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2003年中国集成电路设计公司调查”揭示，EMI/信号完整性、电源管理、可测性设计、模拟电路仿真等问题是中国IC设计公司面临的主要困难，针对这些问题《电子工程专辑》对上海智芯科技、力通微电子、掌微电子、上海贝岭、华虹NEC、展讯通信、中芯国际等公司进行了专访，目的是分析中国IC设计公司面临的挑战及其解决办法。 随着集成电路设计工艺向深亚微米迈进，在“2003年调查分析中国IC设计公司八大变化趋势”一文中，可以看到，中国IC设计公司在EMI/信号完整性、时序收敛、可测试设计、模拟电路仿真、IP复用、时序收敛、ASIC仿真/快速原型生成、电源管理等领域面临的全面挑战。 上述问题之所以成为中国工程师面临的主要困难，是因为82%的设计公司采用0.25微米以下工艺进行数字芯片设计，66%的设计公司采用0.35微米以下工艺进行模拟/混合电路设计，并且采用0.35微米以下工艺进行设计已经呈现缓慢增长的趋势。其驱动力来自消费电子(例如手机芯片)、网络/数据通信设备、电信设备和计算机/计算机外部设备和军事电子等应用对芯片功能、成本和性能的持续需要。 面对前所未有的设计挑战，中国IC设计专家建议要加速正向设计朝反向设计方式的转变，要建立设计和代工的良好互动关系，通过设计代工优化设计资源配置，节约成本，解决面临的诸多设计挑战，加快IC产品上市时间。此外，随着IC设计公司的快速发展，完善设计和制造产业链也是解决现有设计挑战的重要途径。 用正向设计方法解决设计面临的挑战 目前，中国IC设计公司用得比较多的设计方法是反向设计法，它是仿制其它公司IC的主要手段。由于设计工程师通常对被剖析对象缺乏系统的把握，经常通过修改制造工艺来实现设计参数的要求。对此，力通微电子有限公司黄浩明总裁(图1)说：“这是非常错误的做法。因为工艺是标准的，要实现量产就一定不能改工艺库。我认为，中国IC设计公司的瓶颈就在这里。” 一般来说，中国设计工程师给人的印象是基础知识不错，但是目前的问题是，过去传统的反向设计方法让许多设计工程师养成了“知其然，不知其所以然”的设计习惯，这样一来，就产生一种很奇怪的现象。一方面，有设计经验的设计工程师非常难得；而另一方面，一些公司在聘得有经验的设计工程师之后，却不能立即让他们做项目。 黄浩明解释说：“对一个新的工程师，我只要对他进行培训；而有经验的设计工程师，他们以前的许多设计方法不适应需要确保长期品质的产品设计要求，我们必须重新对其进行培训，以删除他们记忆中的错误设计理念，为他们建立一个非常固定和清晰的设计流程和方法。” 实现人才再培训的一种策略就是“工作中培训”。对于每一个特殊的项目，要让设计工程师了解电路，要从技术要求开始，技术要求是与系统结合在一起的，在设计过程中必然会遇到一些问题，造成无法满足技术参数的要求，设计工程师要知道如何去满足技术参数变化产生的新要求，还要了解为什么工艺的变化会影响技术参数的变化。通过这样的训练，让设计工程师真正掌握芯片内部器件的设计模型，从而达到无论制造工艺如何变化，也能够很顺利地修改设计。 在混合电路设计领域，设计和工艺的结合很紧密，黄浩明认为：“混合电路设计工程师是需要花时间去培养的，一个工程师他可能把一个产品做得很好，但是他不可能把所有的产品都做得很好，因此要培训一个混合电路的设计团队，让他们对被分配的产品线做到很熟悉。” 业界人士认为，为了提高模拟/数字混合设计的整体水平，IC设计工程师必须全面掌握正向设计的流程。首先要掌握系统的要求，然后，从系统的要求得出一些电路的技术参数。