中國集成電路設計差距淺析

此次中興事件讓國人對半導體行業的重要性和加速發展的迫切性有了新的更深層次的認識。然而半導體行業是一個專業性很強的門類，非業內人士短時間內無法對其有深層次的理解，即使是整機行業的硬體人士也只能從應用上去了解晶元，而無法從其設計生產的角度去正向理解，因此無論是希望國家加大投入，還是整機廠商多用國內晶元，大家對發展國產晶元的計策主要集中在產業層面。

明白了差距是好事，知恥而後勇，可追趕總要有個方向，都說國內外晶元有差距，到底差在哪呢？恨鐵不成鋼，鋼與鐵的生產過程差別在哪呢？

當今的集成電路行業除了一些工藝強相關的產品比如CPU和存儲器(Intel 的CPU強大與其世界最先進的生產工藝密不可分；三星、鎂光的存儲器對生產工藝的要求也很高)，主要採用Fabless公司設計+Foundry生產+封裝測試的模式。

從晶元生產縱向的角度看，主要包括電路設計，生產製造和封裝測試三個方面。儘管電路設計使用的EDA工具都不是國產的，Foundry廠流片的設備都來自歐美，但畢竟中國是舉足輕重的半導體消費大國，目前國內的公司還是可以用上全球最新的EDA工具，在Foundry廠里享用到最先進的生產工藝。

那問題來了，我們和國外晶元公司使用同樣的工具設計，同樣的設備生產，為什麼做不出同等質量的晶元產品呢？

我們暫且拋開需要巨大資金、人力、時間投入的EDA工具和晶元生產設備開發，立足當下，簡要的通俗易懂的探討一下國內外晶元的差距到底有哪些可能的原因。

晶元可以簡要分為以下幾個大類:

• 模擬電路類如ADC/DAC，LDO/DCDC等，ADC/DAC可以認為是晶元與現實世界的媒介，小到示波器到軍用航天，都離不開它。中國目前還不具備高端產品的開發能力，這也是國外對我國晶元禁運的一大品類。領先公司包括ADI、TI等。
• 數字電路類包括CPU，通信電路，多媒體處理等，這一類型大家比較熟悉，比如電腦的CPU，手機的處理器和數據機，圖像信號處理器（ISP）等。電腦CPU的領先者主要是Intel和AMD，手機處理器是高通，ISP則是蘋果、富士通等。
• 微機電和感測器類，包括MEMS，sensor等，比如手機攝像頭，監控攝像頭等，業界領先者是SONY公司，幾乎所有的高端手機品牌都搭載他家的sensor。
• 存儲器類包括Flash, DDR等，比如U盤、內存等，主要玩家包括三星，海力士等公司。
• 射頻無線類，如收發機，毫米波等。
• 有線通信類如USB，MIPI等，USB大家比較熟悉，MIPI則是當今圖像感測器的標準介面，這一領域難點在於模擬PHY的設計，數字控制器則根據協議規定進行設計即可。

要做好ADC/DAC需要對器件結構有深刻的認識，否則在關鍵的指標上就是做不過TI、ADI；要做好圖像感測器，光學知識和材料學知識必須過硬，否則還是索尼大法好，國內的公司只能走200W以下的低端市場；要做好圖像處理器，需要有好的處理演算法，否則配置高像素sensor的其他手機拍照還不如配置低像素的蘋果；華為手機近年來的拍照效果越來越好也得益於其國外的演算法團隊。

說好做晶元，每一個細分領域卻需要這麼多其他專業知識，做出來不容易，做好更不容易。

關於造成國內外晶元差距的原因。發展晚，積累少這種大而化之的說辭對改變現實其實沒什麼實質作用，畢竟這一事實不可改變，向前看努力追趕才是硬道理。同樣的工具，同樣的工藝，不同的產品，差別就只有人了。工具畢竟是工具，和攝影一樣，關鍵還是用的人。集成電路這種技術密集型行業，人才才是一家公司最寶貴的財富，也是這一行業持續健康發展的基礎。儘管現在金融互聯網等行業對人才的吸引力很大，但本來我們也不能苛求最優秀的人才都進入集成電路行業，一個健全的工程師培養機制才是解決問題的根本。

