我國本土芯片業(yè)及技術(shù)發(fā)展探尋

摘要：2013年12月初，ICCAD(2010年中國集成電路設(shè)計年會)在無錫隆重舉行。我國芯片設(shè)計業(yè)十年飛速發(fā)展，但也面臨了一些新問題，諸如軟件的比例增加，當(dāng)前芯片設(shè)計和制造的挑戰(zhàn)是否需要采用輕設(shè)計，IP使用是否會使設(shè)計公司淪為組裝公司等。

關(guān)鍵詞：軟件；設(shè)計公司；軟硬件協(xié)同；驗證；輕設(shè)計

我國芯片設(shè)計業(yè)現(xiàn)狀

中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會集成電路設(shè)計分會常務(wù)副理事長魏少軍說，2010年中國集成電路(Ic)快速成長，2010年全行業(yè)銷售額有望達(dá)到550億元人民幣，比2009年的380億美元增長約45％。占全球設(shè)計業(yè)的份額也從2009年的10.7％(2009年全球設(shè)計業(yè)銷售額約566億美元，美元匯率7.2)，提升到2010年的12.3％(2010年全球設(shè)計業(yè)銷售額預(yù)測約為700億美元，美元匯率6.36)。

2010年“十大設(shè)計企業(yè)”的入門門檻將第一次超過10億元人民幣。銷售額過億元的設(shè)計企業(yè)數(shù)量已經(jīng)達(dá)到80家，其中銷售額過20億元(約合3億美元)的企業(yè)有2家，可見已形成了一定的規(guī)模。

盡管目前我國有500多家設(shè)計企業(yè)。但大部分是人數(shù)少于100人的小企業(yè)，還處在為生存而奮斗的階段，龍頭企業(yè)的數(shù)量偏少。目前仍沒有一家企業(yè)能夠進(jìn)入世界前10名，我國前20大設(shè)計企業(yè)的銷售額之和仍然無法和世界排名第一的美國高通公司相比。軟件成為半導(dǎo)體公司新的營收模式

那么，今天芯片設(shè)計業(yè)的挑戰(zhàn)是什么?我國本土芯片企業(yè)的發(fā)展思路該如何?這要從終端電子產(chǎn)品的需求談起。

Cadence設(shè)計系統(tǒng)公司資深副總裁兼首席營銷官(CMO)JohnBruggeman分析了蘋果公司的成功模式。2009年蘋果電腦公司更名為蘋果公司表明該公司的定位已經(jīng)不是一家賣電腦的公司，開始了新的商業(yè)模式。蘋果公司的iPhone為什么受追捧?不是因為功耗做得超低，或者外觀、功能更卓越，而是因為iPhone新穎。這首先表現(xiàn)在有很多不同的應(yīng)用；其次，iPhone推出了一種新的商業(yè)模式，通過這種商業(yè)模式可以吸引和留住用戶。舊有的商業(yè)模式是公司要產(chǎn)生收入的話，只能賣一個手機(jī)或者再賣其下一代給這個用戶，這是離散性(discrete)商業(yè)模式。縱觀我們周遭，家用電器、汽車等也是此種模式。

蘋果公司新的模式是讓客戶去購買應(yīng)用或者與應(yīng)用相關(guān)的內(nèi)容來不斷地產(chǎn)生營業(yè)收入。這種新的模式是一種持續(xù)的收入模式。

很多電子公司也在效仿此模式，例如三星現(xiàn)在不僅是一個電視機(jī)供應(yīng)商，也在推廣電視機(jī)的應(yīng)用，正成為一個應(yīng)用軟件的公司。深圳華為正在追趕Cisco(思科)，不僅提供網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，也定位成一家應(yīng)用型的公司。

由于這些整機(jī)公司在轉(zhuǎn)型，也迫使半導(dǎo)體器件公司發(fā)生轉(zhuǎn)型：不僅提供芯片。也要提供相應(yīng)的軟件服務(wù)，像固件(fireware)，甚至驅(qū)動軟件等底層軟件。

縱觀世界前20、30大半導(dǎo)體公司當(dāng)中，其投人大約有超過50％是在軟件方面，所以軟件已經(jīng)成為半導(dǎo)體公司非常重要的一個營收模式。

