本文由半导体家当纵横（ID：ICVIEWS）编译自semiengineering
规模较小的仿照芯片公司再次向仿照芯片定制项目洞开了大门，这对付大多数芯片制造商来说过于昂贵。为了知足芯片设计项目中日益增长的专业仿照芯片定制需求，新一波初创企业正在崛起，为更实惠的定制设计打开了大门。
这些初创公司为该行业注入了新的活力，而由于公司整合，该行业只青睐最大的芯片制造商。随着大型仿照芯片公司收购较小的公司，许多之前与其他小型公司互助进行定制项目的公司，由于更严格的互助条款，无法再这样做。这导致一些小型客户失落去了机会，但他们的前景正在发生变革。
只管数字芯片设计师常常创造新功能和设计，但仿照电路大多方向于利用已知功能。这些功能的各种参数可能须要优化以提高性能、降落功耗或适应新的操作环境。
“有时你只须要市场上没有的功能或特性，然后你就可以制造自己的 ASIC 来脱颖而出，”Fraunhofer IIS 自适应系统工程部门高等稠浊旗子暗记自动化部门经理 Benjamin Prautsch 说道。“这便是你办理这一问题的窍门。”
仿照芯片寻衅常日可以通过尽可能多地利用数字技能来避免。“通过重复利用或将尽可能多的东西推向数字天下，你可以尽可能减少事情量，”Prautsch 阐明道。“但你总是会有一个仿照的外壳。”
Synopsys 产品管理总监 Hany Elhak 对此表示赞许。“如果我们采取英特尔的任何数字 SoC 或微处理器、高通的运用场置器或 NVIDIA 的 GPU，它们紧张是数字芯片，”他说。“但所有这些都将包含特定的仿照模块。”
由于仿照芯片设计是一个专业性很强的领域，因此项目常日都是外包的。过去，这些项目都是由有名的仿照芯片公司承接的，但在被大公司合并后，这些公司可能不再接手——尤其是对付小批量项目。现在，一些收购公司不再乐意承接的项目正在被新公司接手。
仿照芯片设计仍固执地保持专业化在半导体设计历史的早期，所有芯片实际上都是仿照的。纵然它们实行数字功能，它们也是利用范例的仿照工具和技能设计的。设计规模小使这成为可能。然而，在某个时候，数字设计以一种仿照设计无法实现的办法起飞。
打破的关键在于抽象化。最大略的是将某些仿照值归为一组作为数字1，另一组作为数字0（两组之间有保护带）。“你可以将数字抽象化为0和1，”Prautsch 说。“在其下方，仍旧是仿照值，但可以用0和1来表示。在仿照天下中，它始终介于两者之间。”
这种抽象简化了数字设计和验证，其规模如今已非同平凡，能够创造出相称于数十亿门的芯片——在过去，这些门可能都是精心手工制作的。我们当前将电子产品遍及到各处的努力，正是这生平产力的直接结果。
然而，仿照芯片技能却没有取得这样的进展。只管进行了各种考试测验，但仿照芯片设计自动化在很大程度上还是失落败了，由于仿照技能本身并不适宜抽象。“我们知道团队正在研究它，但它的自动化程度远远低于我们在数字技能中看到的水平，”Prautsch 不雅观察到。单点工具有助于办理一些特定的寻衅，它们也可能有助于工艺节点迁移，但它与数字工具套件完备不同。
这导致了一些困扰，使仿照芯片设计一贯充满寻衅。首先，仿照设计仍旧紧张依赖手工。可以组装一个模块库并将它们拼接在一起，但模块之间的界线可能会降落完备手工定制设计的性能。而且购买 IP 并不一定能办理问题。“纵然集成 IP 也须要仿照设计专业知识，”Elhak 说。
其次，基于人工，新颖的仿照功能较少，因此仿照设计师可以通过其他办法进行创新。“在提高性能、降落噪音、提高速率等方面，有很多创造力，”Elhak 阐明道。这些常日一次完成一个块或一个段。
