嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計應(yīng)關(guān)注MPW

SoC是各種類型嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的方向。長期以來，資金、批量因素一直制約著中小企業(yè)、研究機構(gòu)、高等院校等部門直接采用微電子設(shè)計技術(shù)，運用ASIC模式進行嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)；然而，嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計與微電子設(shè)計相融合已是一個技術(shù)發(fā)展趨勢。為了解決這一瓶頸，國外從上世紀80年代初即開始實施了MPW服務(wù)計劃與體系。MPW服務(wù)計劃的實施大大加速了IC產(chǎn)業(yè)和嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的發(fā)展。許多專家認為，我國IC產(chǎn)業(yè)、IC設(shè)計、ASIC應(yīng)用長期落后，與我國長期以來忽視MPW服務(wù)計劃與體系有關(guān)。可喜的是，近年來政府部門及相關(guān)單位己重視此問題，MPW服務(wù)體系建設(shè)研究已正式列入國家863計劃，初步建立了幾家MPW服務(wù)中心。MPW服務(wù)體系對我國IC產(chǎn)業(yè)的發(fā)展勢頭已開始顯現(xiàn)。

1 MPW服務(wù)概述

1.1 什么是MPW服務(wù)

　　在集成電路開發(fā)階段，為了檢驗開發(fā)是否成功，必須進行工程流片。通常流片時至少需要6~12片晶圓片，制造出的芯片達上千片，遠遠超出設(shè)計檢驗要求；一旦設(shè)計存在問題，就會造成芯片大量報廢，而且一次流片費用也不是中小企業(yè)和研究單位所能承受的。多項目晶圓MPW（Multi-Project Wafer）就是將多個相同工藝的集成電路設(shè)計在同一個晶圓片上流片，流片后每個設(shè)計項目可獲得數(shù)十個芯片樣品，既能滿足實驗需要，所需實驗費用也由參與MPW流片的所有項目分攤，大大降低了中小企業(yè)介入集成電路設(shè)計的門檻。

1.2 MPW的需求與背景

　　上世紀80年代后，集成電路加工技術(shù)飛速發(fā)展，集成電路設(shè)計成了IC產(chǎn)業(yè)的瓶頸，迫切要求集成電路設(shè)計跟上加工技術(shù)；隨著集成電路應(yīng)用的普及，集成知識越來越復雜，并向系統(tǒng)靠近，迫切要求系統(tǒng)設(shè)計人員參與集成電路設(shè)計；為了全面提升電子產(chǎn)品的品質(zhì)與縮短開發(fā)周期，許多整機公司和研究機構(gòu)紛紛從事集成電路設(shè)計。因此，大面積、多角度培養(yǎng)集成電路設(shè)計人才迫在眉睫，而集成電路設(shè)計的巨額費用成為重要制約因素。

實施MPW技術(shù)服務(wù)必須有強有力的服務(wù)機構(gòu)、設(shè)計部門和IC生產(chǎn)線。

1.3 MPW服務(wù)機構(gòu)的任務(wù)

　　① 建立IC設(shè)計與電路系統(tǒng)設(shè)計之間的簡便接口，以便于系統(tǒng)設(shè)計人員能夠直接使用各種先進的集成電路加工技術(shù)實現(xiàn)其設(shè)計構(gòu)想，并以最快的速度轉(zhuǎn)化成實際樣品。

　?、?組織多項目流片，大幅度減少IC設(shè)計、加工費用。

　?、?不斷擴大服務(wù)范圍：從提供設(shè)計環(huán)境、承擔部分設(shè)計，到承擔全部設(shè)計、樣片生產(chǎn)，以幫助集成電路用戶或開發(fā)方完成設(shè)計項目。

　?、?幫助中小企業(yè)實現(xiàn)小批量集成電路的委托設(shè)計、生產(chǎn)任務(wù)。

　　⑤ 支持與促進學校集成電路的設(shè)計與人才培養(yǎng)。

1.4 MPW技術(shù)簡介

　?。?）項目啟動階段

　　MPW組織者首先根據(jù)市場需要，確定每次流片的技術(shù)參數(shù)、IC工藝參數(shù)、電路類型、芯片尺寸等。設(shè)計時的工藝文件：工藝文件由MPW組織者向Foundry（代工廠）索取，然后再由設(shè)計單位向MPW組織者索取。提交工藝文件時，雙方都要簽署保密協(xié)議。

