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中国“芯”路在何方?

semi conductor ·2017-07-21 08:52·半导体行业观察
阅读:2199

来源:内容来自semi conductor ,作者张珉, 谢谢。


前不久惊闻日本马桶遭国人哄抢以致断货的消息,近日单价人民币5000元的日本书包再度引发国内家长的疯狂追捧,诸如此类荒谬可笑的事件为人们增添了茶余饭后的谈资。然而惊讶之余冷静思索,此类事件背后透视出的不正是当前国内芯片制造业和设计业所面临的艰难窘境吗?



一、国内芯片行业现状分析

1、核心技术缺乏且对科研投入不足


工欲善其事,必先利其器。要设计出好的芯片,好的设计工具当然必不可少,芯片的设计工具俗称EDA 软件。凡是做IC设计的大都知道国内业界所谓的三座大山,他们的EDA软件占据了国内90%的市场。虽然国内也有企业雄心勃勃力求有所突破,但是不论规模还是品质,都存在很大差距。


也许对于很多设计人员而言,看到的更多是这些EDA工具华丽的表面,只要按扭一按,想要执行的结果就出来了。可是,大家是否想过,这里面隐藏着的恰恰是来自于电路设计相关部门知识的积累和技术的整合。


目前,我国在模型这一领域几乎是一片空白。作为IC设计中的核心部分之一的模型协会,至今也没有一家中国内地企业参与其中,而这恰恰是国内非常缺乏的可利用资源。当然,这其实并不是我们的错。因为国内本来起步就晚,也没有Intel、TI、TSMC等巨头的资金和技术储备资本,大家都只能把公司的生存放在第一位。


美国的CMC大发展,得益于欧美大批的半导体厂、IDM和EDA厂商的支持。国内的困境主要有两方面原因:一是除了屈指可数的半导体厂(SMIC, HHGrace等)外,几乎没有大的IDM,而设计公司基本是Fabless运作模式,使用流片服务。这样一来,对模型建设感兴趣的参加者就寥寥无几了。


另一个更深层的原因则是短视性和对R&D的轻视。国内半导体乃至整个高新技术产业,大都以销售为主导,模型属于后端的工程部门,短期内无法产生效益,公司对此缺乏足够的耐心。即使是前端设计技术团队,其地位和资源也十分有限。国内目前半导体厂缺乏吸引力的原因之一是IP的缺乏,很多公司不轻易转单过来的原因,模型就是一个重要因素,因为模型不准,导致流片失败或者不达要求。根据最新的调查报告,28% 的国内设计企业觉得缺乏足够的IP 是和半导体厂合作的主要障碍。


2、管理体制存在缺陷


就国内的情况来说,国家层面的投资不可谓不多,出发点也非常好,但是国内拿项目的人不做项目,做项目的人拿不到项目,就是非常尴尬的状况。有的项目所有者只考虑身边的一些关联企业,并不是让市场去选择。所以,市场就用脚投票,不买你的产品,造成恶性循环。而国家也会不解,投下去的资金换来的效率为何如此之低呢。


另外,在立项和投资上,我们也必须谨慎再谨慎。有些走下坡路的,或者国外淘汰的东西,比如国内还有在开发24Ghz雷达传感器的业者,其实这在欧盟早就禁止了。目前占主流的是77GHz雷达传感器,其功能更强劲,目标识别率是24Ghz雷达传感器的三倍,测速和测距的精准率提高了三至五倍,在汽车领域也更安全


可想而知,这样的落后项目怎么会有好的回报。还有些项目, 更是纯粹为了迎合自己所在部门的考核,没有考虑市场情况下的项目申请, 这个几百万, 那个几百万,没一会工夫,国家一大笔钱就没了。所以,国家要把钱用在刀刃上,集中力量打歼灭战。


3、半导体产业资源整合不足


国家在多地成立了集成电路促进中心和孵化基地,为中小企业提供场地、流片、测量的一些服务。这个出发点非常好,可是IC设计是聚集很多KNOW-HOW的工程,属于知识密集型企业,一旦有一个地方知识点缺乏,就容易形成瓶颈,甚至溃败。