曾提出“許氏循環(huán)”的中電集團(tuán)58所的許居衍院士在會上介紹了他對半導(dǎo)體特征循環(huán)的研究，認(rèn)為半導(dǎo)體或主流產(chǎn)品總是沿著“通用一專用”波動，每十年循環(huán)一次。現(xiàn)在正處在第三次循環(huán)的專用波動周期(2008--2018年)，早期許院士稱之為SoW(System on Wafer)，即現(xiàn)在的SoC(系統(tǒng)芯片)，接下來就將進(jìn)入用戶可重構(gòu)(User-Reconfigurable)系統(tǒng)級芯片(u—SoC)為特征的通用波動周期(2018—2028年)。

Synopsys(新思)的首席營運(yùn)主任及總裁陳志寬十分贊同即將進(jìn)入U-SoC的觀點(diǎn)，并指出U-SoC階段將需要更多的軟件。另外，據(jù)synopsys推測，未來芯片結(jié)構(gòu)中，將有50％的內(nèi)存。25％的IP(知識產(chǎn)權(quán))。其余25％才是fabless(設(shè)計公司)自己的創(chuàng)新。這50％的內(nèi)存說明未來芯片需要大量軟件。

Mentor Graphics(明導(dǎo))公司不僅繼續(xù)發(fā)展Ic設(shè)計的EDAI具，還推出了面向嵌入式系統(tǒng)軟件的ESA(嵌入式設(shè)計自動化)平臺。其亞太區(qū)技術(shù)總監(jiān)Andrew Moore博士稱，EsA提供了更高階的平臺，趨向于模組化、高階的語言來開發(fā)這個軟件。例如，早期的DOS系統(tǒng)控制x86處理器，后來大家使用PC(電腦)的軟件非常多樣化，主要因為Windows平臺提供了更高階的語言，可以直接去控制這些應(yīng)用軟件。具體來看，你把高階語言拆開之后，可看出其結(jié)構(gòu)是一層層的，像是組合語言，最底層是匯編語言／機(jī)器語言。今天ESA針對基于ARM、MIPS核的處理器芯片來開發(fā)，將在處理器和應(yīng)用之間構(gòu)建出一個ESA平臺，使用戶可以從更高階的角度來開發(fā)軟件。

ESA和EDA(電子設(shè)計自動化)的關(guān)系是相輔相成的。EDA工具主要是來協(xié)助設(shè)計硬件(Ic)，即設(shè)計處理器周邊的一些接口。將來在設(shè)計出來的硬件上所運(yùn)行的就是ESAS件。因此EDA和ESA共同服務(wù)SoC的平臺。是一硬一軟兩方面。

輕設(shè)計比MTK還MTK

芯原(VeriSilicon)公司董事長兼總裁戴偉民博士分析認(rèn)為，中國臺灣Ic業(yè)起步比中國大陸晚，當(dāng)時如果沒有晶圓代工(foundry)業(yè)，不可能有MTK(聯(lián)發(fā)科技)等世界級的fabless。因為臺灣的設(shè)計公司和國際IDM(集成器件制造商)巨頭規(guī)模相差甚遠(yuǎn)。那么中國大陸應(yīng)該如何根據(jù)自身條件突破呢7其中一種方案是從fabless跨越到design-lite(輕設(shè)計)。

design-lite大概是從三四年前流行的fab-lite(輕制造)引申而來。輕制造意味著IDM減少對制造的投資，只集中于某些特殊的應(yīng)用的制造，把其余外包給代工廠，如TSMC和中芯國際(SMIC)。與輕制造有些不同，輕設(shè)計意味設(shè)計公司專注于規(guī)范、架構(gòu)、核心IP和軟件等，而把設(shè)計實現(xiàn)和供應(yīng)鏈管理外包給設(shè)計代工公司(如芯原)。由于soc盛行，芯片設(shè)計公司的門檻不斷提高，像漢王等系統(tǒng)公司將向下移動到自己的一些關(guān)鍵芯片的增值和差異化方面。在系統(tǒng)公司而言，它們的核心競爭力除了規(guī)范和軟件外，還有品牌和渠道。

戴偉民認(rèn)為這是另外一個層次的開放，比MTK還MTK(開放)。因為縱觀現(xiàn)在中國很多企業(yè)在推xPad。那么xPAD是誰在操盤?可能是深圳廠商。但或許一些企業(yè)連IP都不會寫，為什么會成功?因為圈地比蓋房子更重要!不一定每一個人要自己造房子才能賺錢。