　　（2）IP核的使用

　　參加MPW的項目可使用組織者或Foundry提供的IP核，其中軟核在設(shè)計時提供，硬核在數(shù)據(jù)匯總到MPW組織者或Foundry處理后再進行嵌入。

　?。?）設(shè)計驗證

　　所有參加MPW的項目匯總到組織者后，由組織者負責對設(shè)計的再次驗證。驗證成功后，由MPW組織者將所有項目版圖綜合成最終版圖交掩膜版制版廠，開始流片過程。

　?。?）流片收費

　　每個項目芯片價格按所占Block的大小而非芯片實際大小計算。流片完成后，MPW組織者向每個項目提供10~20片裸片。需封裝、測試則另收費。

2 國外MPW公共技術(shù)平臺與公共技術(shù)服務(wù)狀況

（1）MPW服務(wù)機構(gòu)創(chuàng)意

　　1980年，美國防部軍用先進研究項目管理局(DARPA)建立了非贏利的MPW加工服務(wù)機構(gòu)，即MOS電路設(shè)計的實現(xiàn)服務(wù)機構(gòu)MOSIS（MOS Implementation System）服務(wù)機構(gòu)，為其下屬研究部門所設(shè)計的各種集成電路尋找一種費用低廉的樣品制作途徑。MPW服務(wù)機構(gòu)與方式的思路應(yīng)運而生。加工服務(wù)內(nèi)容：從初期的晶圓加工到后續(xù)增加的封裝、測試、芯片設(shè)計。

（2）MOSIS機構(gòu)的發(fā)展

　　考慮到MPW服務(wù)的技術(shù)性，1981年MOSIS委托南加州大學管理。在IC產(chǎn)業(yè)劇烈的國際競爭環(huán)境下，培養(yǎng)集成電路設(shè)計人才迫在眉睫。1985年，美國國家科學基金會NSF支持MOSIS，并和DARPA達成協(xié)議，將MPW服務(wù)對象擴大到各大學的VLSI設(shè)計的教學活動;1986年以后在產(chǎn)業(yè)界的支持下，將MPW服務(wù)擴大到產(chǎn)業(yè)部門尤其是中小型IC設(shè)計企業(yè)；1995年以后，MOSIS開始為國外的大學、研究機構(gòu)以及商業(yè)部門服務(wù)。服務(wù)收費：國內(nèi)大學教學服務(wù)免費，公司服務(wù)收費，國外大學優(yōu)惠條件收費，國外公司收費較國內(nèi)公司要高。

（3）其它國家的MPW服務(wù)機構(gòu)

　　法國：1981年建立了CMP(Circuit Multi Projects)服務(wù)機構(gòu)，發(fā)展迅速，規(guī)模與MOSIS接近，對國外服務(wù)也十分熱心。1981年至今，已為60個國家的400個研究機構(gòu)和130家大學提供了服務(wù)，超過2500個課題參加了流片。1990年以前，CMP的服務(wù)對象主要是大學與研究所，1990年開始為中小企業(yè)提供小批量生產(chǎn)的MPW服務(wù)。由于小批量客戶的不斷增加，2001年的利潤比2000年增加了30%。

歐盟：歐盟于1995年建立了有許多設(shè)計公司加盟的EUROPRACTICE的MPW服務(wù)機構(gòu)，旨在向歐洲各公司提供先進的ASIC、多芯片模塊（MCM）和SoC解決方案，以提高它們在全球市場的競爭地位。EUROPRACTICE采取了"一步到位解決方案"的服務(wù)方式，用戶只要與任何一家加盟EUROPRACTICE的設(shè)計公司聯(lián)系，就可以由該公司負責與CAD廠商、單元庫公司、代工廠、封裝公司和測試公司聯(lián)系處理全部服務(wù)事項。