我曾经在和客户的接触中了解到,很多公司对采用哪个工艺实现芯片功能的问题上就非常迷惑,而这一步非常关键,需要有专家给予指导。因为,芯片经历的每一个环节都可能产生问题,如工艺测试、设计、模型。如果出现了良率问题,该怎么分析并解决;如果出现了可靠性问题,应该用什么手段去检测、解决等。对中小公司,特别初创企业,如果没有各个环节上的支持,他们很容易在这么多的陷阱面前中招倒下。所以,半导体产业资源平台的建立,以及给中小企业以指导性的支持是非常重要的。这个我们在后面会具体分析如何改善。




二、欧洲芯片的研发分析

我们先来看看欧洲是怎么实现一个芯片项目的研发,解析整个项目流程,从立项、管理、 资源整合,最后到项目成功验收各个环节,从而学习它们在项目中的优点,获取内涵的东西。


德国在技术上的开发分三个环节。第一是完全的基础研究,即材料、物理、化学等, 比如我们比较熟悉的MAX-PLANK,俗称马普所;第二是和产业界比较相关的FRAUNHOFER 研究所,主要做一些产品的原形,它和工业界联系比较密切;第三是我们比较熟悉的INFINEON 公司,实现产品量产和市场大规模应用。一般来说,前沿的超大项目是以市场的前瞻为主导的,所以,通常是首先通过公司反馈给国家层面的科技部门进行立项,然后通过资源合理分配,共同开发新课题。


图中的项目背景是太赫兹的应用。它立项的原因是要实现富有挑战性的、低成本的、紧凑和高效的太赫兹信号源和接收器发展,推动完全整合的低成本电子太赫兹解决方案。市场定位也很明确,主要是为了满足商业和其他非军用市场中对相关的高性能电路和系统的成本、外形设计和能源效率的要求,主要应用在有高速度的通信领域(100Gb每秒)、120GHz 的工业传感器、汽车防撞雷达,以及用于安全扫描、人体健康和生物方面的毫米波影像和检测等。


确定一个芯片要实现的功能和指标,整个项目就必须分工明确。首先要研究目前哪个工艺是最有效率开发这款芯片的,如果有困难,工艺上怎么改进。其中,制造环节的评估是非常重要的,这是一个大方向,如果对了则事半功倍。接下来,是进行EDA环境下的仿真, 比较一下模拟结果和指标之间的差距,如果不符,则要进行工艺参数的调整来不断接近指标。 等到模拟结果达到要求就开始流片,而工艺起始参数的参考则来自于仿真的结果。在理想状况下,流片后器件的结果就是模拟的结果,如果不是,那么还要通过许多轮工艺的调试,取得最后成功的流片结果。


我们可能在图片发现一个中间环节WP3,它是器件测量和建模。这个环节极其重要,因为它起到了桥梁的作用,让工艺和设计之间能够实现无缝连接。在实际的半导体环境中, 由于最先进的技术节点制造和设计成本的增加, 设计(WP4)和制造(WP1)层面的知识差距会导致几个轮回的昂贵设计, 这个会让客户和供应商所得到的产品价格高出许多. 这种知识差距在实际的半导体供应链中, 由于制造和设计活动完全断开(例如, 纯晶圆代工厂和设计公司)变得更加严重. 为了让项目成员之间的沟通变得顺畅,大家会在WP5的组成安排下进行内训,增加互相衔接,减少理解失误。


每个器件在EDA工具里都是用几百个参数来表征的,而无数的器件则组成了电路,设计人员通过电路可以了解最后的仿真结果。如果仿真结果不好,则反馈给模型人员某些电性参数,由模型人员通知工艺接口的人员对那些工艺进行再次改进。经过多次循环试验,设计的部分才算基本完成。


从上面的流程不难看出,模型是重中之重, 是芯片的灵魂,没有正确的模型,很多工作都将成为无本之木,无源之水,其结果是耗费人力物力,徒增芯片开发周期。有了好的基于成熟工艺好的PDK,就可以设计好的IP,在图片中的WP4环节,就起了这个作用,他们设计出了比如VCO,MIXER,LNA等各种好的IP,使它们能设计出很多的产品, 同时也会吸引更多设计公司到半导体厂的工艺上设计更多IP和产品,这是一个正循环。


核心技术的取得不但与项目参与公司自身的技术水平息息相关,还和欧洲项目的严密监管密不可分,这就是WP6的功能所在。从立项开始,就会公开让很多公司来竞争参与。当然,项目的不同部分,比如工艺、模型、设计、测试等都有些候选公司,经过独立专家团队的评审,选出每个环节最优秀的公司来参与其中。


