Moore定律与中国半导体

20年不长也不短了,20年最简单的事,就是将一个人变老,一个人的黄金岁月往多了算不过40年。20年也可以将一个国家的GDP变到世界第二,也可以将IC产业普及到大众认知。

一、导言

我们先往前说说00之前的半导体发展。90年代是真正的个人意识觉醒,以及全民商业化的序曲阶段,是国内信息化的开始,中国GDP逐步加速。下面几件事情如果你还有印象,那么你应该也不年轻了。

很多人把94年红磡演唱会神话为内地摇滚的高峰。其实,在经历了邓丽君的偷偷摸摸,西北风的豪迈,四大天王扫街,摇滚乐的嘶吼之后,国内音乐算是渐渐进入百花齐放。94红磡恰巧算是被当作一个休止符,被贴了个标签,当作一个老时代结束的标志。其实现在的摇滚乐,要是论创作水准,要比当时高不少,国内的livehouse演出也是风风火火,虽然靠乐队挣钱还是很艰难。

年上交所成立,90年代如果你参与了的话,你有大概率会赚钱。因为在初始阶段,总盘子在迅速扩大,如果你不是很点背的人,会被带着发财。事实上,确实有人发财,很多传奇故事里的主人公都印有这一段时间的烙印,而且那时候一般打到新的话就说明要小赚一笔,不像现在,新不新的其实没什么区别。

90年代末商品房开始出现了。如果我们知道中国的GDP是按照上图那根曲线发展,那搞几套房子就好了,不用做IC也不用做股票,当然也不用做投资。做了的就当娱乐。郑渊洁据说买了10多套房子装信,从元每平到14万每平,你算算。那时候宇宙中心五道口的华清嘉园开盘的时候也就元。

98年的时候,学习Verilog的人还算是非常早的了,除了大学和少数公司以及研究所,使用的人非常少。资料显示年synopsys在中国设立公司,年cadence进入中国市场。国内早先的IC设计是反向设计多,所谓反向就是剖别人的片子copy人家的设计。慢慢的随着EDA厂商进入中国,国内才真正开始从Verilog/VHDL到IC的正向设计。而且设计的基本都是面向应用的ASIC,设计规模不大,SoC的概念还很少或者说还没有。

当然还有其他的厂商EDA厂商包括Mentor做DFX,Ansys的IRdrop等等,还有消失的Avanti,Magma等等。但主流的全流程的EDA厂商,全球看来还是Synopsys和Cadence,其他厂商作为单点工具厂商有些活的还不错。

作为一个早期的IC工程师,用EDA厂商作为开篇,是因为这里其实是应该向他们致敬。那时候听一位台湾人说,大陆合格的IC工程师还不足人。工程师们对synopsis和cadence的依赖还比较多,在实战层面,无论从工具的使用上,还是从IC设计流程,甚至IC设计原理,都处于比较贫乏的状态。直到今天,没有他们,国内的IC设计几乎完成不了。更别说,对小公司,他们还放水养着鱼。

对于新世纪之前国外半导体发展,我们用几个代表公司大概梳理了一下美国半导体发展的时间节点,回头跟国内对应的时间可以做个对比。

文章也不会涵盖所有的话题,IC涉及的领域太多了,聊一些我更了解一些的。

二、国际半导体20年

年左右开始,国内半导体行业在互联网浪潮的带动下,出现了一波浪潮,大家发现从美国copy到国内paste好像是个能赚钱的生意,以百度,新浪,搜狐为代表掀起了第一波互联网泡沫。另外一方面也确实是计算机及信息技术爆发带来的底层技术上的强烈需求。

到这几年中,出现了一大批创业企业,特别多的情况是硅谷回国的工程师,然后带着硅谷的投资,在国内创立了一大批的企业,算是第一次半导体发展浪潮。说起来一些名字的话,有些应该大家很了解,有些则命运多舛。没有系统的总结,我随便说几个通信行业相关的,包括中星微,展讯,锐迪科,畅讯,硅谷数模,六合万通,希图,创毅视讯,新岸线等等吧,太多了。那时候方舟处理器也进行的如火如荼。

我也在其中一家创业公司。nm工艺已经是挺先进的工艺了,FPGA用的是Xilinx的VertexII,流程都用DC/PT,仿真用VCS比NC-Verilog好像快不少,封装用BGA已经是显得非常NB了。虽然Synopsys和Cadence都是全流程,到目前为止,前端用Synopsys,后端用Cadence,测试用Mentor,大的地盘划分一直没有变。

IC行业里面,可以从工艺的演进角度看,也可以从行业技术的演进去看,我下面举几个例子来看看国内的IC行业与国外同行的对比。

(一)EDA工具

EDA(ElectronicsDesignAutomation)工具实际上是个泛泛的概念,用来做辅助电子相关设计的软件都可以叫EDA。这里我们专门介绍一下做数字IC的EDA,暂且不包含模拟,PCB,FPGA等方面的。

数字IC的设计,测试包含几十道工序,对应的EDA软件也大约有这么多。看起来挺复杂的,但相比较制造过程,工序还是少很多。虽然制造过程也许不需要这么多专业软件,对材料,设备和工艺的要求比较苛刻一些。

前面提到过EDA工具提供商里面全流程的包括Synopsys和Cadence,而Synopsys又可以看做行业老大。年Synopsys的营收大概31亿美元,Cadence大约21亿美元。加上第三名Mentor的13亿美金,第四名ANSYS的12亿美金,这几家头部公司的营收占据了整个市场的几乎95%。

针对数字IC设计流程中的EDA,我们挑一些比较重要的来说一下。通常的一个软件可能会集成几个工序的工作,负责好几件事情。有些EDA公司在某个环节比较强,做出一个行业普遍认可的工具,我们叫点工具,它只负责整个工序的某个点。

我们就拿Synopsys举个例子,看看涉及到的工具有多少,每个系列少则几种,多则十来种:

就像我们之前提到的,每家工具的业界认可度不同,通常没有用一家工具完整的实现整个流程的。一般的,用Synopsys的前端工具,用Cadence后端工具,用Mentor的DFT和物理验证。国内公司我列了华大的情况,虽然还不能放在一起对比。

在年附近,在EDA领域有大约80家创业公司。在这一时期,诸如Avanti、Ambit、Magma、Monterey、Get-to-Chip、Verisity、Verplex,Atrenta等公司纷纷成立,最后所有这些公司后来都被Cadence和Synopsys收购了。Mentor则于年被西门子收购,但独立运营。

目前还存在的其他的EDA公司基本都是点工具公司,像ANSYS的RedHark作为IRDrop分析的工具,在业界也是无出其右,其年营收估计应该有12亿美金,当然还有一批小的点工具公司。

国内除了华大还有广立微、概伦、芯禾、九同方、博达微、蓝海微、珂晶达、鸿芯微纳、奥卡思微和行芯等EDA相关工具研发的企业,在不同方向上做一些工作。就像CPU,操作系统一样,EDA不光需要技术和人员投入,它也是需要有生态基础的一项运动,目前国内EDA还任重道远。

(二)工艺制程

工艺制程是个耳熟能详的词。我们先看一个台积电工艺演进图感受一下数字半导体工艺节点的变化,体会一下Moore定律。

从台积电


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