　　加拿大：1984年成立了政府與工業(yè)界支持的非贏利性MPW服務(wù)機構(gòu)CMC(Canadian Microelectronics Corporation)聯(lián)盟，是加拿大微電子戰(zhàn)略聯(lián)盟(Strategic Microelectronics Consortium)的一部分。目前，CMC的成員包括44所大學和25家企業(yè)。CMC的服務(wù)包括：提供設(shè)計方法和其它產(chǎn)品服務(wù)，提高成員的設(shè)計水平；提供先進的制造工藝，確保客戶的設(shè)計質(zhì)量；提供技術(shù)及工藝的培訓。

　　日本：1996年依托東京大學建立了VLSI設(shè)計與教育中心VDEC(VLSI Design and Education Center)，開展MPC（Multi-Project Chip）服務(wù)。VDEC的目標是不斷提高日本高校VLSI設(shè)計課程教育水平和集成電路制造的支持力度。2001年，共有43所大學的99位教授或研究小組通過VDEC的服務(wù)，完成了335個芯片的設(shè)計與制造。VDEC與主要EDA供應(yīng)商都簽有協(xié)議，每個EDA工具都擁有500~1000個license；需要時，這些license都可向最終用戶開放。VDEC還對外提供第三方IP的使用，同時，VDEC本身也在從事IP研究。

　　韓國：1995年，在韓國先進科學技術(shù)研究院(Korea Advanced Institute of Science and Technology)內(nèi)建立了集成電路設(shè)計教育中心IDEC(IC Design Education Center)。

可以看出，世界各先進國家都認識到IC產(chǎn)業(yè)在未來世界經(jīng)濟發(fā)展中的重要地位，在IC加工技術(shù)發(fā)展到一定階段后，抓住了IC產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展的關(guān)鍵；在IC應(yīng)用層面上普及IC設(shè)計技術(shù)和大力降低IC設(shè)計、制造費用，并及時建立有效的MPW服務(wù)機構(gòu)，使IC產(chǎn)業(yè)進入了飛速發(fā)展期?？v觀各國MPW服務(wù)機構(gòu)不盡相同，但都具有以下特點：

　　① 政府與產(chǎn)業(yè)界支持的非贏利機構(gòu)；

　?、?開放性機構(gòu)，主要為高等學校、研究機構(gòu)、中小企業(yè)服務(wù)；

　?、?提供先進的IC設(shè)計與制造技術(shù)，保證設(shè)計出的芯片具有先進性與商業(yè)價值；

　?、?提供IC設(shè)計與制造技術(shù)的全程服務(wù)。

3 我國MPW現(xiàn)狀

　　我國大陸地區(qū)從上世紀80年代后半期開始進入MPW加工服務(wù)，從早期利用國外的MPW加工服務(wù)機構(gòu)到民間微電子設(shè)計、加工的相關(guān)企業(yè)、學校聯(lián)合的MPW服務(wù)，到近期政府、企業(yè)介入后的MPW公共服務(wù)體系的建設(shè)，開始顯露了較好的發(fā)展勢頭。

3.1 與國外MPW加工服務(wù)機構(gòu)合作

　　1986年，北京華大與武漢郵科院合作利用德國的服務(wù)機構(gòu)，免費進行了光纖二、三次群芯片組的樣品制作，使武漢郵科院的通信產(chǎn)品得以更新?lián)Q代。此后，上海交大、復旦、南京東南大學、北京大學、清華大學、哈爾濱工業(yè)大學都從國外的MPW加工服務(wù)中獲益匪淺。東南大學利用美國MOSIS機構(gòu)的MPW加工服務(wù)，采用0.25和0.35 m的模數(shù)混合電路工藝進行了射頻和高速電路的實驗流片。

在與國外MPW服務(wù)機構(gòu)的合作方面，東南大學射頻與光電子集成電路研究所取得顯著成果。建所初期就與美國MOSIS、法國CMP建立合作關(guān)系。1998年以境外教育機構(gòu)身份正式加入MOSIS，同年，利用MOSIS提供的臺灣半導體公司的CMOS工藝設(shè)計規(guī)則、模型及設(shè)計資料開發(fā)了基于Cadence軟件設(shè)計環(huán)境的高速、射頻集成電路，完成了5批0.35m、3批0.25m CMOS工藝共40多個電路的設(shè)計與制造，取得了許多國內(nèi)領(lǐng)先、世界先進水平成果。2000年東南大學射光所還與法國的CMP組織正式簽訂了合作協(xié)議。

