系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)查：ASIC重點(diǎn)

System Design Survey: ASIC Highlights

摘要：系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在探索具有新的應(yīng)用特點(diǎn)的IC經(jīng)營(yíng)模式時(shí)，最主要關(guān)心的還是價(jià)格。

戰(zhàn)略需求陳述：
由于未來(lái)兩年，市場(chǎng)條件將得到改進(jìn)，先進(jìn)技術(shù)研發(fā)路線圖的重要性將得到增加。封裝內(nèi)系統(tǒng)（SIP）和嵌入式DRAM ASIC在未來(lái)2到5年內(nèi)將成為主流技術(shù)。

研究目標(biāo)
為使電子系統(tǒng)更進(jìn)一步接近單芯片解決方案，設(shè)計(jì)者們對(duì)ASIC和可編程邏輯器件（PLD）提供商提出了更多要求。更高的性能、更大的存儲(chǔ)器和內(nèi)核庫(kù)，所有指標(biāo)都在向高處發(fā)展，工程師們把越來(lái)越多的系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)要求交給他們的半導(dǎo)體合作者。
    出于量化這些要求的目的，Gartner Dataquest公司對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者們進(jìn)行了一次網(wǎng)上調(diào)查。這項(xiàng)廣泛的研究的目的是確認(rèn)系統(tǒng)提供商們當(dāng)前和未來(lái)的需求，以作為開發(fā)下一代ASIC和PLD產(chǎn)品的指南。調(diào)查中最受關(guān)注的ASIC也在這個(gè)遠(yuǎn)景展望里得到評(píng)定。更多的細(xì)節(jié)信息可以參考《關(guān)于未來(lái)ASIC和FPGA設(shè)計(jì)的技術(shù)路線圖》SCSI-WW-UW-0002。

調(diào)查方式
Gartner Dataquest公司最近完成2003年度的網(wǎng)上系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)查。最終用戶通過(guò)一系列方式來(lái)進(jìn)行確認(rèn)，其中包括過(guò)去調(diào)查回應(yīng)者數(shù)據(jù)庫(kù)和工程期刊訂戶。有4萬(wàn)多份調(diào)查問(wèn)卷通過(guò)電子方式分發(fā)到全球。最終將近300份完整的調(diào)查答卷得到回收。
調(diào)查答卷的回收和處理是在2003年的第三和第四季度完成。收集的數(shù)據(jù)主要來(lái)自系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師、集成電路設(shè)計(jì)者和工程管理人員，這三者占到有效答卷的三分之二以上。

主要發(fā)現(xiàn)
在調(diào)查中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者們透露出很多重要的趨勢(shì)。這些趨勢(shì)將在未來(lái)驅(qū)動(dòng)對(duì)ASIC、場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）和片上系統(tǒng)（SOC）器件的需求。主要的ASIC和SOC方面的發(fā)現(xiàn)包括以下幾項(xiàng)：
    -隨著用戶開始面對(duì)設(shè)計(jì)90納米產(chǎn)品的挑戰(zhàn)，供應(yīng)商技術(shù)路線圖已經(jīng)變得越來(lái)越重要；
    -將近10%的回應(yīng)者開始在基于單元的IC設(shè)計(jì)中使用封裝內(nèi)系統(tǒng)(SIP)；
    -設(shè)計(jì)服務(wù)越來(lái)越趨向?yàn)閰^(qū)域市場(chǎng)服務(wù)，尤其是在亞洲環(huán)太平洋地區(qū)；
    -在ASIC和FPGA設(shè)計(jì)中，越來(lái)越多的使用處理器核，如PowerPC；
    -標(biāo)準(zhǔn)界面SPI-4.1 和 SPI-4.2與RapidIO互連架構(gòu)和以太網(wǎng)連接單元接口（XAUI）的競(jìng)爭(zhēng)激烈；
    -在三年前的虛假膨脹后，嵌入式DRAM的需求再一次回升。

選擇ASIC供應(yīng)商的關(guān)鍵因素
考慮到有眾多的變量和供應(yīng)商，在目前的市場(chǎng)上選擇一家ASIC供應(yīng)商需要很好的技巧。為對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者們?nèi)绾芜x擇ASIC供應(yīng)商的問(wèn)題有一個(gè)更好的了解，Gartner Dataquest公司讓他們對(duì)選擇ASIC供應(yīng)商時(shí)考慮的各個(gè)因素進(jìn)行重要性分級(jí)。圖一顯示了調(diào)查的結(jié)果，圖中1表示最不重要，7表示最重要。