Orca 首席实行官兼联合创始人 Andrew Baker 指出：“我们所说的定制并不是定制。我们指的是针对特定运用或垂直市场定制的特定运用标准产品。”与其说这是全新的设计，不如说这是优化。
反过来，这也使得仿照设计比数字设计更具寻衅性。虽然工具可以处理大型数字芯片的许多繁芜问题，但仿照芯片的设计常日由设计师自己或利用 Excel 等大略工具来处理。根据个人的性情，数字芯片的黑白特性可能比仿照芯片的灰色特性更吸引某些人。这意味着仿照设计师的群体比数字设计师的群体小得多。“学生越来越少地选择电子工程，而更多地选择打算机科学，”Prautsch 说。“因此，设计仿照芯片的新手人才短缺。”
这种情形的影响出人意料地广泛，谷歌或亚马逊等资金雄厚的公司虽然已经涉足数字设计，但仍旧依赖仿照条约制造商来知足专门的仿照芯片需求。
此外，架构师试图尽可能多地采取数字而不是仿照来实现。但天下是仿照的，以是纵然 95% 的电路是数字的，个中大部分也必须用仿照来包装。这可能是由于电路正在与外部仿照功能交互，或者只是须要与其他数字电路通信。例如，I/O 物理层电路（如用于 PCIe 的电路）是仿照的。
Baker 指出：“在大多数情形下，[仿照内容] 占 20% 旁边，”个中大部分是数字内容。“每个人都认为天下正在走向数字化，但仿照在所有这些系统中仍旧是必不可少的。没有仿照，你就什么都没有。”
现成的仿照电路更难实现数字 1 和 0 使给定的数字芯片更随意马虎在各种环境中运行。只要旗子暗记可以被识别为高电平或低电平，电路就会事情。仿照电路则不然。虽然数字电路可能接管 0.8 V 或 1.0 V 作为逻辑高电平，但这些值对付仿照电路来说是非常不同的，并且设计为接管高达 1.0 V 输入的电路对付最大输入电压为 0.8 V 的电路来说可能不是最佳选择。
因此，操作环境之间的细微差异可能会使现成的芯片不足用（或至少不是最佳的）。例如，用于标准 I/O 的芯片可能不须要定制——除非有人须要某些增强参数，例如降落功率或提高可靠性。“纵然在一个标准内，不同的公司也可以实现更好的误码率，或者他们可以得到更高的数据速率以得到自己的竞争上风，”Elhak 指出。
须要定制的两个具体例子是仿照数字转换器 (ADC) 和电源管理 IC (PMIC)。ADC 便是一个输入电压很主要的例子，输入电压可能因系统而异。“没有一个 12 位 ADC IP 可以适用于所有运用，”Prautsch 说。“输入电压每次都不同。有时我有一个 1.0 V 的单端输入电压摆幅。有时我有一个 2.0 V 的差分输入电压摆幅。终极是同一个 ADC，但它须要不同类型的输入缓冲器。”
PMIC 每每基于已知或标准化的电源事情，但这些电源常日是电池。由于电池技能在结束多年后正在快速发展，纵然是锂离子技能等已知机制的标准输出电压也从约 4.2 V 变为 4.5 V，而设计用于处理旧标准的 PMIC 将无法事情，尤其是在掌握电池充电时。
“十年前乃至五年前开拓的设备无法为 4.3 伏以上的电池充电，” Baker说。“这可能会妨碍其与较新的化学身分一起利用。我们提高了充电终止的准确性，因此人们可以放心地将电池充电至最大容量，而不会过度充电并缩短其利用寿命。”
一些变革可能会为价格更实惠的芯片带来更高真个功能。“客户可能正在探求集成度略低的产品，但高端功能只有高集成度的昂贵芯片才具备，” Baker说。动态电压调节便是一个例子。“我们在电压急剧变革时添加了回收能量，因此当您从较高电压变为较低电压时，存储在输出电容器上的能量常日只是放电到地。我们将该能量回收回输入端。”
