大的问题,就需要企业或机构统合科研力量、实现集中攻关。虹识创始人易开军博士说过,“能轻易实现的不叫梦想”。突破核心技术肯定会带来阵痛,但在关键领域、卡脖子的地方下大功夫,是为了用现在的短痛换来长远的主动权。虹识技术投入数千万资金,集中所有科研力量,在七年间坚持不懈的努力,取得了一系列阶段性成果:

 

1、建立了一支过硬的从事图像处理、模式识别、物体识别和机器学习等算法设计的算法团队,成功研发出了适合超大规模高精准比对,最重要是能够实现芯片化的虹膜识别核心算法PhaseIrisTM;

 

2、建立了一支完整的集成比对芯片前端设计团队,该团队具备各类IP前端设计能力,也具备高复杂SOC系统的设计使用能力,该团队能够熟练使用Verilog/System Verilog等硬件描述语言进行模块SOC系统架构的前端代码设计,并完成前端代码验证;

 

3、建立了一支经验丰富的芯片后端设计团队,该团队拥有28NM以下工艺的后端设计实践经验,选择合适的半导体制程工艺,可以完成ASIC芯片后端的handoff;

 

4、虹识芯片技术研发团队通过大量的高层次仿真和调试,为RTL实现提供总体性的设计指导,奠定了整个乾芯(QianXin)虹膜识别芯片的性能和功耗的基础;

 

5、虹识技术研发团队在写代码的过程中,具有极强的大局观,完成了芯片设计软件框架的搭建。在书写Verilog HDL、描述逻辑功能的同时,还能够兼顾逻辑综合、STA、P&R、DFT、功耗分析等多方面因素,使虹识技术自主芯片的研发工作能够顺畅的进行;

 

6、虹识技术团队已完成了基于FPGA的半定制虹膜识别核心芯片的研发,并已广泛应用于门锁、门禁、采集器、比对服务器等终端虹膜识别设备中;

 

7、虹识技术正在攻关的是乾芯HSIC8001系列虹膜识别专用核心芯片,预计今年9月实现量产并向全球发布。芯片体积将缩小至5mm*5mm,功耗低于0.5w,利用TSMC40LP制程工艺,具备图像传感器并口CMOS接口。虹膜识别设备成本将大幅下降,对外国芯片供应商的依赖程度也会大大降低。

 

 

芯片是国之重器,信息产业严重依赖芯片,产业命脉应该掌握在自己手上,重大核心技术必须靠自主研发,不能让别人卡着脖子。北斗研发需要融合航天技术和网信技术,中国用了十多年也都攻破了,更不用说芯片难度还达不到北斗的这个量级。所以,北斗有了,“中国芯”也会有的。虹识技术深知核心技术自主的重要性,不惜花大成本大力气,集中所有力量去攻克自主芯片研发难题,为的就是实现核心芯片自主可控。

 

作为国内少数几家拥有虹膜识别核心芯片自主研发设计公司之一,虹识技术自从成立以来一直积极参与中国虹膜识别行业的专业分享与标准规范建立。磨刀不误砍柴功,在ASIC芯片成功面世之后,掌握了核心自主技术和芯片的虹识技术将为虹膜识别技术大规模应用提供强有力的国产自主核心技术支持,为中国人打造自己的高可靠性、高性能的智能化,专业化虹膜识别芯片。虹识技术将一如既往坚持创新,为客户提供大规模高安全高精准的身份识别系统,为中国虹膜识别产业和自主核心芯片的腾飞而努力!