圖一
選擇ASIC供應(yīng)商的關(guān)鍵因素
 
因?yàn)橛袛?shù)以百計(jì)的電子自動(dòng)設(shè)計(jì)（EDA）工具包為ASIC工業(yè)服務(wù)，因此在接下來(lái)的一年內(nèi)用戶們認(rèn)為與第三方工具有更好的集成就不足為奇了。EDA工業(yè)比較松散，因此最重要的是供應(yīng)商們給予足夠的投資以支持最新的設(shè)計(jì)并確保這些工具在一個(gè)相互兼容的環(huán)境下工作。
用戶們傾向于和一系列ASIC供應(yīng)商保持緊密的聯(lián)系，因?yàn)檫@是保證他們成功的必要因素。用戶會(huì)選擇那些在自己服務(wù)的縱向市場(chǎng)里有良好紀(jì)錄的供應(yīng)商以及那些為用戶的目標(biāo)市場(chǎng)提供特定的IP設(shè)計(jì)的供應(yīng)商。單個(gè)器件費(fèi)用與一次性投資對(duì)用戶來(lái)說(shuō)總是很重要，因此他們對(duì)這些因素評(píng)分很高。與過(guò)去的調(diào)查結(jié)果比較，供應(yīng)商擁有領(lǐng)先的技術(shù)路線圖的重要性大大提高。用戶根據(jù)供應(yīng)商們提供65納米ASIC產(chǎn)品的時(shí)間和性能來(lái)衡量供應(yīng)商。漏電流形式的能量損耗是一個(gè)很難對(duì)付的問(wèn)題，而用戶希望知道供應(yīng)商如何解決這個(gè)棘手的問(wèn)題。
COT模式與ASIC模式
系統(tǒng)設(shè)計(jì)者們一直在研究，從ASIC模式轉(zhuǎn)移到COT模式（顧客自有工具模式）是否能夠縮減他們的設(shè)計(jì)費(fèi)用。雖然某些公司在這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程是成功的，但是其它公司認(rèn)為COT模式并不是一種好的選擇。采用這種方式，必須在設(shè)計(jì)工具和基礎(chǔ)設(shè)施方面進(jìn)行重大的前期投資，這對(duì)很多公司來(lái)說(shuō)數(shù)目太大了。那些成功的轉(zhuǎn)變成COT模式的企業(yè)通常都是做很多設(shè)計(jì)的大公司。圖二展示了根據(jù)我們的系統(tǒng)設(shè)計(jì)者調(diào)查得出的設(shè)計(jì)商業(yè)模式的概況。最新的結(jié)果表明，COT保有了一定的市場(chǎng)份額。某些系統(tǒng)設(shè)計(jì)者希望通過(guò)預(yù)先在設(shè)計(jì)室布線布局，然后送到工廠制造這種方式來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)速度。為應(yīng)對(duì)這種潮流，ASIC供應(yīng)商為布局布線的速度優(yōu)化花費(fèi)了額外的時(shí)間，但是他們也因?yàn)檫@項(xiàng)新服務(wù)增加了費(fèi)用。
    風(fēng)險(xiǎn)是選擇COT模式或ASIC模式供應(yīng)商的關(guān)鍵因素。在COT流程中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者承擔(dān)保證設(shè)計(jì)能工作和及時(shí)完成的全部責(zé)任。而在ASIC流程中，這些是由ASIC供應(yīng)商確保?？紤]到如果某個(gè)設(shè)計(jì)不工作，而要重新檢查設(shè)計(jì)的高額費(fèi)用和由于當(dāng)前越來(lái)越短的系統(tǒng)生命周期而失去潛在市場(chǎng)份額的損失，這就會(huì)是一個(gè)重大事情。此外，因?yàn)楝F(xiàn)在的130納米和90納米的設(shè)計(jì)復(fù)雜性越來(lái)越大，一些提供專用標(biāo)準(zhǔn)電路（ASSP）公司開始從COT模式轉(zhuǎn)移到ASIC模式。
設(shè)計(jì)服務(wù)
設(shè)計(jì)服務(wù)有很多方式。參與服務(wù)的公司有一些大公司，例如IBM，它能購(gòu)提供從封裝到設(shè)計(jì)和生產(chǎn)最終產(chǎn)品芯片的全套服務(wù)，在臺(tái)灣地區(qū)和中國(guó)大陸還有許多小作坊似的設(shè)計(jì)服務(wù)公司。IBM是最近大規(guī)模加入設(shè)計(jì)服務(wù)的大公司之一。IBM把提供設(shè)計(jì)服務(wù)作為提供ASIC和生產(chǎn)服務(wù)之外吸引新的顧客的一個(gè)渠道，使顧客可以從IBM深厚的設(shè)計(jì)技術(shù)中獲益。其它公司，如印度的Wipro公司已經(jīng)在提供相當(dāng)規(guī)模的商業(yè)設(shè)計(jì)服務(wù)支持。
在亞太地區(qū)，各種類型的設(shè)計(jì)公司數(shù)量正在增長(zhǎng)。從聯(lián)華電子分離出來(lái)的Faraday公司是最大的公司之一，它已經(jīng)獲得了數(shù)以百計(jì)的新的ASIC設(shè)計(jì)并在聯(lián)華電子的工廠里生產(chǎn)。許多小的設(shè)計(jì)店分布在臺(tái)灣地區(qū)、韓國(guó)和中國(guó)大陸，它們獲得一定數(shù)量的、來(lái)自區(qū)域市場(chǎng)的小型ASIC設(shè)計(jì)項(xiàng)目并在代工廠里生產(chǎn)。

