嵌入式系统应用设计应关注MPW

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嵌入式系统应用设计应关注MPW

SoC是各种类型嵌入式应用系统的方向。长期以来，资金、批量因素一直制约着中小企业、研究机构、高等院校等部门直接采用微电子设计技术，运用ASIC模式进行嵌入式应用系统的开发；然而，嵌入式应用系统设计与微电子设计相融合已是一个技术发展趋势。为了解决这一瓶颈，国外从上世纪80年代初即开始实施了MPW服务计划与体系。MPW服务计划的实施大大加速了IC产业和嵌入式系统应用的发展。许多专家认为，我国IC产业、IC设计、ASIC应用长期落后，与我国长期以来忽视MPW服务计划与体系有关。可喜的是，近年来政府部门及相关单位己重视此问题，MPW服务体系建设研究已正式列入国家863计划，初步建立了几家MPW服务中心。MPW服务体系对我国IC产业的发展势头已开始显现。
1 MPW服务概述
1.1 什么是MPW服务
　　在集成电路开发阶段，为了检验开发是否成功，必须进行工程流片。通常流片时至少需要6~12片晶圆片，制造出的芯片达上千片，远远超出设计检验要求；一旦设计存在问题，就会造成芯片大量报废，而且一次流片费用也不是中小企业和研究单位所能承受的。多项目晶圆MPW（Multi-Project Wafer）就是将多个相同工艺的集成电路设计在同一个晶圆片上流片，流片后每个设计项目可获得数十个芯片样品，既能满足实验需要，所需实验费用也由参与MPW流片的所有项目分摊，大大降低了中小企业介入集成电路设计的门槛。
1.2 MPW的需求与背景
　　上世纪80年代后，集成电路加工技术飞速发展，集成电路设计成了IC产业的瓶颈，迫切要求集成电路设计跟上加工技术；随着集成电路应用的普及，集成知识越来越复杂，并向系统靠近，迫切要求系统设计人员参与集成电路设计；为了全面提升电子产品的品质与缩短开发周期，许多整机公司和研究机构纷纷从事集成电路设计。因此，大面积、多角度培养集成电路设计人才迫在眉睫，而集成电路设计的巨额费用成为重要制约因素。
实施MPW技术服务必须有强有力的服务机构、设计部门和IC生产线。
1.3 MPW服务机构的任务
　　① 建立IC设计与电路系统设计之间的简便接口，以便于系统设计人员能够直接使用各种先进的集成电路加工技术实现其设计构想，并以最快的速度转化成实际样品。
　　② 组织多项目流片，大幅度减少IC设计、加工费用。
　　③ 不断扩大服务范围：从提供设计环境、承担部分设计，到承担全部设计、样片生产，以帮助集成电路用户或开发方完成设计项目。
　　④ 帮助中小企业实现小批量集成电路的委托设计、生产任务。
　　⑤ 支持与促进学校集成电路的设计与人才培养。
1.4 MPW技术简介
　　（1）项目启动阶段
　　MPW组织者首先根据市场需要，确定每次流片的技术参数、IC工艺参数、电路类型、芯片尺寸等。设计时的工艺文件：工艺文件由MPW组织者向Foundry（代工厂）索取，然后再由设计单位向MPW组织者索取。提交工艺文件时，双方都要签署保密协议。
　　（2）IP核的使用
　　参加MPW的项目可使用组织者或Foundry提供的IP核，其中软核在设计时提供，硬核在数据汇总到MPW组织者或Foundry处理后再进行嵌入。
　　（3）设计验证
　　所有参加MPW的项目汇总到组织者后，由组织者负责对设计的再次验证。验证成功后，由MPW组织者将所有项目版图综合成最终版图交掩膜版制版厂，开始流片过程。
　　（4）流片收费
　　每个项目芯片价格按所占Block的大小而非芯片实际大小计算。流片完成后，MPW组织者向每个项目提供10~20片裸片。需封装、测试则另收费。
2 国外MPW公共技术平台与公共技术服务状况
（1）MPW服务机构创意
　　1980年，美国防部军用先进研究项目管理局(DARPA)建立了非赢利的MPW加工服务机构，即MOS电路设计的实现服务机构MOSIS（MOS Implementation System）服务机构，为其下属研究部门所设计的各种集成电路寻找一种费用低廉的样品制作途径。MPW服务机构与方式的思路应运而生。加工服务内容：从初期的晶圆加工到后续增加的封装、测试、芯片设计。
（2）MOSIS机构的发展
　　考虑到MPW服务的技术性，1981年MOSIS委托南加州大学管理。在IC产业剧烈的国际竞争环境下，培养集成电路设计人才迫在眉睫。1985年，美国国家科学基金会NSF支持MOSIS，并和DARPA达成协议，将MPW服务对象扩大到各大学的VLSI设计的教学活动;1986年以后在产业界的支持下，将MPW服务扩大到产业部门尤其是中小型IC设计企业；1995年以后，MOSIS开始为国外的大学、研究机构以及商业部门服务。服务收费：国内大学教学服务免费，公司服务收费，国外大学优惠条件收费，国外公司收费较国内公司要高。
