模擬設(shè)計VS數(shù)字設(shè)計

提到IC設(shè)計，很多人可能會想到復(fù)雜的CPU設(shè)計，對計算機和智能手機感興趣的普通用戶都可能對Intel CPU和蘋果iPhone的A系列主處理器如數(shù)家珍。這些芯片是采用數(shù)字設(shè)計技術(shù)完成的，簡單地說就是“0”和“1”的設(shè)計。然而，任何電子設(shè)備中的電路都必須對隨時間而連續(xù)變化的外部激勵做出響應(yīng)。因此，即便先進的數(shù)字芯片也需要模擬電路設(shè)計，模擬設(shè)計構(gòu)成了所有IC設(shè)計的基礎(chǔ)。

現(xiàn)代IC技術(shù)提出了許多設(shè)計挑戰(zhàn)，比如先進工藝節(jié)點的制造過程存在明顯的可變性，復(fù)雜芯片上不同功能模塊的工作和互聯(lián)也會導(dǎo)致很多可變性。這種可變性可能表現(xiàn)為工作電壓、工作溫度和性能的變化。此外，小尺寸芯片的密集封裝還會相互影響，并與硅基板、封裝和電路板相互作用，從而導(dǎo)致信號失真。這些影響可能發(fā)生在芯片之間，也可能發(fā)生在單個芯片內(nèi)。但無論發(fā)生在哪里，都需要模擬設(shè)計給予補償和處理，以確保芯片和電路的三個基本特性：保真度/精度、一致性和性能。

保真度/精度。許多模擬設(shè)計構(gòu)成了檢測 IC外部條件的電路基礎(chǔ)，比如感應(yīng)環(huán)境溫度、氣壓、運動和光線是許多物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設(shè)備的基本組成單元。要準確地檢測這些連續(xù)的效應(yīng)需要精確的測量，這就要求執(zhí)行這些測量的模擬電路具有出色的保真度和精度。

一致性。數(shù)字電路設(shè)計采用離散的“1 ”和“0”分布，以簡化分析和設(shè)計?！?”通常代表主電源電壓，而“0”代表沒有任何電壓。為了使這種模型有效工作，電路元件的性能必須在前面提到的所有可變條件下保持一致，即確保電壓處于“1”或“0”的參考電平，這就需要模擬設(shè)計來滿足這些條件。

性能。性能表現(xiàn)為兩種基本形式：速度和功耗。所有 IC 都對速度有嚴格的要求，以滿足整個系統(tǒng)的吞吐量要求。同時，它還必須保持在特定的功耗范圍內(nèi)，因為整個系統(tǒng)都必須被組裝在合理尺寸的外殼內(nèi)，這必須保證有效的散熱。模擬設(shè)計可確保功耗和速度都保持在可接受的范圍內(nèi)。

模擬設(shè)計和數(shù)字設(shè)計之間的主要區(qū)別在于所使用的基本分析類型不同。在模擬設(shè)計中，電路激勵被視為隨時間不斷變化的信號。電路的行為可在時域和頻域中建模，重點關(guān)注的是合成波形的保真度/精度、一致性和性能，并且制造和設(shè)計引起的電路可變性也必須進行建模和補償。

數(shù)字 IC 設(shè)計大多是在抽象級別上完成的，系統(tǒng)和流程決定了門級/晶體管級布局和布線的細節(jié)，許多與數(shù)字 IC 設(shè)計相關(guān)的限制來自晶圓工藝和技術(shù)限制。而模擬 IC 設(shè)計通常涉及對每個電路更加個性化的關(guān)注，甚至每個電路的尺寸和晶體管細節(jié)。此外，許多晶圓工藝主要是為具有模擬功能的數(shù)字 IC 開發(fā)的，這就要求模擬 IC 設(shè)計人員要考慮數(shù)字 IC 的工藝限制和功能需求。

模擬設(shè)計通常從一組規(guī)范和功能需求開始，然后建立起來各種功能模型以進一步縮小約束范圍，并確定尺寸、類型和其他過程特征。這可能包括晶體管的選擇、高級布局規(guī)劃、電感器和電容器，以及所期望的IC和子電路品質(zhì)因數(shù)。執(zhí)行高級仿真并確定子模塊的約束一般采用架構(gòu)硬件描述語言 (AHDL)，例如 VHDL-AMS。在這個階段也可以開發(fā)一個測試平臺用于稍后的仿真。

確定了這些設(shè)計細節(jié)后，模擬設(shè)計團隊通常會根據(jù)模擬電路的復(fù)雜性，將子電路設(shè)計分配給某個設(shè)計師。同時進行理想化的宏觀測量，進一步確定子電路的約束和性能預(yù)期。此后，這些宏觀原理圖按照晶圓廠工藝被分割為電路元件級的原理圖。對這些電路進行仿真和優(yōu)化后，就開始物理布局過程。布局和布線要遵守設(shè)計規(guī)則檢查 (DRC)，布局也要與原理圖保持一致。

