设计水平晋级90纳米,IP问题日益凸显

2006-05-08 09:09:27来源: 电子工程专辑

纵观近几年中国集成电路设计产业的成长历程,尽管产业规模尚小,但发展迅速。据中国半导体行业协会统计,2005年中国大陆IC设计业销售收入同比增幅达52.5%,首次突破100亿元,达到124.3亿元。在连续几年的调查中,我们也发现中国IC设计企业的研发水平在稳步提高,产品档次也有了高端突破,但同时,随着基于IP复用的SoC设计渐成主流,中国本土IC公司面临的IP问题也日益凸显。

从另一个角度看,2005年中国设计业进入了理性发展期。在产业的发展过程中,企业间出现了整合重组、优胜劣汰现象,公司数量几乎没有什么增长,与前几年的激增形成鲜明对比。截至2005年,中国IC设计公司总数达479家,与2004年相比,同比增长率仅为0.6% (中国半导体行业协会数据)。其间,一些具有自主创新能力,并采取正确的市场与营销策略的企业脱颖而出,逐步成为行业的中坚力量。

为了持续追踪中国集成电路设计业的发展趋势,今年3月,《电子工程专辑》进行了第五次“中国IC设计公司调查”。本次调查采用电子邮件和电话追访方式,共得到有效回复83份。基于调查和采访结果,本文将从设计水平、热点应用、技术挑战、IP及EDA工具使用情况等方面解读本土IC设计公司所面临的挑战与机遇。

数字IC设计工艺突破90纳米,SoC设计方兴未艾

2005年,中国IC设计公司的研发能力发生了一些质的飞跃。例如,TD-SCDMA基带芯片设计水平从0.18微米、0.13微米跃至90纳米,标志着中国3G通信核心芯片的设计能力已经提升到国际主流水平。T3G、凯明、展讯、重邮信科等多家公司都有相关产品问世。

图1 2005年中国IC设计公司设计水平一览表。

本次调查显示,2005年,有超过50%的被调研企业所设计产品的规模达到100万门以上。在数字IC开发中,45.2%的公司选择0.18微米工艺,比2004年增加约7%;13.7%的公司表示已经在开发0.13微米的芯片,比2004年增加8个百分点。总体上看,0.18微米仍是数字IC设计的主流选择,部分新产品的开发开始转向0.13微米技术。(图1)

而在模拟和混合信号领域,48.5%的公司采用0.25微米及其以下工艺开发模拟IC,比2004年增长7.1%;有超过56%的公司采用0.25微米及其以下的工艺开发混合信号IC,与2004年相比增幅达9%。

此外,中国IC设计正由传统的ASIC向SoC发展。调查显示,59%的中国IC设计公司介入SoC设计领域,这一数据比2004年增长13.5% (图2)。SoC正逐渐成为本土IC设计公司的研发重点,除了基于逻辑综合的ASIC设计方法,他们更倾向于采用基于IP的平台化SoC方法进行设计。

设计周期挑战依然严峻,EDA工具帮助减少设计反复

此次调查结果显示,设计周期、设计成本控制、IP验证、IP适用性、可测试设计依次是中国IC设计公司最常面对的设计挑战。与2004年相比,模拟电路仿真、设计反复、时序收敛等问题的比例有所下降,但设计成本控制以及缩短设计周期的压力依然不小。

随着深亚微米工艺不断发展,设计的复杂性日益增加,从而容易引起更多的设计反复。现在借助先进的设计方法学,以及适合的EDA工具,中国IC设计公司在设计反复次数方面已有所下降。在ASIC研发过程中,超过六成的被调查者表示设计反复次数少于四次,这表明研发工程师对设计流程及EDA软件的使用更加熟练。

图2 2005年中国IC设计公司主要开发的IC类型。

EDA工具对SoC设计业的发展产生着重大影响。有调查数据表明,目前中国IC设计工程师使用最多的EDA工具主要来自Cadence、Mentor Graphics、Synopsys三大供应商,分别占到48.4%、28%、26.2%。

面向细分化IC设计时代,EDA工具供应商的业务方向也作出相应调整。例如,Cadence由原先逐个推出单一工具转向提供Kits(工具包),每一个Kit都将重点解决关键的设计问题,而Kits是将IP和具有代表性的参考设计与集成在平台流程中经过验证的方法相结合,以便解决很多专门应用领域的问题,从而帮助用户减少设计返工并提高设计效率。

