近來中國(guó)IC市場(chǎng)的最重磅新聞要屬大小“M”——臺(tái)灣聯(lián)發(fā)科(MTK)和晨星半導(dǎo)體（MStar）宣布合并。“M兄弟”的聯(lián)手對(duì)已跨入“1億美元俱樂部”的少數(shù)剛崛起的大陸本土IC設(shè)計(jì)公司帶來很大的競(jìng)爭(zhēng)壓力，而原本就缺資金、缺平臺(tái)、缺資源的本土小型和微型IC廠商的生存空間更加令人堪憂。

 

正如富士通半導(dǎo)體ASIC/COT業(yè)務(wù)市場(chǎng)部副經(jīng)理劉哲女士在不久前閉幕的“2012深圳(國(guó)際)集成電路創(chuàng)新與應(yīng)用展”（China IC Expo，簡(jiǎn)稱CICE）“IC制造和設(shè)計(jì)”論壇上指出的，“現(xiàn)在中國(guó)的IC設(shè)計(jì)公司大概有300多家，營(yíng)業(yè)額在10M美金以上的可能不到10%，在100M美金以上的可能不到10家，總體來講中國(guó)IC設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)還不是很健全，同質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)嚴(yán)重，缺乏創(chuàng)新。我研究了一下過去5年中統(tǒng)計(jì)的中國(guó)十大公司，發(fā)現(xiàn)5年都能上榜的大概只有5家，市場(chǎng)的優(yōu)勝劣汰十分激烈。”

 

那么本土IC設(shè)計(jì)業(yè)如何能夠更好地在市場(chǎng)立足，在如此激烈的競(jìng)爭(zhēng)中生存，并且不斷的壯大自己？劉哲及富士通半導(dǎo)體IP平臺(tái)解決方案事業(yè)部副總經(jīng)理安佛英明先生針對(duì)這個(gè)話題在論壇做了題為“富士通半導(dǎo)體SoC 設(shè)計(jì)和芯片代工解決方案”的演講，分析了目前中國(guó)本土IC設(shè)計(jì)業(yè)在SoC設(shè)計(jì)中所面臨的挑戰(zhàn)和應(yīng)對(duì)方法，并宣布了富士通半導(dǎo)體為中小型IC設(shè)計(jì)公司量身定制的55nm最新設(shè)計(jì)和制造服務(wù)解決方案從7月開始提供PDK和library給客戶進(jìn)行設(shè)計(jì)。

 

SoC設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)分析

 

“目前業(yè)界在SoC設(shè)計(jì)上遇到的挑戰(zhàn)最關(guān)鍵有兩點(diǎn)：一是Time-to-Market，二是cost。迎接這個(gè)挑戰(zhàn)就要從——工藝制程（Process）、IP、設(shè)計(jì)三個(gè)方面下工夫。選擇正確的工藝，有競(jìng)爭(zhēng)力的IP及先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法是SoC成功的關(guān)鍵。” 劉哲簡(jiǎn)潔明了地概括了SoC設(shè)計(jì)的成功之道。

 

 

圖1：SoC設(shè)計(jì)遇到的挑戰(zhàn)。
 

 

她特別強(qiáng)調(diào)了所謂正確的工藝制程并不是指最先進(jìn)的工藝制程，而是最有性價(jià)比的，符合中國(guó)本土IC公司承受能力的，既能夠保證產(chǎn)品上市時(shí)間又降低成本的合適工藝制程。那么到底什么才是中國(guó)本土IC設(shè)計(jì)真正需要的工藝制程呢？

 

55nm——中國(guó)IC設(shè)計(jì)真正之“渴”

 

如今的消費(fèi)類電子市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)進(jìn)入白熱化階段，客戶的需求、競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的挑戰(zhàn)都使得中國(guó)本土IC設(shè)計(jì)公司面臨巨大的生存壓力。另一方面，摩爾定律面臨極限挑戰(zhàn)，高端工藝因其高昂的前期投入成為中小設(shè)計(jì)公司可望而不可即的奢侈品。此外，低功耗的要求促使芯片設(shè)計(jì)者不得不追逐最新的40nm和28nm工藝，但這意味著巨大的風(fēng)險(xiǎn)和投入，無論是工藝還是IP的投入和成熟度都在一定程度上阻礙了許多想法最終轉(zhuǎn)變成硅片。

 

從2010年開始，中國(guó)開始出現(xiàn)越來越多的40nm設(shè)計(jì)，其中不乏幾千萬門級(jí)的智能終端IC。但40nm工藝超過百萬美元的一次NRE費(fèi)用著實(shí)讓中國(guó)本土IC公司“傷不起”，加上IP方面不菲的投資以及整合驗(yàn)證，使得項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)很大。

 