（3）其它国家的MPW服务机构
　　法国：1981年建立了CMP(Circuit Multi Projects)服务机构，发展迅速，规模与MOSIS接近，对国外服务也十分热心。1981年至今，已为60个国家的400个研究机构和130家大学提供了服务，超过2500个课题参加了流片。1990年以前，CMP的服务对象主要是大学与研究所，1990年开始为中小企业提供小批量生产的MPW服务。由于小批量客户的不断增加，2001年的利润比2000年增加了30%。
欧盟：欧盟于1995年建立了有许多设计公司加盟的EUROPRACTICE的MPW服务机构，旨在向欧洲各公司提供先进的ASIC、多芯片模块（MCM）和SoC解决方案，以提高它们在全球市场的竞争地位。EUROPRACTICE采取了"一步到位解决方案"的服务方式，用户只要与任何一家加盟EUROPRACTICE的设计公司联系，就可以由该公司负责与CAD厂商、单元库公司、代工厂、封装公司和测试公司联系处理全部服务事项。
　　加拿大：1984年成立了政府与工业界支持的非赢利性MPW服务机构CMC(Canadian Microelectronics Corporation)联盟，是加拿大微电子战略联盟(Strategic Microelectronics Consortium)的一部分。目前，CMC的成员包括44所大学和25家企业。CMC的服务包括：提供设计方法和其它产品服务，提高成员的设计水平；提供先进的制造工艺，确保客户的设计质量；提供技术及工艺的培训。
　　日本：1996年依托东京大学建立了VLSI设计与教育中心VDEC(VLSI Design and Education Center)，开展MPC（Multi-Project Chip）服务。VDEC的目标是不断提高日本高校VLSI设计课程教育水平和集成电路制造的支持力度。2001年，共有43所大学的99位教授或研究小组通过VDEC的服务，完成了335个芯片的设计与制造。VDEC与主要EDA供应商都签有协议，每个EDA工具都拥有500~1000个license；需要时，这些license都可向最终用户开放。VDEC还对外提供第三方IP的使用，同时，VDEC本身也在从事IP研究。
　　韩国：1995年，在韩国先进科学技术研究院(Korea Advanced Institute of Science and Technology)内建立了集成电路设计教育中心IDEC(IC Design Education Center)。
可以看出，世界各先进国家都认识到IC产业在未来世界经济发展中的重要地位，在IC加工技术发展到一定阶段后，抓住了IC产业飞速发展的关键；在IC应用层面上普及IC设计技术和大力降低IC设计、制造费用，并及时建立有效的MPW服务机构，使IC产业进入了飞速发展期。纵观各国MPW服务机构不尽相同，但都具有以下特点：
　　① 政府与产业界支持的非赢利机构；
　　② 开放性机构，主要为高等学校、研究机构、中小企业服务；
　　③ 提供先进的IC设计与制造技术，保证设计出的芯片具有先进性与商业价值；
　　④ 提供IC设计与制造技术的全程服务。
3 我国MPW现状
　　我国大陆地区从上世纪80年代后半期开始进入MPW加工服务，从早期利用国外的MPW加工服务机构到民间微电子设计、加工的相关企业、学校联合的MPW服务，到近期政府、企业介入后的MPW公共服务体系的建设，开始显露了较好的发展势头。
3.1 与国外MPW加工服务机构合作
　　1986年，北京华大与武汉邮科院合作利用德国的服务机构，免费进行了光纤二、三次群芯片组的样品制作，使武汉邮科院的通信产品得以更新换代。此后，上海交大、复旦、南京东南大学、北京大学、清华大学、哈尔滨工业大学都从国外的MPW加工服务中获益匪浅。东南大学利用美国MOSIS机构的MPW加工服务，采用0.25和0.35 ìm的模数混合电路工艺进行了射频和高速电路的实验流片。
在与国外MPW服务机构的合作方面，东南大学射频与光电子集成电路研究所取得显著成果。建所初期就与美国MOSIS、法国CMP建立合作关系。1998年以境外教育机构身份正式加入MOSIS，同年，利用MOSIS提供的台湾半导体公司的CMOS工艺设计规则、模型及设计资料开发了基于Cadence软件设计环境的高速、射频集成电路，完成了5批0.35ìm、3批0.25ìm CMOS工艺共40多个电路的设计与制造，取得了许多国内领先、世界先进水平成果。2000年东南大学射光所还与法国的CMP组织正式签订了合作协议。