Cadence总裁兼首席执行官Michael J.Fister指出:“采用Kits,我们的用户能够将宝贵的设计资源用于产品的差异性设计,而非花大力气去进行一些基础性设计,这对一些中小型公司特别有益。”

而Mentor Graphics则帮助本土设计公司开发中小规模、尤其是消费类电子中需要一些特殊功能的芯片。"这主要是指一些模拟混合的产品,它们的复杂度不高,但可能涉及高电压、射频等电路,这也是富有挑战的。"该公司总裁Walden Rhine表示。先进EDA工具的出现为提升开发人员设计能力创造了条件。

IC应用最热领域仍属消费电子,电源管理IC倍受青睐

随着设计能力的提升,中国IC设计公司不再只研发低端应用芯片,部分公司开始向中高端产品领域进发。例如,六合万通、安凯、艾科创新、鼎芯等公司在WLAN、多媒体处理器、手机功率放大器等领域均已取得了突破。这些设计亮点也折射出中国IC设计业整体设计能力的提升。

图3 中国IC产品的应用领域分布,消费电子仍居首位。

本次调查显示,消费类产品仍占据大陆IC设计项目的大部分,其次是无线通讯、工业控制和计算机。如图3 所示,消费电子领域仍是本土IC研发的最大舞台,其中,手持设备/PDA、多媒体芯片以及机顶盒IC所占份额最多,分别达到33.7%、31.3%和32.5%。许多中高端芯片也是面向消费类应用的多媒体芯片。例如,杭州国芯开发的数字电视芯片全面突破了卫星和有线广播接收解调关键芯片设计的国产化技术瓶颈,多项关键指标超过国外同类产品。

另一方面,电源管理器件成为很多中国IC设计公司介入市场的突破口。由于看好电源管理市场的利润前景以及进入门槛较低,而且考虑到此类产品更新换代不是很快,寿命比较长等特点,越来越多的本土中小型IC设计公司进入该领域,并在MOSFET、LDO、LED背光驱动IC等产品上取得进展。

调查结果显示,在模拟混合信号IC设计中,从事电源管理芯片设计的公司占到26.5%。这主要缘于整机产品制造对电源管理产品需求的快速增长。目前,明微、长运通、思旺、龙鼎、崇芯、泰德、圣邦、美芯等公司都推出具突破性的电源管理IC产品,而且,有些公司已经在手持式设备和消费类电子等应用领域开拓出自己的空间。

电源管理IC凭借其广泛的应用和稳定的市场,长期保持着超过全行业平均水平的增长率。据iSuppli公司预测,2003年到2008年全球电源管理芯片销售的年复合增长率为12.7%,2008年的销售额将上升至295亿美元,本土IC公司在该领域仍有发展空间。

提供全系统设计成为主攻方向

在完善的IC产业链中,芯片设计业和整机厂商之间通常有第三方设计公司存在,起到承上启下的作用,第三方设计公司在芯片生产出来后,连同解决方案一起提供给整机厂商。但目前中国的IC产业链中还缺乏与国内IC设计公司配套的第三方设计公司;同时,大多数中国整机厂商与芯片设计公司之间缺乏技术上的有效互动,这在一定程度上制约了中国IC设计产业的发展。

图4 近六成中国IC设计公司提供全系统设计方案。

不过,本次调查揭示出以上局面有望好转,有超过60%的本土IC设计公司表示可提供全系统设计服务(图4)。这表明,大部分设计企业已经认识到,为整机厂商提供系统解决方案以及良好的技术支持是从国际大厂手中争夺客户的必要之举。

在调查中我们还了解到,有些设计公司希望与有实力的第三方设计公司合作开发解决方案。而另一些公司则能独立提供整体方案。例如,展讯将芯片、软件、开发平台及手机模块一起做,可提供贴近中国市场的整套解决方案。有业内人士认为,芯片厂商不应把时间都花费在芯片的逻辑设计上,而应该更加注重开发嵌入式软件和提供解决方案。这对中国整机厂商来说,是最实用的服务方式。