接著就要進行寄生提取和布局后仿真，這可能會揭示出設(shè)計中的缺陷，可能需要重新設(shè)計、布局和仿真的迭代過程，才能滿足最終設(shè)計目標并提交給晶圓廠進行流片。在整個芯片布局和仿真之前，每個子電路也可能經(jīng)歷自己的設(shè)計、布局和仿真過程。

模擬 IC 設(shè)計過程的抽象層次包括：功能性、行為、宏、電路、晶體管和物理布局。具體與模擬 IC 設(shè)計流程相關(guān)的步驟可細分如下：

• 設(shè)計規(guī)范：規(guī)格、約束、拓撲、測試臺開發(fā)；

• 原理圖流程：系統(tǒng)級原理圖輸入、架構(gòu) HDL 仿真、模塊HDL規(guī)范、電路級原理圖輸入、電路仿真和優(yōu)化；

• 物理流程：基于 PCell 的布局輸入、設(shè)計規(guī)則檢查 (DRC)、布局與原理圖比照 (LVS)、寄生提取、布局后仿真、流片。

模擬設(shè)計的發(fā)展現(xiàn)狀

伴隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起，很多IoT設(shè)備都需要傳感器感應(yīng)外部環(huán)境的信息，將這些物理信息以模擬信號來表征，并轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號，輸送給微處理器進行計算和處理，同時可能需要無線連接與網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸，或者通過輸出接口驅(qū)動各種設(shè)備。這種技術(shù)和應(yīng)用發(fā)展趨勢讓模擬設(shè)計更加普遍，不但對模數(shù)轉(zhuǎn)換器、信號放大器和信號調(diào)理等信號鏈器件提出更高要求，而且還涉及到射頻RF和電源管理功能模塊。

最新的數(shù)字芯片和混合信號芯片設(shè)計都在不斷提升CPU處理性能，這極大增加了電源管理設(shè)計的復(fù)雜性。芯片中的電源域數(shù)量不斷增加，業(yè)界專家認為接下來5年還會翻倍，因為芯片中的模擬和數(shù)字模塊越來越多，數(shù)字工藝和電源管理域仍然需要分開，這使得電源管理的設(shè)計更加具有挑戰(zhàn)性。

以MCU為例，越來越多的模擬功能被集成進MCU中。除基本的ADC、LDO和各種接口外，WiFi和藍牙等無線通信協(xié)議所需要的RF模塊也要與微處理器內(nèi)核集成。針對某些特定應(yīng)用的MCU設(shè)計甚至將傳感器或電源管理IC也集成進來。以汽車MCU和MPU為核心業(yè)務(wù)的瑞薩甚至在一個芯片上集成了高性能振蕩器。

先進晶圓工藝大都以數(shù)字芯片為主，比如臺積電和三星采用的FinFET工藝，這對模擬IP提出了新的要求。然而，很多新的設(shè)計，特別是IoT芯片，仍然停留在比較成熟的工藝節(jié)點，因為這些芯片對掩膜和晶圓代工成本很敏感。預(yù)計未來3-5年，28nm、22nm和18nm的SOI工藝將是模擬IC的主流工藝。

顯然，模擬設(shè)計領(lǐng)域的這些變化要求模擬設(shè)計工程師與數(shù)字設(shè)計工程師緊密合作，才能獲得芯片設(shè)計的最終成功。這成了芯片設(shè)計廠商兼并收購和新產(chǎn)品開發(fā)的主要驅(qū)動力，同時為芯片設(shè)計服務(wù)的EDA、IP和晶圓代工服務(wù)商也積極參與到模擬與數(shù)字設(shè)計交織融合的動態(tài)發(fā)展潮流中。

芯片巨頭的模擬設(shè)計并購狂熱

全球模擬芯片巨頭TI的發(fā)展史就是一個鮮活的模擬設(shè)計并購典范。自1996至2011年，TI發(fā)起了8起并購，一舉成為全球模擬芯片老大。雖然過去10年來，TI不再有大型并購舉措，但其模擬龍頭地位仍然無人撼動。以ADC起家的ADI通過收購Hittite、Linear Technology和Maxim Integrated，也擴張成為全球模擬芯片老二，接下來將會上演與TI爭搶龍頭老大的好戲。（若對TI和ADI的兼并收購感興趣，可以參閱：看美國芯片三巨頭發(fā)展史，談中國半導(dǎo)體自主創(chuàng)新路）

