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我國芯片設計業現狀 中國半導體行業協會常務副理事長魏少軍說，2010年中國集成電路快速成長，2010年全行業銷售額有望達到550億元人民幣，比2009年的380億美元增長約45%。占全球設計業的份額也從2009年的10.7%(2009年全球設計業銷售額約566億美元，美元匯率7.2)，提升到2010年的 12.3%(2010年全球設計業銷售額預測約為700億美元，美元匯率6.36)。 2010年“十大設計企業”的入門門檻將第一次超過10億元人民幣。銷售額過億元的設計企業數量已經達到80家，其中銷售額過20億元(約合3億美元)的企業有2家，可見已形成了一定的規模。 盡管目前我國有500多家設計企業，但大部分是人數少于100人的小企業，還處在為生存而奮斗的階段，龍頭企業的數量偏少。目前仍沒有一家企業能夠進入世界前10名，我國前20大設計企業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。 軟件成為半導體公司新的營收模式 那么，今天芯片設計業的挑戰是什么?我國本土芯片企業的發展思路該如何?這要從終端電子產品的需求談起。 Cadence設計系統公司資深副總裁兼首席營銷官(CMO) John Bruggeman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[2]，表明該公司的定位已經不是一家賣電腦的公司，開始了新的商業模式。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。這首先表現在有很多不同的應用;其次，iPhone 推出了一種新的商業模式，通過這種商業模式可以吸引和留住用戶。舊有的商業模式是公司要產生收入的話，只能賣一個手機或者再賣其下一代給這個用戶，這是離散性(discrete)商業模式。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用或者與應用相關的內容來不斷地產生營業收入。這種新的模式是一種持續的收入模式。 很多電子公司也在效仿此模式，例如三星現在不僅是一個電視機供應商，也在推廣電視機的應用，正成為一個應用軟件的公司。深圳華為正在追趕Cisco(思科)，不僅提供網絡交換機，也定位成一家應用型的公司。由于這些整機公司在轉型，也迫使半導體器件公司發生轉型：不僅提供芯片，也要提供相應的軟件服務，像固件(fireware)，甚至驅動軟件等底層軟件。 縱觀世界前20、30大半導體公司當中，其投入大約有超過50%是在軟件方面，所以軟件已經成為半導體公司非常重要的一個營收模式。 曾提出“許氏循環”的中電集團58所的許居衍院士在會上介紹了他對半導體特征循環的研究，認為半導體或主流產品總是沿著“通用—專用”波動，每十年循環一次。現在正處在第三次循環的專用波動周期(2008-2018年)，早期許院士稱之為SoW(System on Wafer)，即現在的SoC(系統芯片)，接下來就將進入用戶可重構(User-Reconfigurable)系統級芯片(U-SoC)為特征的通用波動周期(2018-2028年)。 Synopsys(新思)的首席營運主任及總裁陳志寬十分贊同即將進入U-SoC的觀點，并指出U-SoC階段將需要更多的軟件。另外，據Synopsys推測，未來芯片結構中，將有50%的內存，25%的IP(知識產權)，其余25%才是fabless(設計公司)自己的創新。這50%的內存說明未來芯片需要大量軟件。 Mentor Graphics(明導)公司不僅繼續發展IC設計的EDA工具，還推出了面向嵌入式系統軟件的ESA(嵌入式設計自動化) 平臺。其亞太區技術總監Andrew Moore博士稱，ESA提供了更高階的平臺，趨向于模組化、高階的語言來開發這個軟件。例如，早期的DOS系統控制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用軟件。具體來看，你把高階語言拆開之后，可看出其結構是一層層的，像是組合語言，最底層是匯編語言/機器語言。今天ESA針對基于ARM、MIPS核的處理器芯片來開發，將在處理器和應用之間構建出一個ESA平臺，使用戶可以從更高階的角度來開發軟件。 ESA和EDA(電子設計自動化)的關系是相輔相成的。EDA工具主要是來協助設計硬件(IC)，即設計處理器周邊的一些接口。將來在設計出來的硬件上所運行的就是ESA軟件。因此EDA和ESA共同服務SoC的平臺，是一硬一軟兩方面。 輕設計比MTK還MTK 芯原(VeriSilicon)公司董事長兼總裁戴偉民博士分析認為，中國臺灣IC業起步比中國大陸晚，當時如果沒有晶圓代工(foundry)業，不可能有MTK(聯發科技)等世界級的fabless。因為臺灣的設計公司和國際IDM(集成器件制造商)巨頭規模相差甚遠。那么中國大陸應該如何根據自身條件突破呢?其中一種方案是從fabless跨越到design-lite(輕設計)。 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，輕設計意味設計公司專注于規范、架構、核心IP和軟件等，而把設計實現和供應鏈管理外包給設計代工公司(如芯原)。由于SoC盛行，芯片設計公司的門檻不斷提高，像漢王等系統公司將向下移動到自己的一些關鍵芯片的增值和差異化方面。在系統公司而言，它們的核心競爭力除了規范和軟件外，還有品牌和渠道。 戴偉民認為這是另外一個層次的開放，比MTK還MTK(開放)。因為縱觀現在中國很多企業在推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的輕設計?