合创资本刘华瑞:集成电路设计领域的关注点(模拟集成电路篇)

创言·2022-01-14 17:23
本文阐述了几点个人认为在模拟集成电路设计领域中一些需要关注的地方,在与创始团队交流技术时,希望本文能起一点帮助。

本文来自微信公众号“合创资本”(ID:vinnocapital),作者:刘华瑞,36氪经授权发布。

上篇提到在数字集成电路领域,诸如规格定义,系统设计,IP选择等方面需要投资人在交流时着重注意。而对于模拟集成电路的设计来说,若同样在没有实际产品投放到下游进行验证时要了解团队能力的情况下,也有多个方面是需要特别注意的。

当然在模拟集成电路的分类中,除了少量非常纯粹没有数字电路的模拟集成电路外,或多或少都会有数字逻辑在芯片中存在,也就是说大部分模拟集成电路实际上是数模混合集成电路,只是数字部分和模拟部分的比例差异可以很大。

1、模拟集成电路设计

电子产业界常见常用的ACDC、DCDC、锂电保护、各类driver(显示、电机)、FEM(内部的各类芯片)、功率MOSFET、transceiver、ADC/DAC、时钟芯片、SerDes等,都属于数模混合集成电路/模拟集成电路的范畴。像SerDes、transceiver这些集成电路中,虽然模拟部分很关键,但是数字部分也不少。而ACDC、DCDC、功率MOSFET等芯片中,模拟部分的比例会非常大,算是比较纯粹的模拟集成电路。

2、模拟集成电路设计的流程

模拟集成电路在总体的设计流程上跟数字集成电路的设计流程是类似的,大致流程都是:规格定义->系统设计->电路设计->版图绘制->制版投片,这里描述的是纯粹的模拟集成电路的设计流程。此处的电路设计可以对应数字集成电路的前端设计,区别在于模拟集成电路的电路设计并不是用工具语言去描述电路的逻辑行为,而是用实际的晶体管去搭建能够实现既定功能性能的物理电路。而版图绘制跟数字集成电路中的后端设计的区别在于,数字流程上更多是EDA工具去保证,而模拟流程上版图多是由设计人员手工绘制。

相对来说,模拟集成电路的设计流程比数字集成电路的要简明一些,EDA工具的依赖性较弱。这个情况下,EDA工具对模拟集成电路的保障性会比数字集成电路方面的下降许多。而更令人忧郁的是,晶圆厂(有时候还要带上封装厂)在模拟集成电路的制造方面,也无法百分百给设计公司保障。

3、模拟集成电路设计的设计人员

如果把数字集成电路的设计看做是标准化程度比较高的过程,那么模拟集成电路的设计就是一个完全非标的过程,定制化程度是非常高的。虽然从教科书、论文甚至反向出来的别家的电路中都能获取实现特定功能的模拟电路的晶体管/MOS管的拓扑结构,但如果毫无理解就直接照搬,就算在完全一致的工艺条件下,复制不出原有的电路的功能性能的概率是非常大的。那么对于意图做出中高端模拟集成电路的团队来说,有真正理解半导体物理,且有正向设计出所需的功能性能的模拟集成电路并在特定工艺上成功量产的能力的人是非常关键的。

大体来说,模拟集成电路的设计是一项非常依赖设计人员的活,无论是电路设计,版图设计还是工艺设计。相比后两者,电路设计的人员一般更受重视。这是因为版图设计和工艺设计在涉及高频高功率等领域中会发挥重要乃至关键作用,而在一般市场广泛的、海量的中低端模拟集成电路的设计中的重要性则相对较弱。当然另一个原因是相对于电路设计人才来说,这两者的人才储备更是稀少,即便被重视,也不一定能找到合适的人才。

跟数字集成电路的设计人才不一样,模拟集成电路的设计人才的成长更像是一个长期的内功修炼。数字逻辑设计的课程在各大高校中比比皆是,很多微电子专业以外的专业中都有数字逻辑的设计课程,前一篇中也提到过数字芯片的前端设计所需要的人力资源比较容易获取。