他们还建议,本土中小IC企业之间可自发结成价值链,共同提供解决方案,绑定整机厂商,合作开发、开拓市场。对此,中兴集成电路设计公司营销总监高枫表示认同,“应该与同行合作增强实力,在技术上共享,在市场上共享,联合起来开发市场。这样可能更有效。”他透露,目前中兴集成在这方面已有动作。此外,中芯联合、凯明、威斯达、六合万通等多家公司也都表示会为整机客户提供系统级解决方案。

新项目启动有所减少

作为带动产业规模扩大的直接动力,新增投资和新建项目一直是产业发展的风向标。与前几年的建线热相比,2005年中国IC制造领域新增投资有所放缓。而在设计领域,新增项目数量也有所下降。调查显示,36.1%的回复者在2005年项目启动数量为3-4个(图4),而在2004年,有22.7%的公司项目启动数目超过21个。这表明,大多数设计企业寻求平稳发展,不再急于扩增项目,而是着重将现有项目做强做好,丰富现有产品线或实现产品的系列化。

本土代工仍是主流

图5显示,近六成的IC设计公司选择在中国大陆流片,选择在台湾地区流片的IC设计公司与2004年相比下降了6%。中国半导体制造业的日趋成熟以及流片的成本优势使得越来越多的IC设计公司倾向于在中国大陆代工。

随着以中芯国际为代表的本地代工业进入成熟期,大多数IC设计公司表示本地的代工厂在工艺水平和IP库种类方面都能基本满足他们的需求,这为中国本地的IC设计公司提供了方便的代工环境,并降低了成本,缩短了产业链。

而本地代工厂对中国的IC公司也采取了大力帮扶的策略。“中芯国际对本土IC设计公司非常支持,基本上没有量的限制,为我们提供了很多IP。”深圳芯邦微电子公司董事总经理张华龙表示。而芯微技术(深圳)公司销售经理邓江生也有同感,“本土代工厂的配合度比较高,对我们比较重视”。

图5 2005年超过半数的中国IC设计公司启动项目少于4个。

不过,在IC设计公司在与代工厂的合作中,交货周期、工艺技术不兼容等还是比较突出的问题。而且,各地区产业链分布不平衡也给IC设计公司带来不便,不少公司在本地完成设计后,必须去上海流片,然后到北京测试,最后又运回上海封装,这在一定程度上也对产品上市时间造成拖延。

关注IP问题,应对SoC设计挑战

随着集成电路设计逐渐向SoC方向转移,硅知识产权(IP)核已成为SoC设计的一项独立技术。SoC是集成电路设计的前沿技术,在SoC设计方面存在诸多挑战,例如,产品理解、系统驾驭、IP的使用、功耗控制等。其中,IP的使用最为关键。市场调研公司Dataquest的统计数据表明,2005年全球SoC设计的80%都是采用以IP为主的预定制模块,IP已经成为未来主流芯片设计的核心构件。

对于刚刚起步的中国大陆IC设计业,利用商业化IP设计大规模复杂系统可以说是中国IC设计业实现跨越式发展的一种机遇。中国软件与集成电路中心(CSIP)发布的2005年中国IP市场调研报告显示,本土IC设计公司对IP核的使用情况及规划是:28.5%的企业重用自有IP核,37%的公司计划开发自有IP核,31%偶尔购买IP核,9%计划购买IP核。

不过,昂贵的IP专利费对中国中小企业形成的价格压力,在一定程度上阻碍了IP技术的使用与推广。而且,业界对中国知识产权保护能力的置疑,也限制了IP在中国的应用与发展。

在调查中,我们发现,近六成公司认为IP费用高是制约IP使用的最主要障碍;其次,IP质量难以评估、找不到合适的IP以及IP的重用问题也是关键挑战。在IP重用中,系统验证问题最大,其次是IP整合和IP交付文件不完整。

虽然使用IP可以使设计师摆脱从头设计的繁杂,然而IP并非即插即用,设计团队通常需要专家指导以正确使用IP。正如模拟IP供应商Astro Semiconductor的首席执行官A.J.Sen所指出的:“即使使用经过完美验证的IP,假如设计团队不能很好地整合它们,依然有可能出现大问题。”