戴偉民分析認為，手機業的教訓是手機設計廠商打來打去，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，你可定制給學生、老人、農民工、醫療終端、汽車電子等，因為這些差異化的應用不可能全買一塊大芯片。你還可以更進一步——自己連芯片都沒有，采用設計代工。 多元、細分市場是超越機會 包括許居衍院士、TSMC[5]、芯原、iSuppli等多位專家認為xPad對中國大陸是個機會。iSuppli的高級分析師顧文軍從跨欄項目拿金牌聯想到了如何找到中國本土企業的優勢。“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——中國臺灣已經在此市場了，做手機已經是MTK主導了。”顧文軍說，“但xPad不上不下、不大不小，像大屏幕的智能手機?還是小屏的PC、上網本?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勢，這樣我們拿了冠軍。同理，本土企業需要從多元化、細分化市場上找機會。 但做xPAD需要注意兩點，芯原的戴偉民說，首先是技術的同步性，例如競爭對手做40nm，你65nm;對手用ARM Cortex-A9核，你用ARM11，你再怎么做也不行。其次需要設計創意來實現良好的用戶體驗。中國搞動漫的、藝術的人才很多，可惜還沒集中到電子行業! 三大EDA巨頭眼里的設計挑戰 Cadence認為：軟件對半導體公司來說是個新挑戰，因為他們傳統只設計硬件，現在還要設計軟件。為此，Cadence把新的EDA轉型稱作 EDA360(圖1)。EDA360希望幫助半導體公司解決三個層次的問題：1,系統實現，包括早期的軟件開發，系統級的驗證和糾錯;2, SoC(系統芯片)實現，幫助客戶去解決SoC中像 reware的問題等底層軟件的開發，以及與器件相關的軟件開發;3, 芯片實現層次，主要解決傳統問題，包括低功耗等。 盡管Cadence擁有從IC設計到PCB(印制電路板)、系統設計一整套平臺，但還需要整個產業的合作，諸如IP供應商、IP(知識產權)和設計服務公司、代工廠、與硬件相關的軟件，這其中還包括了Cadence的EDA同行們。 Mentor的Andrew Moore認為，當芯片設計規模越來越大、未來有望達到400億晶體管時，為了克服大規模IC的設計挑戰，有四方面的重要技術。 第一，硬件仿真技術(emulation)。是使用硬件的解決方案來提高IC設計、驗證的效率。這從邏輯學上看是非常有趣的一件事——用硬件來設計硬件，就像機器人自己在設計一個人一樣。我們大幅度地使用硬件來提高整個驗證的效能。 第二，系統設計。現在CPU核大量被使用在現在的SoC設計當中，像ARM核、MIPS核等等，通過軟硬件協同仿真技術，可以大幅提高系統設計的效率。 首先對于這些CPU的指令集進行建模，之后我們就不需要讓CPU在進行系統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行CPU 的指令集建模。這樣就可以大幅地提高設計效率：首先，我們提高了整個系統級驗證仿真的效能，其次，可以提早讓軟件進行開發，因為這等于我們可以直接在 EDA平臺上先把產品原型實現。這樣軟件可以提早在這個平臺上進行開發。而且EDA平臺可以提高偵錯能力，這是傳統硬件原型無法達到的。因為軟硬件協同的功能可以讓系統時鐘停下來，這時當軟件有Bug時很容易去糾錯，也能輕易知道到底是哪個CPU、哪條指令導致硬件和軟件的問題。 第三，物理設計與驗證。Mentor的Calibre平臺已經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的機遇。從EDA設計及之后的流片/制造來看，事實上盡管晶體管數量越做越大，但芯片的制造和研發成本卻沒有大幅提高，反而是軟件開發的成本在上升，例如iPhone手機上有越來越多的應用程序。如何加快軟件開發的速度，以及如何能夠減少軟件的開發成本?Mentor的ESA愿景是解決這方面的問題。 Synopsys的陳志寬指出，從國際上來看，設計挑戰是：設計成本越來越高，而且最大的成本支出來自軟件和認證，需要EDA供應商和代工廠一起來解決。二是從芯片設計到仿真、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。三是低功耗設計。中國大陸IC設計業面臨著三個挑戰：需要好的IP，上市時間更快，成本更低。 有人擔心IP用多了，fabless公司可能會淪為組裝公司。IP年營業額2.5億美元的Synopsys認為，實際上，整個系統怎么去驗證等也很重要，只有該項目的設計人員才知道這個芯片到底要實現什么樣的功能，才可做好驗證;另外，軟硬件協同驗證等方面也很復雜，因為現在整個系統在一塊芯片(SoC) 上了。再有，這五年將發生一個變化：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雜。但這些芯片里的軟件不是外面的應用軟件公司所做，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，市場銷售副總經理莊淵棋博士解釋說，模擬IC不是在追求小，而是準、低功耗。 人們常說模擬IC設計其實是一門藝術，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計來想辦法。國際上為何4英寸、6英寸工廠還繼續生存?并且可以運行二三十年?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fabless的設計完全匹配，絕不浪費任何一個環節。所以國內很多模擬fabless雖然沒有自己的工廠，但和IDM相比成本仍具有優勢。 來源：電子產品世界 |