而模拟集成电路设计领域的优秀人才,没有五年八年的实际流片的磨练,是不敢妄称的。虽说不是必须,但最好学过固体物理、半导体物理、半导体器件、量子力学等跟晶体管/MOS管特性有关的基础理论。而实际的流片,若能在境内境外多家晶圆厂中实践过,并且有工业级别模拟集成电路量产的经验则更好。

真正优秀的模拟集成电路设计人才,已臻于化境,通过多年的经验积累,对于电路拓扑结构的搭建或者改良已经是一种感觉。有可能在某个地方加一个MOS管或者把某条金属走线的版图转个角度,就能解决问题。就像大神Razavi的那句in sense就永远那么让人神魂颠倒。总而言之,对于模拟集成电路的设计来说,优秀的设计人员永远都是最需要重视和关注的事情。

4、模拟集成电路设计的工艺磨合

相较于数字集成电路,模拟集成电路跟晶圆厂的制造工艺的耦合度更加紧密。而对于高端(高速、大功率、高可靠性等)模拟集成电路来说,若没有工艺的配合,是无法量产甚至无法设计出来的。所以在模拟集成电路设计领域,对于电路与工艺是否匹配,电路与工艺的磨合度如何是非常值得关注的。

上述情况的出现,皆因各个晶圆厂的模拟工艺都经过自身的摸索和调节,不尽相同,尤其是在高性能方面(指高压、大电流、大功率、高速(含射频)、高可靠性(如车规)等方面)。而且各家晶圆厂给设计公司提供的模型与其最终生产出来的电路之间的差异也是参差不齐的。

品质好的晶圆厂基本是“所见即所得”,用其提供的模型仿真出来的结果跟最终流片出来的结果基本一致;品质略差的晶圆厂则有可能在仿真结果和流片结果之间有偏移。若设计公司没有工艺调节能力(实话说fabless模拟设计公司中有这个能力的是极端少数),则只能接受这个偏移,从设计上预留更多的裕度来解决(但会影响成本)。这也是国际上模拟集成电路的龙头有很多是IDM的原因,设计和工艺都是自主可控的,自然能磨合出高品质的模拟集成电路。

上节也提到,对于低端的模拟集成电路来说,版图和工艺设计能力的依赖性会非常弱,也就是说设计公司单纯从技术层面选择晶圆厂(即工艺的选择)时灵活性会大一些。而在中高端的模拟集成电路领域,很有可能出现只有一家或少数几家晶圆厂的特定工艺才能满足设计公司的需求的情况,这时候工艺/晶圆厂的选择就是设计公司成败的关键了。

设计公司与晶圆厂的合作并不纯粹是一个技术问题,商业上的考虑当然是必须的,而与晶圆厂的合作跟行业大环境、生态甚至是地域都会有关系。若非技术的因素占了晶圆厂选择的主导,那么就很有可能出现能合作的晶圆厂的工艺不能满足设计公司需求的情况,例如BCD的耐压不够,没有HV工艺等。设计公司在这种情况下是降低规格还是通过调整电路结构,甚至深入到晶圆厂调整工艺来获取自身想要的产品,就跟设计公司自身的能力有关了。

当然还有解决办法是排除万难从源头上争取到合适的晶圆厂的所需工艺,不过在非技术因素下,这条路反而更困难。上述情况对于早期的高端模拟集成电路设计公司来说比较常见,如何解决更看重核心团队的综合能力。

5、模拟集成电路设计的系统能力

跟大多数数字集成电路整个芯片就是一个完备的系统不一样,模拟集成电路往往需要外围无源器件甚至是其他芯片的配合,以实现整个电路系统的功能性能需求。广义上来说,光模块、射频前端模块、集成功率模块等都是完备的模拟电路系统。