在某些情形下，例如电池示例，新产品终极可能会成为标准。最初为某位客户定制的芯片可能会成为现成的部件，例如 Orca 的 PMIC。其他情形，尤其是涉及其他人可能无法采取的专利创意的情形，可能会保持定制和独家性。这些考虑成分会影响得到定制仿照电路的本钱。
从仿照电路到仿照“系统”当今仿照芯片设计职员利用的一种方法是利用掌握电路来调节仿照电路中的各种内部参数。这些调节点由数字电路掌握，而数字电路又可以通过固件驱动的外部引脚进行掌握。通过这种办法，单个电路可以在更广泛的情形下运行，这样，在通电后，固件就会设置所需的配置。
仿照电路、数字掌握和软件驱动器的组合被称为仿照系统。“我们所说的‘系统’是指，除了仿照功能外，我们还添加了数字掌握和软件，”Elhak 说。“所有这些仿照模块都将具有数字电路，可以完成从选择振荡器频率到调度放大器增益等所有操作。”
工艺变异性是一个日益严重的问题仿照芯片的另一个问题是工艺变异性，尤其是在前辈的工艺节点。处理这一日益严重的问题的一种方法是利用调度点校准给定的芯片。这样，一整套芯片（每个芯片在技能上略有不同）就可以尽可能地靠近完备相同，以担保正常运行。“纵然是传统的仿照盒也须要通过数字电路进行校准，并且须要软件掌握，”Elhak 说。由于软件驱动程序对付每个芯片都须要相同，因此定制在内部进行，eFuse 存储在制造测试期间设置的校准值。
然而，当将仿照芯片引入新工艺时，这可能没有帮助。最明显的例子是将其引入更当代的硅节点，但纵然在给定节点上改换代工厂或晶圆厂也可能须要进行一些设计调度。“假设我想将我的旧设计从节点 1 迁移到节点 2，”Elhak 阐明道。“现在我须要对其进行优化，以便它能够供应与旧设计相同的性能，乃至更好。”
如果仿照功能位于自己的芯片或小芯片上，这种情形是可以避免的，由于仿照电路每每不会从前辈节点中受益。但如果要将仿照电路集成到 SoC 或另一个数字芯片上，这种情形就无法避免。纵然芯片的功能是 100% 数字化的，它仍旧必须通过最低级别的仿照通道与其他芯片通信，纵然只是为了连接到另一个小芯片。集成内存是数字海洋中仿照孤岛的另一个例子。
虽然软件掌握的仿照芯片和 IP 可能会减少定制需求，但并不能完备肃清定制需求。这种情形让芯片制造商或系统制造商不得不做出自主开拓或购买的决定。除非公司拥有专门的仿照设计团队，否则该决定常日方向于购买。
定制电路参与所需的定制参与类型常日不及全定制仿照芯片或电路。相反，现有电路的部分被修正，这缩小了项目范围。也便是说，纵然设计变更可能只涉及电路中的几个点，验证也必须包括全体电路，由于仿照实质上每每涉及大量反馈，因此统统都可能相互影响。“对付仿照电路来说，情形要繁芜得多，由于电路的每个变革部分都会影响其他部分，”Elhak 说。
因此，验证必须彻底，并且可能构成定制事情的绝大部分。“公司利用一些技能来降落问题的繁芜性，”他说。“但终极，他们总是会在晶体管级别对全体仿照模块进行大规模芯片仿照，并且他们须要在多个角落和多个数字掌握场景中重复这一过程。”
管理定制项目的条款可能会根据所需的详细变动以及这些变动在单个项目之外的广泛用场而有所不同。前期非常常性工程 (NRE) 用度可能相称高，尤其是对付预算有限的初创公司而言。“这须要大量的 NRE，由于这须要大量的手工事情，”Prautsch 说。“你可以购买 IP，但它必须常常进行调度。你可能无法得到所需的所有 IP，或者你得到了 IP，但它不适用于你正在探求的特定半导体工艺。”
