始于積微成著,志在鑄芯筑魂
1 先驅(qū)者的“芯”路歷程
國微集團起源于1993 年,可謂是中國半導(dǎo)體的元老級企業(yè),也是最早在深圳開半導(dǎo)體設(shè)計之先河的先行者,對行業(yè)發(fā)展具有深遠意義。創(chuàng)建之初正值國家發(fā)起芯片產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模沖擊,便承接“908 工程”項目,幾年后又承接“909 工程”,均做出突出貢獻。經(jīng)過二十多年來的穩(wěn)步發(fā)展,國微集團成為半導(dǎo)體領(lǐng)域根深蒂固、枝葉豐茂,且名副其實的常青樹,其母公司國微控股有限公司(簡稱“國微控股”)于2016 年在香港上市,孵化出多家優(yōu)質(zhì)微電子企業(yè),其中不乏知名 A 股上市公司。在新形勢下集成電路國產(chǎn)化的浪潮中,國微集團將扮演什么角色?會發(fā)揮什么作用?帶著這樣的問題,我在深圳的國實大廈拜訪了黃國勇副總裁,通過交流溝通,對于國微集團發(fā)展規(guī)劃有了較為全面的了解。
黃國勇談到國微國產(chǎn)芯片發(fā)展一個重要里程,就是在2006 年成功推出第一代視密卡(CAM)芯片,次年成為DVB 國際組織成員,在2009 年又推出全球首款“CI+CAM”芯片,奠定在歐洲細分市場第一的地位。
視密卡是一種數(shù)字視頻條件接收(CA)模塊,連接電視機與外部信號源,可將數(shù)字壓縮信號轉(zhuǎn)成電視內(nèi)容并顯示,如圖1 所示。將視密卡插入帶有CI 接口的數(shù)字電視一體機,用戶可直接觀看所訂付費數(shù)字電視內(nèi)容而無需機頂盒,這就要求視密卡芯片具有很高的集成度和可靠性。國微的芯片不僅做到這些,還有成本的優(yōu)勢,和對客戶支持很好的響應(yīng),所以占據(jù)全球視密卡市場份額半數(shù)以上(據(jù)Frost&Sullivan 統(tǒng)計)。
圖1 視密卡在高清數(shù)字電視業(yè)務(wù)中的應(yīng)用
國微集成電路的開發(fā)覆蓋頗廣,囊括安全芯片、物聯(lián)芯片、觸控芯片等系列,還在加大圖像AI 芯片、語音和聲紋芯片、傳感芯片的研發(fā)力度,這不僅發(fā)揮出其深厚的芯片開發(fā)積淀和能量,而且對于集成電路電子設(shè)計自動化(EDA)芯片設(shè)計工具有著超乎尋常的掌握,由此具備全面掌控的實力。
2 耕耘者的“芯”器歷練
“工欲善其事,必先利其器”是一種共識。集成電路本土產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵無外乎一硬和一軟的兩大利器,前者就是已被廣泛關(guān)注的光刻機設(shè)備,后者則是EDA設(shè)計工具軟件系統(tǒng)。黃國勇指出,當(dāng)前國際三大巨頭Synopsys、Cadence 和Mentor Graphics 公司壟斷EDA市場,可為芯片企業(yè)提供全套開發(fā)工具軟件系統(tǒng)。雖然二十世紀八十年代末國家投入完成“熊貓集成電路CAD 系統(tǒng)”,卻沒能產(chǎn)業(yè)化而停滯。之后陸續(xù)有EDA公司出現(xiàn),但其工具軟件基本停留在分散的點工具,全套工具鏈很不完全。作為完整產(chǎn)業(yè)鏈條的半導(dǎo)體需要長期的迭代過程來完善,而國內(nèi)EDA 廠商參與晶圓廠合作研發(fā)的機會不多,使得推出的EDA 產(chǎn)品用戶寥寥,就會因反饋不全面而難以改進,形成死循環(huán)。這就使得國產(chǎn)芯片沒有國產(chǎn)EDA 軟件系統(tǒng)支持,無形中存在“卡脖子”的危機。
如何使國內(nèi)EDA 軟件系統(tǒng)與集成電路產(chǎn)業(yè)鏈密切結(jié)合而成為良性循環(huán)?就成為中國EDA 企業(yè)所要面臨的挑戰(zhàn)。國微集團憑借2018 年承擔(dān)“芯片設(shè)計全流程EDA 系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用”國家重大科技專項契機,勇于擔(dān)當(dāng)、銳意進取,下定決心在 EDA 技術(shù)領(lǐng)域一展身手。
縱觀數(shù)字芯片設(shè)計全流程,如圖2 所示的EDA 平臺,首先要進行建模驗證、邏輯綜合,再要進行軟件和硬件仿真,然后布局布線,后面就是時序分析等等一系列的驗證。
圖2 數(shù)字全流程EDA平臺