　　為了推動大陸的MPW服務(wù)，射光所從2000年開始利用美國MOSIS機構(gòu)為國內(nèi)客戶服務(wù)，建立了MPW服務(wù)網(wǎng)頁，向公眾及時發(fā)布流片時間及加入MPW的流程和手續(xù)。2001年，射光所通過MOSIS利用TSMC的0.35和0.25m CMOS工藝為清華大學、信息產(chǎn)業(yè)部第13所、南通工學院完成了3批10多個芯片的設(shè)計制造。目前，10多個高校、研究機構(gòu)、企業(yè)成為射光所MPW成員。

3.2 高校、企業(yè)、研究機構(gòu)合作實現(xiàn)MPW服務(wù)

　　90年代，上海復旦大學開始著手建立國內(nèi)MPW加工服務(wù)機構(gòu)；1995年，無錫上華微電子公司開始承擔MPW加工服務(wù)，并于1996年組織了第一次MPW流片；1997年至1999年在上海市政府的支持下，連續(xù)組織了6次MPW流片，參加項目有82個；2000年受國家火炬計劃、上海集成電路設(shè)計產(chǎn)業(yè)化基地、上海市科委及上海集成電路設(shè)計研究中心委托又組織了3次35個項目的MPW流片。清華大學與無錫上華合作，針對上華工藝，開發(fā)了0.6m單元庫，開始了MPW加工服務(wù)，并將校內(nèi)的工藝線用于MPW加工服務(wù)。近年來，在863 VLSI重大項目規(guī)劃指引下，在上海、北京、深圳、杭州等地陸續(xù)成立了集成電路產(chǎn)業(yè)化基地，進一步推動了MPW加工服務(wù)的開展。清華大學從2000年開始，利用上華0.6m CMOS工藝為本校以及浙江大學、合肥工業(yè)大學組織了4次MPW流片，總共實現(xiàn)了106項設(shè)計；上海集成電路設(shè)計研究中心與復旦大學，于2001年利用上華1.0和0.6m CMOS工藝和TSMC的0.3m CMOS工藝，為產(chǎn)業(yè)界、教育界進行了8次MPW流片，實現(xiàn)了109個設(shè)計項目。

　　隨著中國半導體工業(yè)飛速發(fā)展，將會在更多的先進工藝生產(chǎn)線為MPW提供加工服務(wù)，許多境外的半導體公司也在積極支持我國的MPW加工服務(wù)。隨著上海、北京多條具有國際先進水平的深亞微米CMOS工藝線的建成，國家級的MPW計劃會得到飛速發(fā)展。

3.3 臺灣地區(qū)的MPW加工服務(wù)

　　1992年在臺灣科學委員會的支持下，成立了集成電路設(shè)計和系統(tǒng)設(shè)計研究中心CIC。其目的是對大專院校的集成電路/系統(tǒng)設(shè)計提供MPW服務(wù)，對集成電路/系統(tǒng)設(shè)計人員進行培訓，并推動產(chǎn)業(yè)界與學院的合作研究項目。到目前為止，CIC已為超過100家的臺灣院校提供了MPW服務(wù)，總計有3909個IC項目流片成功，其中，76家大專院校有3423項，40多家研究所和產(chǎn)業(yè)界有486項。在EDA工具方面，有多家的IC/SYSTEM設(shè)計工具已運用在MPW的設(shè)計流程中。到目前為止，已有91家大專院校安裝了14 100多個EDA工具的許可證，另外，0.6m 1P3M CMOS、0.35m1P4M CMOS、0.25 m1P5M CMOS和0.18m1P6M CMOS的標準單元庫已開始使用。除了常規(guī)MPW服務(wù)，CIC還向大專院校提供培訓：2001年有7000人次，每年還有2次為產(chǎn)業(yè)界提供的高級培訓。

