发展IC产业应重视的几个问题

李国杰

 

1、关于Moore定律和IC生产线建设

所谓Moore定律实际上主要是说两件事,一是半导体设备制造商有能力在18个月以内更新设备或工艺,使得集成电路芯片的“线宽”可缩小30%CPU和存储器芯片标称“线宽”定义不同),例如从0.5微米到0.350.250.180.13微米。由于光刻机使用的波长不能按30%的规律下降,目前主要用0.248微米,下一步是0.193微米。从0.180.13微米工艺都采用0.248微米激光波长,加工精度提高主要靠掩膜和蚀刻技术的提高。第二件事是说EDA工具升级速度足以满足每一年半提高一倍晶体管数的要求,芯片设计人员的规模和能力也能满足集成度指数增长需求。所以Moore定律不是什么自然规律,只是对人的能力增长的一种判断。且不说由于日益趋近半导体材料的物理极限,工艺和软件提高的难度增加,人的能力永远保持每年60%以上的速度增长也很难做到。芯片设计的复杂性在很大程度已转移到EDA软件设计的复杂性,众所周知软件的可靠性和可信赖性(dependability)是一直没有解决的难题。从这个角度看,18个月集成度(或性能)翻一番的Moore速度难以长期维持。事实上,除了DRAM的容量增长基本遵循Moore定律外,CPU性能的增长已降低到3年左右提高一倍。有些同志认为今后几年IC工艺的改进速度会超过Moore定律“跨代”演进,这种观点可能过于乐观。事实上,0.13微米缩小30%,下一代应该就是0.09微米工艺,从Moore定律的预测来讲,不是“跨代”。0.11微米只是改进掩膜技术后的一种过渡工艺,如同在0.180.13微米两代工艺之间,有些企业采用0.15微米的过渡工艺一样。芯片产业界普遍认为,0.1微米以后,每缩小0.01微米(10纳米),工艺上可能要算新的一“代”,也就是说每代线宽缩小会小于30%

从投资的角度看,IC工艺每升级一代,加工线的投资要成倍地增长。在一条8’’ 0.18微米的Foundry生产线加工芯片要想有利润批量至少要上十万片(假设芯片价格在10美元以下),因为一次光掩膜制版费就要30万美元。上海、北京等地计划共建设三十条生产线,有人说建多了,有人说再多建几十条也不会饱和。我们要做出正确判断需要有点定量分析,而不能凭感觉拍脑袋。

从上面Moore定律的分析来看,由于工艺线升级的速度放慢,今后5-10年是中国在IC产业上实现追赶超越战略的好时机。我们面临的问题是如果我们新建设的几十条生产线多数是6’’0.250.35微米工艺线,在将来的IC市场中我们究竟能占多大份额。IC工艺线的分工必然是越先进的生产线占领批量越大的市场。如果一种芯片要求性能高较而且有上千万片市场,采用0.250.35微米工艺一般竞争不过0.18微米工艺。如果研制一种芯片性能要求不高而且估计总的市场只有几十万片,采用0.25微米甚至更低水平工艺也许是合理的选择。因此,我们有必要对世界上全部IDMFoundry的工艺水平和生产能力进行尽可能详尽的统计,对世界和中国市场目前销售的主要芯片各有多大销售量也要尽可能详细的统计分析,并且根据这些数据对今后5-10年内各类芯片的分布做较客观的预测。只有在这种科学分析的基础上才能对我国上多少条生产线,上什么档次生产线做出比较正确的判断。本人试图做这种统计分析,打算先从海关进口芯片统计开始,但由于海关信息中心提供的信息分类实在太粗糙,工作无法进行下去。建议信息办花一点钱委托一家咨询公司完成这一任务,使我们心中真正有“数”,避免盲目决策。

2、关于芯片设计技术

近两年内我国的芯片设计公司从全国100多家增加到400多家,发展之快可能超过世界上任何国家。但大多数公司少于50人,而且一般只能进行基于Foundry提供的标准单元的ASIC芯片设计,有能力从事全定制芯片设计的公司不多。如果一个公司只是会使用Cadence的设计仿真工具,按EDA工具规定的流程走一遍,即使流片成功,这种ASIC的竞争力一定不会很强。我大胆地估计,如果不尽快提高设计能力,业已成立的400多家Fabless可能有相当一批公司会被淘汰。现在还不能说中国芯片设计公司多了,已经有很大泡沫,但.COM的教训我们应深刻吸取,不能重蹈覆辙。

一般来讲,近年来芯片设计追求的创新与增值主要体现在两部分:一是系统级的创新设计,对CPU而言,表现为创新的微体系结构设计,对SoC而言表现在创新算法的逻辑实现,二是全定制的物理设计,包括高性能的宏单元库。宏单元库的缺乏将导致我国的芯片设计难以赶上世界先进水平。

15年的RISC体系结构是一次革命性的创新,大大提高了CPU的性能。但过去十几年芯片的主要应用是PC机。Internet和流媒体应用的蓬勃发展使得大量数据输入输出成为芯片的主要应用领域,SoC成为芯片的主流。现在一片复杂的SoC往往有上千万门,而一个标准的嵌入式RISC CPU不到100万门。也就是说,今天设计一片复杂的SoC90%的工作不是设计CPU而是面向特定应用的RTL级设计。采用标准CPU的灵活性和应用设计的高性能已成为当前SoC设计中必然面对的折中选择。美国有一批公司正在探索新的设计方法,既具有ISA设计的灵活性又有针对应用设计的高性能/低功耗。例如2002年获得Microprocessor Report Analysis Choice奖的Xtena SoC芯片(Tensilica公司产品)在EEMBC嵌入式芯片标准测试中表现出卓越性能。在嵌入式SoC中片内存储器(SRAM)的制造成本已超过CPU,因此减少应用程序的代码量已成为一个突出的问题。RISC技术以减少每条指令的平均执行周期为主要目的,而以增加程序的代码行数为代价。面对今天新的应用需求,在减少指令平均执行周期的基础上还要加上减少程序代码行数的新要求,对指令系统的设计提出了新的挑战。