定义电路技术参数的基础是对工艺的深入了解，因为技术参数不仅受限于电路条件，而且受限于工艺条件。上海华虹NEC生产部部长李向阳(图2)说：“混合电路和数字电路加工的基本流程是类似的，差异很大的地方在于某些参数的控制，参数控制得精确，就适合做混合电路，否则只能做数字电路。”掌握工艺条件之后，才能着手设计。设计工程师全面掌握系统要求、技术参数和工艺技术是突破混合信号设计瓶颈的关键。 此外，配备足够的混合信号EDA仿真工具对于解决混合信号设计问题也至关重要。上海掌微电子有限公司开发部经理熊恋学说：“我们开发的芯片规模达到600万门以上，依靠人力分析去发现混合信号设计的信号完整性问题几乎不可能，必须配备功能足够强大的EDA工具，并结合FPGA进行软硬件协同验证和测试。”她认为，诸如信号完整性之类的许多设计问题，必须在开始系统设计的时候就要考虑周全，这是正向设计和反向设计的最大差异所在。正向设计方法通常由系统制造商对IC提出一个技术要求，然后由IC设计公司定义电路的拓朴，了解电路的工作过程，最后做电路设计。 目前，业界的一种做法是从国外聘请有丰富设计经验的专家，让他们对整个设计方案提出建议，对关键的节点提出具有预见性的解决方案。这种方式对于一些新兴的设计公司尤其见效，因为对规模达到百万门级、采用深亚微米工艺的设计，系统设计工程师的设计理念和经验对设计的成功至关重要。熊恋学说：“有些地方，如果顾问不说，我们又没有经验，根本不会想到一些地方会出现问题。有经验的系统设计工程师和强大的EDA工具支持是解决混合信号设计面临的诸多挑战的重要解决方案。” 另外，针对亚微米、深亚微米工艺设计带来的一系列挑战，必须对正向设计流程进行全面变革，才能全面解决面临的困难。因为随着系统设计复杂度的提高，许多芯片的功能必须由硬件和软件共同作用才能完成，也就是说，IC设计已经不单纯是硬件的设计，还包括复杂的嵌入式软件设计，和各种IP模块。软硬件的协同设计、软硬件和系统的协同设计在IC设计中占据很重要的地位反向设计思想在这样的形势下必然被淘汰，朝着正向设计转移已经成为必然。 在软硬件协同设计领域，项目的规划首先要由具备系统设计经验的软件工程师提出，看看软件能够实现什么功能，然后，由市场营销人员通过调查研究确定项目的技术要求，第三步是由硬件设计工程师在FPGA上构造需要的功能模块，再与软件设计工程师一起，看所设计的芯片能够跑多快、多少功能可以实现？相应地，研发团队的组织架构也必须做出调整。这样才能彻底、全面地解决目前设计领域面临的挑战。 通过设计代工解决设计面临的困难 从调查报告可以发现，四成以上的中国IC设计公司2002-2003年销售收入不到100万美元，一个EDA工具动不动就是100万到200万美元，由此可见，缺乏足够的EDA工具支持可能是中国IC设计公司面对的设计挑战陡然增加的重要原因之一。 有一种观点认为，代工业务市场与IC设计产值两者之间大概存在2：1的关系，因而推断在未来几年，中国IC设计公司还将出现飞速发展的势头，因此，目前面临的种种设计挑战更多将在新兴的IC设计公司当中普遍存在。 这些新兴的设计公司中的绝大部分将直接从事0.35、0.25甚至0.18微米工艺的设计，他们在先进工艺基础上学习IC设计可能需要长达3到5年的时间，这显然是不能接受的。为此，中国本地有识之士目前已经开始推广设计代工服务，为中国IC设计公司提供全面的设计解决方案。上海贝岭股份有限公司(浦东代工厂)总裁方朋(图3)说：“设计代工对一些IC设计能力比较弱，整机或系统产品设计能力比较强的公司，选择设计代工方式能够解决他们面临的很多设计问题。” 