圖二 ASIC商業(yè)模式
 
封裝內(nèi)系統(tǒng)（SIP）
SIP是能改變ASIC和電子工業(yè)的一種趨勢(shì)。SIP已經(jīng)到了成熟期，因而系統(tǒng)設(shè)計(jì)者通過(guò)使用這項(xiàng)技術(shù)可以降低整個(gè)系統(tǒng)費(fèi)用。SIP的概念是把多片芯片封裝在一塊制作在一起的快速基片上，然后將其安裝在印刷電路板上。SIP的另一種形式是硅模堆疊，即把一種類型的芯片堆疊在另一種芯片上，再把相應(yīng)的引腳連接起來(lái)。SIP能與ASIC器件同時(shí)使用，也能替代ASIC器件。例如，ASIC芯片可以安裝在基片上，與閃存或者DRAM堆疊在一起，形成整個(gè)SIP。而另一種情況是，SIP又可以替代ASIC。例如，把通用芯片，如微處理器、模擬器件和存儲(chǔ)器等，組合封裝在一起構(gòu)成SIP，從而替代了片上系統(tǒng)ASIC。
SIP并不是一個(gè)新概念，它和已經(jīng)應(yīng)用多年的多芯片模組（MCMs）幾乎是同一概念。實(shí)際的區(qū)別在于SIP技術(shù)使用了一個(gè)種非?？斓幕?，在MCM時(shí)代尚無(wú)這種基片。MCM技術(shù)不是很成功，因?yàn)樗\(yùn)行速度太慢，而且當(dāng)時(shí)沒(méi)有真正可以降低成本的大批量生產(chǎn)的驅(qū)動(dòng)力。
SIP技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)成熟，其成本也因?yàn)樵谑謾C(jī)上這個(gè)世界上批量最大的應(yīng)用而大大下降。SIP在基帶手機(jī)芯片上得到使用。它也在很多新應(yīng)用中被采用，其中包括存儲(chǔ)和有線通訊。
ASIC是最先集成到SIP中的產(chǎn)品類型之一。我們希望更好的了解到底有多少ASIC已經(jīng)集成到SIP中，因此讓調(diào)查回應(yīng)者對(duì)此進(jìn)行投票。圖三顯示了基于單元的IC設(shè)計(jì)開始集成到SIP中的百分比。根據(jù)回應(yīng)者的投票結(jié)果，在2003年有大約10%的基于單元的IC啟動(dòng)集成到SIP中。很明顯，SIP將是Gartner Dataquest公司接下來(lái)幾年觀察和報(bào)道的重要方面。

圖三
封裝內(nèi)系統(tǒng)——基于單元的IC啟動(dòng)設(shè)計(jì)
 
ASIC核心組件和嵌入特征
隨著所有的生產(chǎn)工藝升級(jí)換代，邏輯門數(shù)量急劇增加，這使得設(shè)計(jì)者們開始尋求使用新的設(shè)計(jì)方式。在過(guò)去的十年里，不斷增加使用IP核和芯片上存儲(chǔ)器已經(jīng)成為一種潮流。目前存儲(chǔ)器已經(jīng)占到設(shè)計(jì)的大約三分之一芯片面積，而且預(yù)計(jì)在接下來(lái)的五年里將增長(zhǎng)到占一半以上芯片面積。
圖四比較了門陣列和基于單元的IC設(shè)計(jì)的核心組件。門陣列設(shè)計(jì)一般有更多的邏輯線路，而基于單元的IC有更多的模擬器件和嵌入式IP核。

圖四
2003年度對(duì)ASIC啟動(dòng)設(shè)計(jì)核心組件的估計(jì)
 