如何以更低的投入最大化地利用主流的且成熟的65nm工藝去設(shè)計(jì)產(chǎn)品是業(yè)界很多公司都在尋求的目標(biāo)。本次展會(huì)上，富士通半導(dǎo)體ASIC/COT業(yè)務(wù)部最新推出的兩套創(chuàng)新的55nm工藝制程CS250L和CS250S引起與會(huì)業(yè)內(nèi)人士的高度關(guān)注，他們可幫助中國(guó)便攜消費(fèi)類終端IC設(shè)計(jì)公司以65nm的成本水平實(shí)現(xiàn)功耗大幅降低、性能堪比40nm工藝的設(shè)計(jì)，對(duì)成本、上市時(shí)間和功耗極其敏感的消費(fèi)終端ASIC設(shè)計(jì)意義重大。

 

 

圖2：富士通半導(dǎo)體ASIC/COT業(yè)務(wù)部攜55nm創(chuàng)新工藝隆重登場(chǎng)2012 CICE。
 

 

CS250L和CS250S的推出可以說恰逢其時(shí)，使得中國(guó)消費(fèi)電子IC廠商又多了一種選擇，可不用急于往40nm節(jié)點(diǎn)冒進(jìn)，在實(shí)現(xiàn)接近功耗的同時(shí)不僅能保護(hù)現(xiàn)有在65nm上的IP投資，而且NRE的費(fèi)用仍像65nm一樣處于能承受的水平，因此非常適合中國(guó)的國(guó)情。

使65nm IP可直接用于55nm工藝

 

“模擬IP是通往真實(shí)世界的接口，但是大家都知道模擬IP的使用和工藝制程是非常相關(guān)的，比如一個(gè)IP在65nm的工藝制程下能用，可是到了55nm的時(shí)候就要換基于55nm工藝的IP了。富士通半導(dǎo)體解決了這個(gè)問題，憑借我們?cè)谀MIP方面多年的技術(shù)積累，我們的65nm工藝IP可以直接用于55nm工藝中，這就極大地保護(hù)了客戶投資。” 劉哲表示。“另外，從晶圓代工、IP授權(quán)、設(shè)計(jì)服務(wù)以及封裝測(cè)試，富士通半導(dǎo)體強(qiáng)調(diào)的是一站式增值設(shè)計(jì)服務(wù)，可將客戶的成本、風(fēng)險(xiǎn)、上市時(shí)間降至最低。”她補(bǔ)充道。

 

富士通半導(dǎo)體的上述兩套全新55nm工藝是基于65nm技術(shù)而開發(fā)，可使客戶保護(hù)以往的投資。其中CS250L是基于對(duì)現(xiàn)有65nm后端工藝而優(yōu)化的全新標(biāo)準(zhǔn)單元、SRAM，可使整體功耗降低20%，芯片面積則節(jié)省15%左右。最大的特點(diǎn)是全套65nm IP不需要重新做移植，GDSII網(wǎng)表可以直接使用。圖3展示了CS250L的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。

 

 

圖3：CS250L的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。
 

 

以55nm工藝提供接近40nm的功耗

 

以55nm工藝提供接近40nm的功耗，同時(shí)還不會(huì)降低性能，理論上講這似乎不太可能。不過富士通半導(dǎo)體和美國(guó)SuVolta公司合作開發(fā)的新制程CS250S使得“Half the POWER，All the Performance”變成現(xiàn)實(shí)。

 

過去，雖然芯片的工藝制程技術(shù)一直在飛速進(jìn)步，不過自從進(jìn)入0.18微米（180nm）時(shí)代，CPU核心電壓降至1.xV級(jí)別后，即使是目前實(shí)際生產(chǎn)用最新的28nm制程也只能使核心電壓維持在1V左右。“高”電壓帶來的功耗問題也使移動(dòng)計(jì)算方面處處受限，目前智能手機(jī)、平板電腦等最大的問題之一就是功耗和續(xù)航。而芯片電壓之所以無法突破1V的重要原因之一就是低壓無法驅(qū)動(dòng)內(nèi)部的SRAM模塊。

 

使電壓閾值下降至0.4V左右。DDCTM晶體管制造的嵌入式576Kb SRAM模塊最低可在0.425V電壓下工作，相比目前常用SRAM最低0.7V左右的工作電壓減少了40%左右。相對(duì)于效果類似的ETSOI和Tri-Gate制程，富士通半導(dǎo)體的這種技術(shù)更加簡(jiǎn)便易行。富士通半導(dǎo)體應(yīng)客戶要求將低功耗特性全面導(dǎo)入對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品中，對(duì)于逐漸SoC化的移動(dòng)處理器來說這絕對(duì)是個(gè)好消息。

 

圖6顯示了576k SRAM宏模塊在不同電壓下的良率。良率由所有比特都通過的宏模塊數(shù)目計(jì)算而得。

 

 

圖4：576k SRAM宏模塊在不同電壓下的良率。
 

 

 

CS250S是一項(xiàng)革命性的創(chuàng)新技術(shù)，通過全新設(shè)計(jì)的DDCTM（Deeply Depleted Channel?） 晶體管技術(shù)，可以將現(xiàn)有65nm的功耗降低到原來的一半，而性能不受到任何影響，同時(shí)可很好地改善工藝生產(chǎn)造成的功耗波動(dòng)。

 

如下圖5所示，在fast corner的最壞情況下，采用CS250S（55nm）的工藝制程其靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗均比采用65nm工藝制程降低50%，而且fast corner和slow corner更加集中，對(duì)于封裝熱阻的考慮變得更加收斂。