　　臺灣積體電路制造股份公司（臺積公司：TSMC）從1998年提供MPW服務(wù)，成為全球IC設(shè)計的重要伙伴。2000年以來臺積公司提供了100多次MPW服務(wù)，并完成了1000個以上IC芯片項目的研制。目前，臺積公司已分別與上海集成電路設(shè)計研究中心、北京大學微處理器研究開發(fā)中心合作，提供MPW服務(wù)。

4 我國大陸地區(qū)MPW服務(wù)基地的建設(shè)

　　由于大陸地區(qū)原有微電子研究機構(gòu)的歷史配置，在進入基于MPW服務(wù)方式后，這些研究機構(gòu)先后都介入了IC設(shè)計的MPW服務(wù)領(lǐng)域，并開始建立相應(yīng)的MPW服務(wù)基地。

4.1 上海復旦大學與集成電路設(shè)計研究中心（ICC）

　　上海復旦大學專用集成電路與系統(tǒng)國家重點實驗室在上海市政府支持下，于1997年成立了"上海集成電路設(shè)計教育服務(wù)中心"。主要任務(wù)是IC設(shè)計人才培養(yǎng)和組織MPW服務(wù)。1997~1999年組織了6次MPW流片。2000~2001年上海市科委設(shè)立"上海多項目晶圓支援計劃"，把開展MPW列為國家集成電路設(shè)計上海產(chǎn)業(yè)化基地的重點工作。在市科委組織下，復旦大學專用集成電路與系統(tǒng)國家重點實驗室與ICC實現(xiàn)強強聯(lián)合，面向全國，于2000年組織了3次、2001年組織了5次MPW流片。ICC于2001年底正式與TSMC達成合作協(xié)議，開展0.35m MPW流片服務(wù)。2002年與中芯國際集成電路制造（上海）有限公司（SMIC）合作推出本土0.35m及以下工藝的MPW流片服務(wù)。從ICC設(shè)立的網(wǎng)站(www.icc.sh.cn) 可了解MPW最新動態(tài)和幾乎所有的MPW服務(wù)信息。

4.2 南京東南大學射頻與光電子集成電路研究所

　　1998年，南京東南大學射光所以境外教育機構(gòu)的身份正式加入美國MOSIS，并簽訂有關(guān)協(xié)議，由此可獲得多種工藝流片服務(wù)。2000年5月與法國的CMP簽訂了合作協(xié)議。1999年底受教育部委托，舉辦了"無生產(chǎn)線集成電路設(shè)計技術(shù)"高級研討班。從2000年開始建立了MPW服務(wù)網(wǎng)頁，通過網(wǎng)頁向公眾公布流片時間及加入MPW的流程和手續(xù)，目前，高速數(shù)字射頻和光電芯片測試系統(tǒng)已開始運行，準備為全國超高速數(shù)字、射頻和光電芯片研究提供技術(shù)支持，有許多高校、研究單位、公司已成為射光所MPW成員。

4.3 國家集成電路設(shè)計產(chǎn)業(yè)化（北京）基地MPW加工服務(wù)中心

　　在北京市政府的支持與直接參與下建立了"北京集成電路設(shè)計園有限責任公司"。正在建設(shè)中的國家集成電路設(shè)計產(chǎn)業(yè)化（北京）基地MPW加工服務(wù)中心由北京華興微電子有限公司為承擔單位，聯(lián)合清華大學、北京大學共同建設(shè)。

4.4 北方微電子產(chǎn)業(yè)基地TSMC MPW技術(shù)服務(wù)中心

　　北京大學微處理器研究開發(fā)中心（MPRC）與臺灣積體電路制造股份有限公司（TSMC）合作開展面向大陸地區(qū)的MPW服務(wù)，2001年受北方微電子產(chǎn)業(yè)基地領(lǐng)導小組辦公室委托，正式成為面向TSMC的目標工藝為0.25m以下的MPW服務(wù)中心。目前，MPRC與大陸清華大學、浙江大學、臺灣新竹清華大學、新竹交通大學、美國加利福尼亞大學洛杉磯分校（UCLA）、圣巴拉分校聯(lián)合成立了"國際系統(tǒng)芯片研究中心"。在面向TSMC的MPW服務(wù)中，MPRC與上海IIC、浙江大學超大規(guī)模集成電路設(shè)計研究所、東南大學國家專用集成電路系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心、哈爾濱工業(yè)大學微電子中心、上海集成電路設(shè)計研究中心、中國電子科技大學合作建立輻射全國的MPW服務(wù)網(wǎng)。截止到2002年4月已有8家15個設(shè)計項目正式選擇TSMC 0.25m工藝的MPW服務(wù)。