既然是系统,那么系统中的各个组件(有多颗芯片,也有电容电感等无源器件,甚至包括基板走线等)都是为了满足系统的整体功能性能而存在的,要为需要的功能性能提供贡献,同时要减小无谓的消耗。

如果设计公司主营的是需要在系统中发挥作用的模拟集成电路,那么对于整个系统的考虑和仿真就显得尤为关键了。就像一颗加工精美的钻石,如果放置它的底座的尺寸跟它不匹配,那么是无法做成一件完整首饰成品的。

以射频前端模块为例,低噪放、开关、滤波器、PA等器件都属于模拟集成电路(滤波器比较特殊),设计公司单独设计出一款性能优异的开关,但是无法跟其他器件配合,那么这个射频前端模块也是不成立的,无法正常工作。又如功率模块中,如果想提高整个模块的功率,模块整体的散热会成为一个关键点。假设核心功率器件的功能没问题,但是其庞大的功率导致整个模块的散热出现障碍,那么整个模块的性能还是不达标。总而言之,系统与分立的有源或者无源器件就是整体与局部互相牵制,互相影响的关系。

那么在部分(实际比例还不小)涉及模块化的模拟集成电路的设计中,对于整个系统的考虑就非常重要了。就算设计公司的主营是提供其中一款或部分分立集成电路,若能考虑系统整体进行完善的系统仿真,就会事半功倍。对于做独立芯片的设计公司若要考虑系统,可以从其他芯片供应商和模块制造商处获取模型,更可以考虑自己把其他芯片和模块的主动权掌控在自己手里。从产业界的发展也可以看到,越来越多的芯片设计公司开始涉足整体模块的设计以及制造,越早具备模块能力的芯片公司发展越好,原因不再赘述。

6、模拟集成电路设计的高阶技术

对于一些高端的模拟集成电路/数模混合集成电路来说,其设计技术本身就比中低端的模拟集成电路有更多独特的关注点。如高频高精度的ADC,高速SerDes,大功率模拟数字集成芯片这些高端的数模混合电路在设计上就需要多年丰富的系统经验。

以大功率模拟数字集成芯片为例,单片上集成了大功率的功率MOS管,还有属于模拟部分的电源管理和属于数字部分的逻辑控制,其整体的设计就有很多在中低端此类芯片中不需要考虑的关键点。当单片集成的功率MOS管能承载的功率大到一定程度时,其工作过程中产生的电流就会很大,若没有做好完善的隔离,这个大电流将会影响同在一片芯片上的数字逻辑电路,严重时会造成数字逻辑电路的翻转紊乱,芯片失效。就像在长江上的一个浪可能对长江上的船只影响不大,但是灌进黄浦江后,有可能对黄浦江上的船只造成严重的影响。

对于这种芯片,无论是芯片内部电源区域的隔离还是封装方面的考量,都对设计人员有着非常高的要求,而这种芯片形式在工业级别的应用中又有着高性能低成本的优势。这里提一句,合创资本投资的腾云芯片公司就是国内稀缺的拥有这种技术的芯片设计公司。

对于高端模拟集成电路中使用的高阶技术,并不能总结出规律来,只能是设计者根据实际的芯片性能功能需求,在可使用的工艺上通过各种设计技巧设计出可量产芯片这一个过程。至于设计者使用什么技巧去解决实际的设计难点,答案往往是五花八门的,也许换个工艺就不适用了。

小结

模拟集成电路的设计跟数字集成电路相比多了非常多的自由度,而且还存在晶圆厂也无法保证生产出来的产品跟设计者的设计意图完全吻合的情况,这给设计者增加了许多的难度。

本文阐述了几点个人认为在模拟集成电路设计领域中一些需要关注的地方,在与创始团队交流技术时,希望本文能起一点帮助。

总体来说,在模拟集成电路设计领域,无论是设计方法论,细节的电路设计,还是晶圆厂封测厂等供应链的选择和布局,都需要资深的行业专家才能运转流畅。下篇将谈谈其他集成电路的设计关注点。


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