但為何要做iPad的輕設(shè)計?戴偉民分析認(rèn)為，手機(jī)業(yè)的教訓(xùn)是手機(jī)設(shè)計廠商打來打去，紅海里苦斗，但都要到MTK買芯片。不過xPAD輕設(shè)計模式可以幫助用戶定制，芯片都不需要做了(而MTK還要給用戶提供芯片)。具體來說，你可定制給學(xué)生、老人、農(nóng)民工、醫(yī)療終端、汽車電子等。因為這些差異化的應(yīng)用不可能全買一塊大芯片。你還可更—步——自己連芯片都沒有，采用設(shè)計代工。多元，細(xì)分市場是超越機(jī)會

包括許居衍院士、TSMC、芯原、iSuppli等多位專家認(rèn)為xPad對中國大陸是個機(jī)會。iSuppli的高級分析師顧文軍從跨欄項目拿金牌聯(lián)想到了如何找到中國本土企業(yè)的優(yōu)勢。“我們跳高跳不過白人，短跑跑不過黑人，這就像如果中國大陸去做Pc組件較難——中國臺灣已經(jīng)在此市場了，做手機(jī)已經(jīng)是MTK主導(dǎo)了。”顧文軍說，“但xPad不上不下、不大不小，像大屏幕的智能手機(jī)?還是小屏的PC、上網(wǎng)本?這就像100米跑道上放了幾個欄，不是跳得最高或跑得最快就最有優(yōu)勢，這樣我們拿了冠軍。同理，本土企業(yè)需要從多元化，細(xì)分化市場上找機(jī)會。

但做xPAD需要注意兩點(diǎn)。芯原的戴偉民說，首先是技術(shù)的同步性，例如競爭對手做40nm，你65nm：對手用ARM cortex.A9核，你用ARMll，你再怎么做也不行。其次需要設(shè)計創(chuàng)意來實現(xiàn)良好的用戶體驗。中國搞動漫的、藝術(shù)的人才很多，可惜還沒集中到電子行業(yè)!

三大EDA巨頭眼里的設(shè)計挑戰(zhàn)

Cadence認(rèn)為：軟件對半導(dǎo)體公司來說是個新挑戰(zhàn)，因為他們傳統(tǒng)只設(shè)計硬件，現(xiàn)在還要設(shè)計軟件。為此，Cadence把新的EDA轉(zhuǎn)型稱作EDAB60(圖1)。EDA360希望幫助半導(dǎo)體公司解決三個層次的問題：1.系統(tǒng)實現(xiàn)，包括早期的軟件開發(fā)，系統(tǒng)級的驗證和糾錯；2.SoC(系統(tǒng)芯片)實現(xiàn)，幫助客戶去解決soc中像fmreware的問題等底層軟件的開發(fā)，以及與器件相關(guān)的軟件開發(fā)；3.芯片實現(xiàn)層次，主要解決傳統(tǒng)問題，包括低功耗等。

盡管Cadence擁有從IC設(shè)計到PCB(印制電路板)、系統(tǒng)設(shè)計一整套平臺，但還需要整個產(chǎn)業(yè)的合作，諸如IP供應(yīng)商、IP(知識產(chǎn)權(quán))和設(shè)計服務(wù)公司、代工廠、與硬件相關(guān)的軟件。這其中還包括了Cadence的EDA同行們。

Mentor的AndrewMoore認(rèn)為，當(dāng)芯片設(shè)計規(guī)模越來越大、未來有望達(dá)到400億晶體管時，為了克服大規(guī)模IC的設(shè)計挑戰(zhàn)，有四方面的重要技術(shù)。

第一，硬件仿真技術(shù)(emulation)。是使用硬件的解決方案來提高IC設(shè)計、驗證的效率。這從邏輯學(xué)上看是非常有趣的一件事一一用硬件來設(shè)計硬件，就像機(jī)器人自己在設(shè)計一個人一樣。我們大幅度地使用硬件來提高整個驗證的效能。