然后,每经过一段时间,团队成员都会聚集起来给予项目进度评价。因为很多项目是国家层面和欧盟层面的,为了鼓励这些参与企业,国家也会给予税收上的优惠。可想而知,通过强强联合的项目,最初就把技术层面推向了顶端,加上高效的管理,项目得以一步一个脚印走到底。在项目资金部分的管理上,从预算阶段开始就是非常严格的,一旦后期有什么出入,需要重新申请,资金管理也是非常透明的,由第三方机构监管每一笔支出,所以也就不容易出现所谓的UNDER TABLE之事。


这么大的一个科研项目,工程是浩大的,没有一家公司可以从头做到尾。所以,欧盟通过协调,把每个国家的优秀企业集中起来,对号入座,各展所长。


在工艺部分,选了在锗硅工艺方面比较强劲的INFINEON/IHP MICROELECTRONICS两家公司;模拟部分,选择了法国和德国的大学;在模型这块选了在锗硅模型比较突出的TU DRESDEN和XMOD TECHNOLOGIES;设计部分,选择了SIVERSIMA和DICE这两家中小公司,他们是从大的IDM公司SPIN OFF出来,对高频产品有着深入的研究;监管找了第三方的独立咨询公司。所以,在欧盟项目组的牵头下,把德国,法国,瑞典,奥地利等各个国家的精英公司团结在一起,为整个项目服务。


2015年7月20日,德国慕尼黑和斯图加特讯—博世集团(Robert Bosch GmbH)高度赞赏英飞凌77 Ghz雷达芯RASIC™产品系列,为此授予英飞凌“科技创新奖”,我想这是市场给与项目的最好评价,也是对于项目参与成员团结协作、完美衔接的高度肯定。



三、国内芯片行业如何追赶

1、国内企业要重视核心技术


上面重点分析了我比较熟悉的模型产业在国内的情况,和欧洲一对比,大家就了解了,模型开发作为一个环节来说,不管项目大小,都应该予以重视。当然,模型是否要开发,必须结合实际情况来判断。但是如果没有这个意识,那是非常糟糕的事情。


可是,模型公司的商业模式决定了规模不可能大,而且是以研发为主,所以没有国家支持是很难生存下去的。美国的CMC模型开发升级,是通过把几十家相关企业集聚在一起,通过大家出钱资助模型开发的模式,这样一来,对于模型开发的人员来说,没有后顾之忧,只要安安心心把模型做好就可以了。所以,国家层面应该带头,把这块基础工作做好,把国内零散的模型公司和人员聚集起来,完全有可能通过半导体厂、设计公司、EDA厂商的互动,开发出基于国内特色器件的模型,挖掘出“MORE THAN MOORE”(“超越摩尔”)的附加价值。所以核心技术并不一定是“高大上”的技术和工艺,也可以是拥有底蕴的老工艺老技术上的改善和创新。


我曾经碰到一家专门做ESD IP的欧洲公司,它在技术和商业上都获得了很大的成功,十几个人的企业年营业额就有几个亿人民币之多。所以,超越摩尔的东西同样值得去挖掘,也是核心技术,而且更适合国内的半导体产业去实现创新。如果环视一下就会发现,有些MtM的公司也是活得很滋润的。比如XFAB,在POWER DEVICE和汽车领域取得了很大的成功,而德国恰恰是汽车大国,该企业因地制宜,成为了成功的典范。所以,不一定非要做最先进的工艺,只要适合国内市场、国际市场,中国的半导体厂同样能走出一条非常漂亮的发展之路。


HHGRACE在E-FLASH平台这一块就是立足于国内,进而走向世界,是又一个非常好的范例。日本的书包和马桶盖是和民生相关的东西,这么普通的东西,只要用心去做,也可以做到深层次并取得附加价值,得到市场认可。更明白地说,核心技术是那些人家不知道,但是能给你带来额外价值的东西,模型就是其中的典型。