芯片的复杂性日益提高,流媒体等应用对芯片的性能要求越来越高,而芯片的设计周期希望尽可能短,失去市场机会窗口再好的芯片设计也等于徒劳。这两方面要求形成尖锐矛盾。为了克服这一困难,近来可编程可重构的SoC成为国外关注的热点。FPGA已经向DPGA(动态可编程门阵列)技术发展。美国MIT几十名教授合作研究的RAW芯片是这方面的代表。实际上全世界最大的两家芯片设计企业是设计PLDXilinxAltera公司。我国芯片设计企业几乎清一色地从事低端嵌入式芯片,很少介入FPGA PLD设计。应当积极引导更多企业和科研单位从事可编程的SoC(即PSoC)或可重构的SoC研制。

芯片设计的另一个重要趋势是从追求性能(MIPS)向追求低功耗转变(即MIPS/W)。同样性能的处理器,嵌入式处理器的功耗比传统的处理器低几倍。低功耗芯片设计可从微体系结构、编译、物理设计等各个方面努力,这是一项具有挑战性的高技术。我国在低功耗设计方面与国外差距很大,应积极引导更多的单位加大低功耗设计的力度。

3、关于发展IC产业的政策导向

这两年我国IC产业发展迅猛,各级政府都十分重视,国家科技计划也列为重点。今后5-10年是我国发展IC产业难得的机遇。在这种时候,正确的政策与舆论导向十分重要。我认为有几个苗头和倾向虽然不是主流,但值得我们注意。

1)防止以“中国芯”为理由降低对国产芯片市场竞争力的要求。

2002年一年内出了好几款“中国芯”,这是件大快心的事。芯片研制者以改变中国缺芯局面为己任的爱国心值得赞扬,但市场并不袒护不具竞争力的“中国芯”。在中国芯上市以前,不少单位尤其是军口单位和安全性能要求较高的部门对国外芯片有后门曾表示十分担心,但中国芯出来以后并没有出现争先恐后抢购中国芯的局面。总装备部等军口的有关人员明确表示:对国外禁运的芯片,只要国内做出来满足军口要求一定会采购,但对国外不禁运的芯片,很难出红头文件要求优先采用同类型的国产芯片。也就是说,军口各重大项目的型号总师首先考虑的是芯片的成熟度而不会因为爱国就冒太大的风险。与其他新产品一样,国产芯片要得到认可必须首先保证可靠性和性能价格比不低于国外芯片,同时在市场推广上要做十分艰苦的努力。决不能因为芯片是核心技术就降低对自己的要求。CPU也是一种商品,不能等同于不必接受市场考验的“两弹一星”。同时也要注意另一种倾向,即认为产品无国界化的倾向,对长期没有中国人自己掌握知识产权的芯片熟视无睹,听之任之,甚至对我们自己的成果冷嘲热讽,根本不相信中国人能掌握CPU/SoC核心技术。这种看法在青年人当中有一定的普遍性,从经济上独立自主和国家信息安全的角度加强爱国主义教育是今后要重视的一件大事。

2)引进、培育高级人才,防止低水平残酷竞争。

发展IC产业首先要培养一批基本掌握设计、生产、测试等方面技术的人才,863计划在全国建立了七个IC设计基地与孵化器,集成电路专项,第一批支持了几十家设计公司,重视了技术普及和中低级人才的培养。今后还要进一步加强这方面工作,比如采取类似建立软件学院的办法在全国建立几所集成电路学院等。目前IC设计人才比软件人才更稀缺,应加强培养。但是,我国IC设计人才多数属于技术员和工程师档次,只能运用教科书或国外公司培训材料公开的知识,所设计的芯片增值较少,竞争力较弱。国家要关注的一项重要人才政策是引进和培养IC设计高级人才,一个IC企业没有能出专利的尖子人才其产品难以有很强的竞争力。这类人才主要是创新能力强的系统设计、线路设计和全定制物理设计人员。目前高技术开发区和集成电路设计中心都重视与SynopsisCadence等公司合作培养会使用EDA工具的技术人员,这只能作为起步措施,不能停留在这一步。否则正在兴起的IC设计产业可能像微机、手机等产业一样出现同质化,出现一大堆企业在低水平上残酷竞争。

3)关于国外禁运的芯片研制

除了面向市场研制各种芯片外,国家应对国外禁运而我们又急需的芯片做一次较全面的调查, 863等计划应重点布署这类芯片研制。前几年江总书记出面才谈成从美国进口片386档次的宇航级芯片,用于风云号卫星,每片引进价高达20多万美元。据了解,我国的导弹和卫星上需要的防辐射芯片多数依赖进口,目前军方最需要的是这类“杀手锏”芯片。国防科研部门已开始布署这方面研制。防辐射芯片一般采用SOI材料,芯片工艺流程不同于一般芯片。在芯片逻辑设计中也会采取与一般芯片不同的容错技术。研制这类芯片需要有关科研人员大协作,不仅仅是军口科技部门的事,民口863计划也应重视此项研究。

2003年)

 

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