芯片設(shè)計的流程極為復(fù)雜,所涉及到的EDA 工具非常多,其中每種在設(shè)計流程中都舉足輕重,只有在特定時間內(nèi)保證所有設(shè)計實現(xiàn)和驗證仿真的結(jié)果都滿足設(shè)計需求,才能確保芯片順利完成并投產(chǎn)。EDA 工具一般分為設(shè)計實現(xiàn)工具和驗證仿真工具兩類, 對應(yīng)芯片開發(fā)的設(shè)計實現(xiàn)和驗證測試兩個并行流程,如圖3 所示框圖,關(guān)聯(lián)且交互。設(shè)計實現(xiàn)從起始,RTL 文件經(jīng)邏輯綜合產(chǎn)生Netlist 表,然后先進行布圖,再進行布局布線,輸出GDS 文件結(jié)束設(shè)計。同步進行的驗證測試分功能驗證和邏輯驗證,包括門級仿真、硬件加速器仿真、時序分析、功耗分析、形式驗證、物理驗證等等。所進行的測試流程包括可靠性設(shè)計和芯片測試,而上述過程都離不開時序庫、功耗庫、噪聲庫和物理庫的支持。
圖3 EDA系統(tǒng)設(shè)計流程框圖
鑒于與國際水平技術(shù)差距近二十年,唯有選擇特殊途徑才能減小時間差,為此國微建立國產(chǎn)EDA 平臺時,選擇引進設(shè)計思想先進、整體軟件架構(gòu)較好的布局布線關(guān)鍵技術(shù),再將其中通用服務(wù)引擎如時序、功耗等工具分離出來形成獨立工具。這就打造出數(shù)字芯片設(shè)計全流程 EDA 系統(tǒng)平臺的關(guān)鍵一環(huán),基于模塊級布局布線系統(tǒng),輔以布局、時鐘樹綜合、布線、時序優(yōu)化、功耗優(yōu)化等內(nèi)建工具,可以實現(xiàn)IC 設(shè)計的快速收斂。這些系統(tǒng)工具已得到國際先進工藝廠商40 nm、28 nm、16 nm、10 nm 的工藝認證,并得到更多工藝廠商不同程度的支持。
3 有志者的“芯”育情懷
黃國勇強調(diào),EDA 作為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中不可或缺的關(guān)鍵環(huán)節(jié),其國產(chǎn)化志在必得,這將直接促進芯片的國產(chǎn)化的綜合能力。所以國微集團以之作為最重要的戰(zhàn)略發(fā)展方向,其重大舉措就是吸納眾多EDA 行業(yè)的頂尖人才。他在清華計算機系連獲學(xué)士、碩士、博士學(xué)位,投身EDA 領(lǐng)域很早,曾有“熊貓系統(tǒng)研發(fā)”及海外工作經(jīng)歷,擔(dān)任過多項國家EDA 攻關(guān)課題重任,并于2017年加入國微。他坦言,國內(nèi)EDA 領(lǐng)域人才匱乏使得研究和開發(fā)力量遠遠不足,國微為此將EDA 人才培養(yǎng)放在重要的地位,促進微電子領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研的深層次結(jié)合。
國微集團和國內(nèi)大學(xué)的合作已開始布局,與西安電子科技大學(xué)于2019 年初成立西電國微EDA 研究院,與東南大學(xué)2020 年中成立EDA 聯(lián)合實驗室,與國內(nèi)多所高校建立研究生培養(yǎng)和實習(xí)基地。加強校企合作首先以EDA 企業(yè)具體需求為出發(fā)點,然后發(fā)揮各自特長。
專注于基礎(chǔ)算法研究,而EDA 企業(yè)以工程項目攻關(guān)方式完成產(chǎn)業(yè)要求,教師和學(xué)生在實戰(zhàn)中不斷積累經(jīng)驗,這樣的良性互動才能更好地使EDA 企業(yè)和高校受益,從而培植以國產(chǎn)化EDA 開發(fā)國產(chǎn)化芯片的新興力量。
最近的經(jīng)濟熱詞是“內(nèi)循環(huán)”,半導(dǎo)體行業(yè)同樣需要內(nèi)循環(huán),通過政府、企業(yè)、學(xué)校、科研機構(gòu)等把循環(huán)打通,保持解決問題的態(tài)度,整個產(chǎn)業(yè)鏈一起努力,相互促進,協(xié)同發(fā)展,形成完整的生態(tài)系統(tǒng),才能不再受制約。黃國勇認為,只有潛下心來,把目光放長遠,把內(nèi)循環(huán)做好,為中國集成電路產(chǎn)業(yè)貢獻成熟的數(shù)字芯片設(shè)計全流程EDA 系統(tǒng)的目標(biāo)就完全可以達到。
(本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志社2021年2月期)
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