　　为了推动大陆的MPW服务，射光所从2000年开始利用美国MOSIS机构为国内客户服务，建立了MPW服务网页，向公众及时发布流片时间及加入MPW的流程和手续。2001年，射光所通过MOSIS利用TSMC的0.35和0.25ìm CMOS工艺为清华大学、信息产业部第13所、南通工学院完成了3批10多个芯片的设计制造。目前，10多个高校、研究机构、企业成为射光所MPW成员。
3.2 高校、企业、研究机构合作实现MPW服务
　　90年代，上海复旦大学开始着手建立国内MPW加工服务机构；1995年，无锡上华微电子公司开始承担MPW加工服务，并于1996年组织了第一次MPW流片；1997年至1999年在上海市政府的支持下，连续组织了6次MPW流片，参加项目有82个；2000年受国家火炬计划、上海集成电路设计产业化基地、上海市科委及上海集成电路设计研究中心委托又组织了3次35个项目的MPW流片。清华大学与无锡上华合作，针对上华工艺，开发了0.6ìm单元库，开始了MPW加工服务，并将校内的工艺线用于MPW加工服务。近年来，在863 VLSI重大项目规划指引下，在上海、北京、深圳、杭州等地陆续成立了集成电路产业化基地，进一步推动了MPW加工服务的开展。清华大学从2000年开始，利用上华0.6ìm CMOS工艺为本校以及浙江大学、合肥工业大学组织了4次MPW流片，总共实现了106项设计；上海集成电路设计研究中心与复旦大学，于2001年利用上华1.0和0.6ìm CMOS工艺和TSMC的0.3ìm CMOS工艺，为产业界、教育界进行了8次MPW流片，实现了109个设计项目。
　　随着中国半导体工业飞速发展，将会在更多的先进工艺生产线为MPW提供加工服务，许多境外的半导体公司也在积极支持我国的MPW加工服务。随着上海、北京多条具有国际先进水平的深亚微米CMOS工艺线的建成，国家级的MPW计划会得到飞速发展。
3.3 台湾地区的MPW加工服务
　　1992年在台湾科学委员会的支持下，成立了集成电路设计和系统设计研究中心CIC。其目的是对大专院校的集成电路/系统设计提供MPW服务，对集成电路/系统设计人员进行培训，并推动产业界与学院的合作研究项目。到目前为止，CIC已为超过100家的台湾院校提供了MPW服务，总计有3909个IC项目流片成功，其中，76家大专院校有3423项，40多家研究所和产业界有486项。在EDA工具方面，有多家的IC/SYSTEM设计工具已运用在MPW的设计流程中。到目前为止，已有91家大专院校安装了14 100多个EDA工具的许可证，另外，0.6ìm 1P3M CMOS、0.35ìm1P4M CMOS、0.25 ìm1P5M CMOS和0.18ìm1P6M CMOS的标准单元库已开始使用。除了常规MPW服务，CIC还向大专院校提供培训：2001年有7000人次，每年还有2次为产业界提供的高级培训。
　　台湾积体电路制造股份公司（台积公司：TSMC）从1998年提供MPW服务，成为全球IC设计的重要伙伴。2000年以来台积公司提供了100多次MPW服务，并完成了1000个以上IC芯片项目的研制。目前，台积公司已分别与上海集成电路设计研究中心、北京大学微处理器研究开发中心合作，提供MPW服务。
4 我国大陆地区MPW服务基地的建设
　　由于大陆地区原有微电子研究机构的历史配置，在进入基于MPW服务方式后，这些研究机构先后都介入了IC设计的MPW服务领域，并开始建立相应的MPW服务基地。
4.1 上海复旦大学与集成电路设计研究中心（ICC）
　　上海复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室在上海市政府支持下，于1997年成立了"上海集成电路设计教育服务中心"。主要任务是IC设计人才培养和组织MPW服务。1997~1999年组织了6次MPW流片。2000~2001年上海市科委设立"上海多项目晶圆支援计划"，把开展MPW列为国家集成电路设计上海产业化基地的重点工作。在市科委组织下，复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室与ICC实现强强联合，面向全国，于2000年组织了3次、2001年组织了5次MPW流片。ICC于2001年底正式与TSMC达成合作协议，开展0.35ìm MPW流片服务。2002年与中芯国际集成电路制造（上海）有限公司（SMIC）合作推出本土0.35ìm及以下工艺的MPW流片服务。从ICC设立的网站(www.icc.sh.cn) 可了解MPW最新动态和几乎所有的MPW服务信息。
4.2 南京东南大学射频与光电子集成电路研究所