存儲(chǔ)器趨勢(shì)
對(duì)片上存儲(chǔ)器的需求促使設(shè)計(jì)者們按照速度和密度的標(biāo)準(zhǔn)探索更多新類型存儲(chǔ)器。靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（SRAM）已經(jīng)出現(xiàn)很多年，也是目前最流行的存儲(chǔ)器類型。嵌入式動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（DRAM）在幾年前出現(xiàn)，但是其在工業(yè)界沒(méi)有一個(gè)好的開頭，因?yàn)閱纹珼RAM價(jià)格下降，因而由于這種費(fèi)用差異問(wèn)題用戶們沒(méi)能及時(shí)采用嵌入式DRAM?，F(xiàn)在嵌入式DRAM重新引起人們的興趣，并且已經(jīng)開始在某些方面得到大批量應(yīng)用。Sony在其開發(fā)的游戲機(jī)上的圖像處理部分引入了嵌入式DRAM，這是嵌入式DRAM ASIC最大規(guī)模應(yīng)用之一。Cisco公司在它的一型低端路由器中使用了嵌入式DRAM ASIC，而這種路由器生產(chǎn)量正在大幅度增長(zhǎng)。IBM公司為Cisco公司制造嵌入式DRAM ASIC，而且它聲稱現(xiàn)在新的0.13微米ASIC設(shè)計(jì)大約三分之一包含嵌入式DRAM。嵌入式DRAM也正在一些消費(fèi)應(yīng)用中出現(xiàn)，其中包括數(shù)碼攝像機(jī)和等離子顯示器。
東芝、NEC和三星也開始看好嵌入式DRAM ASIC?，F(xiàn)在正是嵌入式DRAM ASIC被市場(chǎng)認(rèn)可的恰當(dāng)時(shí)機(jī)。這種市場(chǎng)接受度的增強(qiáng)是建立在1T-SRAM的損失上。圖五顯示了根據(jù)調(diào)查回應(yīng)者的投票得出的在基于單元的IC設(shè)計(jì)方面對(duì)嵌入式DRAM的需求情況。根據(jù)調(diào)查回應(yīng)者的信息，嵌入式閃存將有穩(wěn)定的需求增長(zhǎng)，但是如圖五所示，由于SIP的出現(xiàn)這種需求并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。很多系統(tǒng)設(shè)計(jì)者發(fā)現(xiàn)，使用SIP，把通用閃存安裝到ASIC上的方式要便宜得多。

圖五
對(duì)嵌入式存儲(chǔ)器的預(yù)期需求——基于單元的IC啟動(dòng)設(shè)計(jì)
 
標(biāo)準(zhǔn)接口
當(dāng)前接口已經(jīng)成為ASIC設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵部分。考慮到工業(yè)中存在多種不同的標(biāo)準(zhǔn)接口，我們需要詢問(wèn)用戶他們正在和計(jì)劃使用哪一種接口。圖六顯示了在ASIC設(shè)計(jì)中使用的標(biāo)準(zhǔn)接口。
關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)接口調(diào)查結(jié)果的關(guān)鍵內(nèi)容如下：
-2003年SPI-4.1和SPI-4.2使用的增加意味著在通信線路卡上標(biāo)準(zhǔn)接口應(yīng)用增長(zhǎng)，使得專用和基于專用標(biāo)準(zhǔn)電路功能的結(jié)合更加靈活。
-XAUI的增長(zhǎng)是由于它在高速底板的應(yīng)用和企業(yè)轉(zhuǎn)換中心10Gbps以太網(wǎng)的出現(xiàn)。
-XFI還處于發(fā)展初期，它將與10Gbps XFP收發(fā)器模塊同期發(fā)展。
-通訊系統(tǒng)中標(biāo)準(zhǔn)接口的使用便利了設(shè)計(jì)中ASIC和ASSP組件間的通用性。

圖六
標(biāo)準(zhǔn)接口—ASIC啟動(dòng)設(shè)計(jì)
 
Gartner Dataquest公司的預(yù)測(cè)
設(shè)計(jì)者們聲稱他們會(huì)使用先進(jìn)技術(shù)，但是其前提是價(jià)格要低。費(fèi)用仍然是最重要的，但是電子工業(yè)在周期性地運(yùn)行，而重點(diǎn)會(huì)在控制成本和采用更先進(jìn)技術(shù)之間擺動(dòng)?，F(xiàn)在電子工業(yè)正從最低點(diǎn)，即控制成本作為主要目標(biāo)，向更好的時(shí)期發(fā)展。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者們將冒險(xiǎn)采用先進(jìn)技術(shù)來(lái)差異化他們的產(chǎn)品。接下來(lái)的兩年是令提供先進(jìn)技術(shù)的公司激動(dòng)的兩年。