國內的工程師需要在哪些方面得以加強呢？我覺得主要有以下幾個方面：

1. 專業度

晶元設計根據設計流程的不同可以粗略分為數字電路設計和模擬電路設計。

數字電路設計首先用硬體描述語言（Verilog、VHDL等）等在較高的層次實現電路的基本結構，再通過一系列EDA工具最終自動轉換成流片生產用的版圖文件；模擬電路設計則是直接使用晶體管設計出電路圖，然後手工畫出版圖文件。

隨著EDA工具的發展，不可否認對數字設計代碼質量的要求在降低，但也絕不能把數字電路設計完全等同於軟體編程，絲毫不考慮其對應的硬體實現。數字電路設計用的是硬體描述語言，不是編程語言。那種培訓30天學會的verilog能設計出好的產品嗎？像互聯網一樣滿大街的語言速成廣告，你說3個月學會，我就1個月學會，這樣學會的只是一種語言，不是電路設計。

對於模擬電路設計，由於其更接近底層實現，所以要求設計者對晶體管的物理特性有更深刻的認識。數學家只需要一張紙，一支筆。模擬設計者在一定程度上也是這樣，根據電路圖能夠大體算出最終的結果，而不是一次次試著修改參數，交給工具去模擬。

晶元設計，每提出一個方案都需要有嚴密的邏輯推理和理論依據，而不是靠猜靠試靠運氣。

2. 全面度

有人說了，做晶元的只要專註於電路實現就好了，其他專業知識和演算法的事情可以交給專業的演算法團隊來做啊。可是演算法工程師可以一點不懂電路，電路工程師不能一點不懂演算法啊，為什麼？做演算法的哥們兒只專註於性能和效果，你完全按照他的實現，不計成本，紐扣大小的晶元做成了磚頭那麼大，性能是上來了，裝他的殼子得多大啊。所以晶元設計工程師就要對演算法實現做評估，做取捨，一點不懂演算法，行么？

說到這就可以引入除特殊性能之外的晶元普適性指標了：功耗，面積。面積就是成本，功耗就決定了移動設備的待機時間。同樣的手機晶元，你比別人價錢貴一倍，別人手機待機一天，你待機半天，這樣的晶元能賣出去嗎？一個慘痛的事實是，現在國內某些晶元即使不計功耗和成本，也做不出國外高端晶元的性能，這就是晶元行業的差距。

3. 專註度

國外工作十年二十年的工程師很多，基本是一輩子都專註在這個行業。我們暫且不提大量工作兩三年就轉行金融互聯網的，留在這個行業的工程師，過了40歲沒有轉管理好像就是失敗者，出去找工作還沒人要。為什麼？這種有經驗的工程師不應該更加搶手嗎？

我想原因是兩方面的：一是公司做的低端產品不需要這種經驗，新手做和老手做對公司來說是一樣的，有BUG沒關係，反正賣的便宜走的是低端超低端； 二是工程師本身和新手沒有太大差別，十年的工作經驗只是把一年的經驗重複了十年。一群三年工程師對一群十年工程師，我們的勝算有多大呢？

要改變這種狀況，從大環境上，國家和社會應該樹立正確的工程師價值觀，給其尊重和應得的收穫，杜絕科技行業的浮躁風氣，讓他們安心做下去。否則，人都沒了，何談追趕？

我國經濟目前已經獲得了長足發展，資本的投入不是問題，但有些問題不僅僅是資本的投入可以解決的。時至今日，能買到的技術，我們都已經買到了，剩下的核心技術會越來越難，有些技術像航天、軍工、半導體等只能自己發展。

這需要一整套的系統的機制來保證，從人才的培養、基礎學科的發展到創新機制的完善。十年樹木，百年樹人，高科技領域的發展同樣如此，不存在什麼彎道超車。

以上是筆者對晶元行業發展的一點粗陋想法，歡迎行業內外的朋友一起交流探討。牢騷發完了，還是要一起努力，為中國集成電路行業的發展貢獻自己的一份力量。