　　1998年，南京东南大学射光所以境外教育机构的身份正式加入美国MOSIS，并签订有关协议，由此可获得多种工艺流片服务。2000年5月与法国的CMP签订了合作协议。1999年底受教育部委托，举办了"无生产线集成电路设计技术"高级研讨班。从2000年开始建立了MPW服务网页，通过网页向公众公布流片时间及加入MPW的流程和手续，目前，高速数字射频和光电芯片测试系统已开始运行，准备为全国超高速数字、射频和光电芯片研究提供技术支持，有许多高校、研究单位、公司已成为射光所MPW成员。
4.3 国家集成电路设计产业化（北京）基地MPW加工服务中心
　　在北京市政府的支持与直接参与下建立了"北京集成电路设计园有限责任公司"。正在建设中的国家集成电路设计产业化（北京）基地MPW加工服务中心由北京华兴微电子有限公司为承担单位，联合清华大学、北京大学共同建设。
4.4 北方微电子产业基地TSMC MPW技术服务中心
　　北京大学微处理器研究开发中心（MPRC）与台湾积体电路制造股份有限公司（TSMC）合作开展面向大陆地区的MPW服务，2001年受北方微电子产业基地领导小组办公室委托，正式成为面向TSMC的目标工艺为0.25ìm以下的MPW服务中心。目前，MPRC与大陆清华大学、浙江大学、台湾新竹清华大学、新竹交通大学、美国加利福尼亚大学洛杉矶分校（UCLA）、圣巴拉分校联合成立了"国际系统芯片研究中心"。在面向TSMC的MPW服务中，MPRC与上海IIC、浙江大学超大规模集成电路设计研究所、东南大学国家专用集成电路系统工程技术研究中心、哈尔滨工业大学微电子中心、上海集成电路设计研究中心、中国电子科技大学合作建立辐射全国的MPW服务网。截止到2002年4月已有8家15个设计项目正式选择TSMC 0.25ìm工艺的MPW服务。
5 中国大陆IC产业的未来
5.1 抢占国内市场份额
　　上半世纪90年代，一种无加工线（Fabless）的IC设计模式在美国蓬勃兴起。许多IC设计公司和著名的代工厂（Foundry）如TSMC、UMC进行了成功的合作，Xilinx和Altera就是其中的典范。2000年中国大陆市场消费的150亿美元的集成电路中，只有7%为中国大陆制造，而未来5年中，中国大陆将有10条先进的晶圆生产线建成。因此，产生了IC设计与生产线能力的巨大矛盾。可喜的是，国际上为解决这一矛盾探索了许多成功的经验，并建立了许多国际性的服务机构。我国许多高校、研究机构介入其中也取得了宝贵的经验。目前，大陆建设的晶圆生产线工艺可以满足当前大多数高产量的消费类、通信类集成电路要求，只要抓住当前机遇，充分利用境外可以获得的一切MPW服务资源，大力培育本土MPW技术平台，抢占国内市场份额是大有希望的。
5.2 努力赶上世界先进水平
　　目前，随着国际上IC产业的迅速膨胀，一些先进的服务机构和技术平台也逐渐向我国大陆开放，加上政府的大力倡导与支持，如果能遵循IC产业发展规律，充分利用一切可利用的先进技术和服务管理模式，就有可能以最短的时间赶上世界先进水平。
① 走MPW平台捷径：MPW服务机构运作方式已很成熟，这里有成熟的工艺、低廉的成本、经过实践验证的IP和经验丰富的MPW供应商，可以在较高的基础上起步。
② 力争世界级SoC IP平台技术支持，包括工艺完美的设计、良好的EDA工具和IP库、先进的代工厂支持、丰富的验证实例以及SoC IP平台免费或廉价使用。例如，北京大学的MPRC已与美国著名的工艺库提供商Artisan达成协议，MPRC作为国内Artisan面向TSMC 0.25ìm以下的工艺库提供者，将无偿为大陆地区的设计人员服务。目前，MPRC已获得该公司提供的TSMC 0.25ìm服务和0.18 ìm的完备工艺库和相应的存储器生成器，可向大陆地区提供全程服务。
5.3 中小企业迅速融入MPW服务
　　上海矽创微电子有限公司是一家依靠MPW服务取得成功的小型企业。原先以0.6ìm CMOS工艺流片的费用为20万元人民币，其改版的重新流片费用也10万元以上。2001年3月通过上海MPW支援单位--上海集成电路设计研究中心（ICC），一次投了4种样片，总共花费不超过5万元。目前他们已累计参加ICC组织的3批MPW服务，共试制了9种芯片，其中5个用于试制MCU开发版芯片，2个用于实际产品，1个用于验证模块，1个用于小批量生产，每个芯片都达到了预期效果。同时，企业可以通过低廉的MPW方式形成企业的IP库，进一步降低IC设计的风险性。
　　我国嵌入式系统产业中，有许多中小企业，不乏有出众的应用系统设计人才，借助MPW服务平台，以SoC模式，迅速提高我国嵌入式系统应用开发水平。

李小路

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