欧洲有很多公司把标准产品进行温度延伸和可靠性延伸,通过模型的二次开发,增加了产品附加价值。器件模型乃至应用电路芯片设计的高附加值,将主要来源于在功率、射频、医疗等这些领域定制产品的需求。因为标准数字制成,从后端工艺到前端设计,已经自动化程度非常高,拼的主要就是密度。而模拟/功率/射频则不同,还是拼性能。这样对器件本身、模型及电路都有较高的要求,而且需求多种多样,可以工程化的地方很多。而模型是核心之中的核心,这也是为什么美国的IDM会保留特定产品应用的Fab,而把标准数字产品交给国内的半导体厂去做的原因所在。


真心希望,哪一天,大家做每个项目的时候,把模型作为一个重要环节进行考虑,那么国内的模型基础应该就是取得了很大改善,而且更有机会实现核心技术的突破了。


2、管理体制亟待完善


国家层面的项目都是对整个行业有着引领作用的,所以,立项需要结合自身情况,小心小心再小心,因为一旦指导方向有偏离,损失巨大。当然,对于研究单位、学校和单位提出的项目,国家应该有不同方面的专家。比如对国内外产品、市场和设计等都非常熟悉的人员来参与,尽量把项目前的准备工作做好,以免落后的项目和前瞻性缺乏的项目仓促上马,导致国家资金浪费。


如果项目一旦启动,尽量让独立的第三方去监管资金和项目的进展。最近,在和朋友的交谈中了解到,国家已经在这一方面做了一些实质性的工作,很多项目申请难度增加,比如要网上公示、评分等,在监管方面,也会让专家团进行项目审核,来监督项目的进度和资金的应用状况,我想,这是一个好的开始。

3、整合半导体产业资源是关键


在半导体产业大发展的背景下,资源整合尤其重要。同时,平台的建立,对国家层面的大项目而言,也可以实现集中优势资源,把项目做到极致。而这里的资源,并不一定都是“高大上”的,也可以是“小而美”的。欧洲有很多中小企业,多数是从研究所、学校、大公司里分离出来的,每个企业都有自己独特的技术和产品。


所以,一个项目需要大家花精力和时间去了解,项目的每个环节用怎样的资源去解决,好比一个无限大的网格,要根据具体情况,做相应的最优匹配,谁能在网格中找到最短的路,那么谁就赢得时间和市场。


资源整和覆盖了IC设计的产业链,是全方位的,这其中牵涉到材料、设备、IP、设计、工艺、封装、测试、应用以及市场等等。只有把各个资源合并到一个平台上,才能提升万众创业、全民创新的效率。而在集成电路这个知识密集型的行业中,一个知识上的点拨或者疑难问题的解决,要比资金对中小企业的支持更有效。


国内的学校和研究单位,承接了很多好的项目,其中不乏将来可以在市场上取得成功的研究成果。所以,对于这样的项目,国家或者地方,应该积极整和好的资源去配合,并且挖掘产品应用、市场推广方面的潜力。比如说,通过产业平台,积极参与国内优秀大学和研究机构的项目,让国家通过出钱购买服务的方式, 帮助学校的科研成果变成IP或者产品等,实现商业化。这就像帮助中小企业一样,能够让他们专心钻研,提高投入产出率。


平台的搭建和创建是需要国家来引导和主持的,这个和欧盟的资源整合概念一样,争取把产业链上每个环节做到细分,把在各个环节有特色的公司(不管大小)引入整个平台,让他们强强联合。在1+1>2的双赢格局下,我想大家都是愿意加入和分享自己的KNOW-HOW的。


综上所述,必须建立以国家为主导,增加对EDA 工具、测试设备、器件模型、IP等半导体基础和核心技术的投入机制,同时完善一整套管理制度,以公开招标、第三方监督等方式增加管理透明度,并成立全方位整合半导体产业资源的平台,给研究机构、中小企业提供指导性意见,通过国家出资购买服务的方式,提高IC行业公司孵化率和附加价值,那么,“中国芯”将会迎来百家争鸣的时代。实现中国成为集成电路大国是几代半导体人共同的“中国梦”,让我们紧密协作,共同探索一条与时俱进的“中国芯”之路,相信路就在脚下。


作者简介:


张珉,德国亚琛工大电子工程系博士。曾先后就职于日本富士通川崎本部、德国于利希研究中心、CYPRESS SEMICONDUCTOR、华力微电子,目前是法国XMOD Technologies 亚太地区负责人兼弘模半导体技术(上海)有限公司创始人之一。


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