就連一向穩(wěn)健的日本半導(dǎo)體公司瑞薩也開始頻繁收購，先后買下Intersil、IDT和Dialog半導(dǎo)體。以MCU/MPU等數(shù)字芯片為主的瑞薩顯然是借收購來構(gòu)建包括模擬、RF和電源管理的新生態(tài)。

瑞薩的一系列并購是希望實現(xiàn)如下三個目標：

• 產(chǎn)品多樣化。瑞薩的核心產(chǎn)品線是汽車半導(dǎo)體和工業(yè)控制器件，而IDT和Intersil可以擴展物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)中心市場的電源、時序和互聯(lián)產(chǎn)品和技術(shù)。此外，IDT還為瑞薩帶來了很好的存儲器接口產(chǎn)品，以及很強的時序和同步技術(shù)。Dialog則為瑞薩增加了面向工業(yè)應(yīng)用的可配置混合信號IC（CMIC），以及針對IoT應(yīng)用的電源管理芯片和低功耗無線連接技術(shù)。

• 分散業(yè)務(wù)風(fēng)險。瑞薩一直偏重于汽車和工業(yè)市場，而在新興的物聯(lián)網(wǎng)市場則沒有什么建樹。通過這些并購，瑞薩現(xiàn)今的營收有60%來自非汽車業(yè)務(wù)，這有助于降低企業(yè)運營風(fēng)險，并把握新興市場的快速增長機會。

• 研發(fā)團隊的多元化。瑞薩原有的技術(shù)研發(fā)團隊主要集中在日本本土，正隨著日本社會的老齡化而逐漸失去活力和創(chuàng)新動力，Intersil和IDT讓瑞薩在美國的研發(fā)團隊和能力得到極大增強。收購Dialog又加強了在歐洲的研發(fā)能力。這樣，瑞薩正從一家典型的日本公司演變?yōu)橐患耶a(chǎn)品、業(yè)務(wù)和員工都多元化的全球性企業(yè)。

按照瑞薩執(zhí)行副總裁兼IoT和基礎(chǔ)設(shè)施業(yè)務(wù)總經(jīng)理Sailesh Chittipeddi的說法，瑞薩的核心是以MCU和MPU為主的邊緣計算，而加強模擬和混合信號能力是為了構(gòu)建護城河，穩(wěn)固和提升其核心業(yè)務(wù)的競爭力。

結(jié)語

模擬IC設(shè)計需要長期的模擬技術(shù)積累和設(shè)計工程師的豐富設(shè)計經(jīng)驗，專注于模擬芯片的企業(yè)要想通過自然增長來擴大市場份額和企業(yè)規(guī)模是比較困難的。美國、歐洲和日本的半導(dǎo)體企業(yè)通過戰(zhàn)略性收購來補齊模擬、RF和電源管理方面的弱項，以構(gòu)建完善和穩(wěn)健的產(chǎn)品組合，這是行業(yè)發(fā)展已經(jīng)證明行之有效的企業(yè)增長和擴張策略。盡管不同企業(yè)文化的融合比較困難，半導(dǎo)體企業(yè)并購會導(dǎo)致研發(fā)人才的流失，但也會催生有創(chuàng)新技術(shù)和冒險精神的初創(chuàng)企業(yè)，為整個半導(dǎo)體行業(yè)注入新的活力。

國際半導(dǎo)體廠商在模擬IC領(lǐng)域的并購舉措對中國模擬芯片廠商和整個行業(yè)的發(fā)展有什么借鑒意義呢？國產(chǎn)模擬芯片廠商本來就不多，市場空間足夠大，圣邦微、思瑞浦和艾為電子等市場表現(xiàn)不錯的企業(yè)紛紛上市，通過自身的技術(shù)、產(chǎn)品和業(yè)務(wù)運營來實現(xiàn)企業(yè)增長，這在中國目前的市場環(huán)境下是可行的。從另一方面看，本土芯片企業(yè)之間的收購兼并還不常見，仍然需要嘗試和探索。2019年圣邦微宣布收購鈺泰半導(dǎo)體，但到2020年10月就終止了收購。除了估值和收購可能引起的財務(wù)風(fēng)險外，雙方的產(chǎn)品和技術(shù)融合可能也沒有預(yù)期的容易。

中國模擬芯片產(chǎn)業(yè)要想做大做強，企業(yè)并購和整合是必然之路。也許半導(dǎo)體企業(yè)并購的金融資本和法律規(guī)范逐漸完善后，產(chǎn)品和技術(shù)的優(yōu)化組合才會在兼并收購中起到更大的作用。

參考來源

1. What’s driving the acquisitions in the analog design realm? by MAJEED AHMAD at Planet Analog

2. What Is Analog IC Design? by Jean-Jacques DeLisle at All About Circuits

責(zé)編：Steve