5 中國大陸IC產(chǎn)業(yè)的未來

5.1 搶占國內(nèi)市場份額

　　上半世紀90年代，一種無加工線（Fabless）的IC設(shè)計模式在美國蓬勃興起。許多IC設(shè)計公司和著名的代工廠（Foundry）如TSMC、UMC進行了成功的合作，Xilinx和Altera就是其中的典范。2000年中國大陸市場消費的150億美元的集成電路中，只有7%為中國大陸制造，而未來5年中，中國大陸將有10條先進的晶圓生產(chǎn)線建成。因此，產(chǎn)生了IC設(shè)計與生產(chǎn)線能力的巨大矛盾。可喜的是，國際上為解決這一矛盾探索了許多成功的經(jīng)驗，并建立了許多國際性的服務(wù)機構(gòu)。我國許多高校、研究機構(gòu)介入其中也取得了寶貴的經(jīng)驗。目前，大陸建設(shè)的晶圓生產(chǎn)線工藝可以滿足當前大多數(shù)高產(chǎn)量的消費類、通信類集成電路要求，只要抓住當前機遇，充分利用境外可以獲得的一切MPW服務(wù)資源，大力培育本土MPW技術(shù)平臺，搶占國內(nèi)市場份額是大有希望的。

5.2 努力趕上世界先進水平

　　目前，隨著國際上IC產(chǎn)業(yè)的迅速膨脹，一些先進的服務(wù)機構(gòu)和技術(shù)平臺也逐漸向我國大陸開放，加上政府的大力倡導與支持，如果能遵循IC產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)律，充分利用一切可利用的先進技術(shù)和服務(wù)管理模式，就有可能以最短的時間趕上世界先進水平。

① 走MPW平臺捷徑：MPW服務(wù)機構(gòu)運作方式已很成熟，這里有成熟的工藝、低廉的成本、經(jīng)過實踐驗證的IP和經(jīng)驗豐富的MPW供應(yīng)商，可以在較高的基礎(chǔ)上起步。

② 力爭世界級SoC IP平臺技術(shù)支持，包括工藝完美的設(shè)計、良好的EDA工具和IP庫、先進的代工廠支持、豐富的驗證實例以及SoC IP平臺免費或廉價使用。例如，北京大學的MPRC已與美國著名的工藝庫提供商Artisan達成協(xié)議，MPRC作為國內(nèi)Artisan面向TSMC 0.25m以下的工藝庫提供者，將無償為大陸地區(qū)的設(shè)計人員服務(wù)。目前，MPRC已獲得該公司提供的TSMC 0.25m服務(wù)和0.18 m的完備工藝庫和相應(yīng)的存儲器生成器，可向大陸地區(qū)提供全程服務(wù)。

5.3 中小企業(yè)迅速融入MPW服務(wù)

　　上海矽創(chuàng)微電子有限公司是一家依靠MPW服務(wù)取得成功的小型企業(yè)。原先以0.6m CMOS工藝流片的費用為20萬元人民幣，其改版的重新流片費用也10萬元以上。2001年3月通過上海MPW支援單位--上海集成電路設(shè)計研究中心（ICC），一次投了4種樣片，總共花費不超過5萬元。目前他們已累計參加ICC組織的3批MPW服務(wù)，共試制了9種芯片，其中5個用于試制MCU開發(fā)版芯片，2個用于實際產(chǎn)品，1個用于驗證模塊，1個用于小批量生產(chǎn)，每個芯片都達到了預(yù)期效果。同時，企業(yè)可以通過低廉的MPW方式形成企業(yè)的IP庫，進一步降低IC設(shè)計的風險性。

　　我國嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)中，有許多中小企業(yè)，不乏有出眾的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計人才，借助MPW服務(wù)平臺，以SoC模式，迅速提高我國嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)水平。

本文參考《中國集成電路》2002年第6期MPW專輯綜合而成。