对此，智芯科技(IPCore)上海有限公司余楚荣(图4)总裁却有独到的见解，他说：“设计服务主要解决代工过程面临的IP和工艺问题，而设计代工的内涵要更大一些，主要是释放IC设计人员的生产力。全面解决IC设计公司面临的问题是设计代工与设计服务的主要差异所在。” 客观上看，IC设计是人才、技术、知识和资金的全面投入，一个IC设计公司如果从设计工具、IP集成到代工、测试、封装全部由IC设计公司自己协调各合作方完成，不仅产品上市周期长，而且还要更多人力与各种完全属于非设计领域的行业打交道，加上EDA工具昂贵，因而会给小型的设计公司带来很大的经营风险。 设计代工出现之后，IC设计公司只要与整机厂建立紧密的合作关系，完成项目的规划、技术要求的定义和前端的设计，后端设计就可以全部交给设计代工完成。由于节省了大量的非设计投资和人力资源，原来可能需要花费200万美元的项目，现在只要50万美元就能够完成，余楚荣说：“设计代工的客户是广大的中小IC设计公司，其最大的好处是优化资源配置，加快IC产品的上市时间。IC设计公司也不必花费大量的人力物力去解决设计过程出现的诸多挑战，而是把精力投入与系统或整机制造商的合作之中，从而开发更多的IC产品。” 然而，也有观点认为，目前中国许多IC设计公司都是处于低端水平，大量的设计公司还是处于起步阶段，设计水平也不高，产品水平也比较低，因此，在中国设计代工并没有太大的市场。“大的市场在华为、中兴等实力雄厚的系统厂商，因为系统的利润丰厚，产品快速上市至关重要，所以有一个想法，就可以请设计代工来做，只有他们是设计代工的真正用户。”上海华虹NEC的李向阳说，“目前，大部分设计公司都不是设计代工的用户。” 我们分析，设计代工对不具备测试、封装能力和足够EDA工具支持的IC设计公司是有帮助的。它可以帮助IC设计公司在自身设计能力不足的情况下，及时捕获市场机遇，谋求超常规的发展，而将自己难以全面解决的诸多设计挑战与项目一起整体外包给设计代工，从而腾出时间规划更新一代IC产品。 作为设计代工，要全面为IC设计公司提供解决问题的一揽子方案，就必须拥有众多可以配置的资源，特别是经过硅验证的IP和工艺库等资源，因此要与晶圆厂建立很好的互动关系甚至结成联盟，才能赢得IC设计公司的信任，扩大客户群。设计代工要生存下去，还要众多的晶圆代工厂愿意将业已存在的设计业务转移给设计代工来做。或者说，晶圆代工厂将设计服务业务剥离出来，形成独立的设计代工业务，将所有的资源都给设计代工，这样的设计代工才会有吸引力，才真正具备赢得客户订单的基础。 对中国即将形成的设计代工市场，一些具备海归背景的IC设计公司也有不同的做法。他们认为委托设计代工进行设计的速度还不够快。因此选择在美国硅谷和中国大陆同时设立研发中心的运作模式。这样，一方面，可以紧密贴近中国市场，经常掌握市场的动态；另一方面，可以借助于硅谷的资源优势，将一些中国大陆研发中心无法解决的问题，放到硅谷做，而且两地正好位于东西半球，整个设计团队可以不间断运作。上海展讯通信科技武平总裁(图5)说：“中国的IC行业这三年是发展最快的，产生了群体效应，加快研发步伐是今后IC设计公司面临的更严峻挑战。” 本文小结 从上述讨论可见，解决IC设计面临的诸多挑战，可以采用独立设计、委托设计代工设计、请外国专家做顾问、到美国硅谷进行设计等等办法，其核心都是加快产品的上市时间，在竞争日益激烈的市场上，以最佳的资源配置赢得先机，设计出性能最好、功能最佳、成本最有竞争力的产品。 目前，尽管中国IC产业已经取得了长足进步，但是产业链还不够完善，在IP复用、测试、封装等领域仍然面对许多挑战。如何发挥自身优势和设计代工的优势，是推进中国IC设计和制造业发展过程仍然需要进一步探讨的课题。 作者：周智勇