 

 

圖5：富士通半導(dǎo)體最新55nm工藝CS250S功耗比65nm降低一半。
 

完整、經(jīng)過驗(yàn)證的一站式IP平臺(tái)

 

前文曾指出，SoC的成功除了選擇合適的工藝制程外，有競(jìng)爭(zhēng)力的IP也是關(guān)鍵。客戶的SoC中要用到各種不同的IP，尤其當(dāng)遇到與工藝制程相綁定的模擬IP的時(shí)候，選擇就不是那么的靈活，而富士通半導(dǎo)體完整的，經(jīng)過驗(yàn)證的低功耗模擬IP，可以為SoC設(shè)計(jì)帶來福音。

 

早在上世紀(jì)90年代，富士通半導(dǎo)體就在中國(guó)大陸開始推廣ASIC方案和設(shè)計(jì)服務(wù)，最初客戶以通訊和網(wǎng)絡(luò)IC公司為主。2006年，該公司又在中國(guó)開始推廣其日本代工廠的COT服務(wù)，以便為中國(guó)客戶提供90nm和65nm工藝的ASIC設(shè)計(jì)、IP、晶圓代工等多元化的服務(wù)，很多應(yīng)用如衛(wèi)星電視、CMMB等消費(fèi)類應(yīng)用芯片都是在富士通日本晶圓廠投片生產(chǎn)的（40nm以下設(shè)計(jì)是轉(zhuǎn)由臺(tái)積電代工）。從2008年開始起， 他們中國(guó)客戶中消費(fèi)類電子IC廠商的比重逐年升高。

 

安佛英明在演講中指出：“上市時(shí)間是消費(fèi)類終端芯片產(chǎn)品取得成功的最重要因素，而迅速地整合IP資源是達(dá)到這一訴求的關(guān)鍵。富士通半導(dǎo)體提供非常完整的針對(duì)這類應(yīng)用芯片的解決方案，提供諸如USB、HDMI、PCIE、SATA、MIPI、ARM CPU、AD/DA、電源管理等諸多經(jīng)過嚴(yán)格評(píng)估和量產(chǎn)驗(yàn)證的IP。而這些IP大部分都是富士通內(nèi)部開發(fā)的，如此省去了客戶為尋找各個(gè)IP而去和不同IP供應(yīng)商談判的時(shí)間。從芯片的風(fēng)險(xiǎn)角度來講，一旦芯片出現(xiàn)IP的質(zhì)量問題，客戶也無需為此而在各個(gè)IP供應(yīng)商之間周旋。從成本角度，富士通半導(dǎo)體所提供的打包IP方案也會(huì)幫助節(jié)省客戶初期的IP 投入。”

 

 

圖6：富士通半導(dǎo)體可提供完整、經(jīng)過制造驗(yàn)證的高品質(zhì)IP
 

靈活的商業(yè)模式

 

此次CICE參展的不少IC設(shè)計(jì)服務(wù)公司都強(qiáng)調(diào)從spec-in階段就或深或淺地參與到客戶（即包括IC設(shè)計(jì)公司也有想自己開IC的系統(tǒng)公司）項(xiàng)目中，除了IP、后端設(shè)計(jì)，與Foundry和封裝廠打交道的事兒，也可以大部分委托給這些專業(yè)IC設(shè)計(jì)服務(wù)公司，因而產(chǎn)品創(chuàng)新周期大大縮短，降低成本。靈活的商業(yè)模式在如今的市場(chǎng)環(huán)境下顯得至關(guān)重要。

 

 

圖7：傳統(tǒng)的商業(yè)模式IP
 

 

圖7展示了傳統(tǒng)的COT和ASIC設(shè)計(jì)模式。傳統(tǒng)的COT模式使得客戶很難將所有的服務(wù)如Design、IP/ Library、Mask、Wafer Manufacture、Shuttle、Assembly、Test、Failure Analysis、E-Fab整合在一起。而傳統(tǒng)的ASIC模式則表現(xiàn)出高成本，低靈活性。

 

 

圖8：富士通半導(dǎo)體提供靈活的Foundry Biz模式。
 

 

顯然，傳統(tǒng)的商業(yè)模式已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)今市場(chǎng)對(duì)于IC設(shè)計(jì)服務(wù)的要求了。富士通半導(dǎo)體提供非常靈活的商業(yè)模式，從ASIC到COT之間有Pure ASIC、 TGD ASIC、 Foundry+（DS,FTK）、Foundry+（IP Support）、Pure Foundry這五種服務(wù)模式可供客戶選擇。

 

劉哲強(qiáng)調(diào)說：“富士通半導(dǎo)體將拋開傳統(tǒng)IDM公司的業(yè)務(wù)模式，愿為中國(guó)本土IC設(shè)計(jì)公司的成長(zhǎng)提供工藝、IP、設(shè)計(jì)等支持，并搭載靈活的商業(yè)模式，致力于成為本土半導(dǎo)體公司的強(qiáng)有力合作伙伴。”