对付可以卖出更高价格的芯片来说，高 NRE 可能是必要的。“如果你有一个运用，芯片制造商的客户会尽可能地榨干你的性能，那么该产品的价格势必会非常高。你可以只制造几个具有 NRE 的芯片，终极，它会带来回报，由于你恰好办理了昂贵的利基运用问题，”Fraunhofer IIS/EAS 集成传感器电子部门经理 Björn Zeugmann 表示。
无需大笔现金投入即可得到仿照芯片技能，这一点非常有吸引力。如果估量的产量足够高，并且有可能将修正后的芯片或电路出售给其他客户，设计公司可能会接管这种无需预支 NRE 的条约。“如果大型设计公司看到更大的市场，他们可能会对定制感兴趣，”Prautsch 说。
另一方面，如果客户希望得到独家经营权，则可能须要 NRE，其金额将取决于项目范围以及独家经营权期限和预期数量。如果数量太少，那么设计公司可能会谢绝承接该项目——特殊是如果客户包袱不起 NRE 用度。
如果要修正的芯片有可用的开放设计数据，那么项目可能会变得更随意马虎，这意味着除了原始制造商之外，其他人也可以对其进行修正。“为客户设计芯片并将芯片作为黑盒出售是一种选择，”Zeugmann 说。“或者他们可以出售开放设计数据，这样客户就可以去另一家芯片制造商或工厂或设计公司进行修正。”
不断变革的设计环境然而，随着瑞萨电子、Analog Devices 和 NXP 等大型公司收购 Dialog、Linear Technology 和 Maxim Integrated 等小型仿照芯片公司，此类机会的前景最近发生了变革。这些合并从几个方面改变了竞争环境。最明显的是，定制业务的门槛提高了五六倍。“你可以列出一大堆规模较小的公司，它们可以捉住代价 5000 万美元或 1 亿美元的终生收入机会，”Baker 说。“现在，这个可考虑的门槛已经上升到 3 亿美元。”
达成交易的能力也假定该公司希望其仿照芯片团队能够参与此类项目。“该领域的这些收购很大一部分是为了得到能够制造特定类型芯片的履历丰富的团队，这样你就不必建立自己的团队了，”Prautsch 指出。
随着公司文化的领悟、冲突和折衷流程，以及决定哪个部门拥有哪些产品，参与过程也变得更加繁芜。“如果我想要一个定制的办理方案，我该找谁？” Baker问道。“如果有人向他们提出特定的产品哀求，公司组织内可能会有三家企业乐意供应帮助。”在这种摩擦肃清之前，达成交易的过程可能会延长。
然而，新的创业公司正在进入市场，他们正试图补充合并留下的空缺。由于仿照芯片设计非常专业，并且针对特定运用，因此须要定制，而收入水平低于大公司的哀求。“整合为我们这样的公司打开了市场机会，让我们能够知足市场中常常听到的、尚未得到知足的需求，” Baker说。
除了 Orca，Elhak 还列举了 CoreHW、Credo、Endura 和 Silicon Creations 作为近期初创企业活动的例子。“我们的许多定制设计客户都是非常小的初创企业，他们要么试图为自动驾驶打造激光雷达，要么试图为人工智能加速器打造赞助仿照电路，”他说。
结论半导体行业的许多领域都以一波波初创企业和随后的收购与退出而有名。话虽如此，当前的仿照芯片初创企业潮，紧随收购浪潮之后，本身也可能成为另一波收购浪潮，由于新一批的赢家又被收割了。但至少就目前而言，新近的小型公司将展示仿照芯片技能在较低收入水平下的可行性。
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