事实上,由于研发水平及自主创新能力有限等种种原因,长期以来,中国大多数IC设计公司都在做“me too”的产品,而少有申请自主产权或购买IP。有些公司甚至认为“自己的产品暂时不进入国际市场,因此不必强调IP问题”,IP来源不明的情况在一些公司很普遍。这些问题在企业发展初期或许不会构成什么不利影响,但当企业发展到一定规模时,IP问题的严重性就会暴露出来。近两年中国公司频频遭遇知识产权诉讼问题,“汉芯”事件再次向本土企业敲响警钟:不发展IP,企业就缺乏后劲,无法实现持续发展。随着产业大环境对保护知识产权重视度升温,中国IC设计公司也开始将IP问题提到议事日程上,而且企业对IP的需求也日益攀升。

注意到目前中国正处于IP发展变换的关键时期,一些国际IP供应商纷纷抢摊中国市场,为适应中国独特的产业环境,他们也相应采用新的商业模式。例如,ARM7模式就是ARM公司针对中国公司普遍规模较小,技术水平相对较低而采取的全新的商业模式。该模式的独特之处在于IC设计公司可以试用ARM的CPU IP,直到MPW流片成功为止,而在进行量产之前不需要交付许可费用。这种模式的出现不仅对中国,也将对全球IP市场的发展产生重大影响。

与此同时,中国也涌现出诸如苏州国芯、智芯科技、芯原微电子、四川登巅微电子等一批以IP为主要方向的公司,而且“龙芯”CPU也开始加入到IP供应的行列。不过,IP问题也让这些公司感到棘手。“很多芯片的开发都需要IP的支持。但是相当一部分IP是没有经过验证的。我们需要帮助客户考察这些未经验证的IP,以防止IP设计到芯片中后不工作。此外,我们还要帮助客户寻找经过验证的IP。” 智芯科技副总裁彭圣钧表示。他介绍说,智芯科技的做法是在芯片设计时充分考虑封装、测试、流片时的诸多因素,并与上下游企业进行及时沟通。

芯原微电子的做法与智芯科技类似。但芯原还需要克服在数模混合、高压、CPU核、DSP以及存储器等技术方面的困难。该公司副总经理冯军表示:“由于要涉及到各种客户、各种制造工艺以及不同的代工厂,因此需要广泛调研。而且,SoC技术需要定制功耗低、面积小的存储器模块。此外,因为SoC产品是软、硬件技术的结合,所以在DSP架构、软件,包括底层驱动、操作系统等方面都需要做大量的工作。”冯军透露,未来一年芯原会针对高端IP进行开发。

尽管从某种程度上说,中国还没有形成真正意义上的IP公司,但这些公司通过提供IP和IC设计服务正逐步向着良性循环的方向前进。可以预见,随着中国IP环境的逐步完善,本土IP设计公司也将健康持续发展。

从产品定义出发,寻求企业成功模式

除了上述调查显示出的各方面变化之外,本土IC设计公司在产品创新与产业化方面也取得了新的突破。2005年,先后上市的北京中星微和珠海矩力可以说是中国IC产业的最大亮点,这两家年度销售额最高的公司以自身的业绩印证了企业的成功要素:正确的产品定位+有效的市场推广。这种模式也得到业界广泛认同。深圳致芯微电子公司总经理李波表示:“珠海炬力的产品销售得不错,关在在于其产品定义正确、市场把握准确。”

杭州国芯副总经理张明也认为:IC产品最大的挑战往往不是来自设计技术本身,而是产品定位与市场推广中的问题。必须围绕市场要求选择技术突破方向,同时只有通过向客户提供全方位的应用解决方案与技术服务支持,才有可能使芯片产品走向市场。

“做得出来卖不出去的尴尬处境一直困扰着本土IC设计公司。”芯原微电子公司总裁戴伟民颇有感触,“取得成功的本土公司并不是技术上最领先的,而是在市场营销上取得了突破。”

而Cadence公司的Fister则以英特尔为例告诫中国IC设计公司:英特尔的成功来自技术,但是它本身在技术营销上的工作也非常到位。也就是说,企业需要有敏锐的市场洞察力。“这点非常重要。”他进一步解释道,“首先要了解市场,然后再考虑怎样做出一流的技术方案。”

关键字:集成电路  IP  SoC

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