第二，系統(tǒng)設(shè)計。現(xiàn)在CPU陔大量被使用在現(xiàn)在的soc設(shè)計當(dāng)中。像ARM核、MIPS核等等，通過軟硬件協(xié)同仿真技術(shù)，可以大幅提高系統(tǒng)設(shè)計的效率。首先對于這些CPU的指令集進(jìn)行建模，之后我們就不需要讓CPU在進(jìn)行系統(tǒng)級仿真時使用比較耗時的RTL仿真，我們可以對一些常用的商用處理器進(jìn)行CPU的指令集建模。這樣就可以大幅地提高設(shè)計效率：首先，我們提高了整個系統(tǒng)級驗證仿真的效能，其次，可以提早讓軟件進(jìn)行開發(fā)，因為這等于我們可以直接在EDA平臺上先把產(chǎn)品原型實現(xiàn)。這樣軟件可以提早在這個平臺上進(jìn)行開發(fā)。而且EDA平臺可以提高偵錯能力，這是傳統(tǒng)硬件原型無法達(dá)到的。因為軟硬件協(xié)同的功能可以讓系統(tǒng)時鐘停下來，這時當(dāng)軟件有Bug時很容易去糾錯。也能輕易知道到底是哪個CPU、哪條指令導(dǎo)致硬件和軟件的問題。

第三，物理設(shè)計與驗證。Mentor的Calibre平臺已經(jīng)向自動布局布線流程和物理驗證流程整合。這樣可以大幅提高后面物理驗證的速度。

第四，ESA的機(jī)遇。從EDA設(shè)計及之后的流片／制造來看，事實上盡管晶體管數(shù)量越做越大，但芯片的制造和研發(fā)成本卻沒有大幅提高，反而是軟件開發(fā)的成本在上升，例如iPhone手機(jī)上有越來越多的應(yīng)用程序。如何加快軟件開發(fā)的速度，以及如何能夠減少軟件的開發(fā)成本?Mentor的Esang景是解決這方面的問題。

Synopsys的陳志寬指出，從國際上來看，設(shè)計挑戰(zhàn)是：設(shè)計成本越來越高，而且最大的成本支出來自軟件和認(rèn)證，需要EDA供應(yīng)商和代工廠一起來解決。二是從芯片設(shè)計到仿真、驗證再到流片，軟件和驗證的時間占了流程大一大半，需要著力提升效率。三是低功耗設(shè)計。中國大陸Ic設(shè)計業(yè)面臨著三個挑戰(zhàn)：需要好的IP，上市時間更快，成本更低。

有人擔(dān)心IP用多了、fabless公司可能會淪為組裝公司。IP年營業(yè)額2.5億美元的Synopsys認(rèn)為，實際上，整個系統(tǒng)怎么去驗證等也很重要，只有該項目的設(shè)計人員才知道這個芯片到底要宴現(xiàn)什么樣的功能，才可做好驗證；另外，軟硬件協(xié)同驗證等方面也很復(fù)雜，因為現(xiàn)在整個系統(tǒng)在一塊芯片(soC)上了。再有，這五年將發(fā)生一個變化：最近Conexant(科勝訊公司)推出的一款芯片有一百萬行軟件代碼。但fabless設(shè)計該芯片大概沒有一百萬行的RTL(寄存器傳送級)代碼，所以芯片的軟件比硬件更復(fù)雜。但這些芯片里的軟件不是外面的應(yīng)用軟件公司所做。而是芯片廠商自己做的。

模擬代工：合理制程最重要

數(shù)字電路追求大批量制造，芯片特征尺寸在往下走，晶圓尺寸往大走，以追求低成本。但在ICCAD年會上，還活躍著很多模擬代工廠，0.18／0.13微米、4／6／8英寸等工藝仍盛行。無錫華潤上華的兩條6英寸線是其盈利的支柱，市場銷售副總經(jīng)理莊淵棋博士解釋說，模擬IC不是在追求小，而是準(zhǔn)、低功耗。人們常說模擬Ic設(shè)計其實是一門藝術(shù)，需要很長的時間積累，才會對元件的特性非常清楚。提高性能只能從他的電路設(shè)計來想辦法。國際上為何4英寸、6英寸工廠還繼續(xù)生存?并且可以運(yùn)行二三十年?在上面流片盡管成本高。為何還有很高的毛利率?最主要是這些模擬線工藝與fable88的設(shè)計完全匹配，絕不浪費(fèi)任何一個環(huán)節(jié)。所以國內(nèi)很多模擬fabless雖然沒有自己的工廠，但和IDM相比成本仍具有優(yōu)勢。