系統設計調查：ASIC重點

System Design Survey: ASIC Highlights

摘要：系統設計人員在探索具有新的應用特點的IC經營模式時，最主要關心的還是價格。

戰略需求陳述：
由于未來兩年，市場條件將得到改進，先進技術研發路線圖的重要性將得到增加。封裝內系統（SIP）和嵌入式DRAM ASIC在未來2到5年內將成為主流技術。

研究目標
為使電子系統更進一步接近單芯片解決方案，設計者們對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、更大的存儲器和內核庫，所有指標都在向高處發展，工程師們把越來越多的系統設計任務要求交給他們的半導體合作者。
    出于量化這些要求的目的，Gartner Dataquest公司對系統設計者們進行了一次網上調查。這項廣泛的研究的目的是確認系統提供商們當前和未來的需求，以作為開發下一代ASIC和PLD產品的指南。調查中最受關注的ASIC也在這個遠景展望里得到評定。更多的細節信息可以參考《關于未來ASIC和FPGA設計的技術路線圖》SCSI-WW-UW-0002。

調查方式
Gartner Dataquest公司最近完成2003年度的網上系統設計調查。最終用戶通過一系列方式來進行確認，其中包括過去調查回應者數據庫和工程期刊訂戶。有4萬多份調查問卷通過電子方式分發到全球。最終將近300份完整的調查答卷得到回收。
調查答卷的回收和處理是在2003年的第三和第四季度完成。收集的數據主要來自系統設計工程師、集成電路設計者和工程管理人員，這三者占到有效答卷的三分之二以上。

主要發現
在調查中，系統設計者們透露出很多重要的趨勢。這些趨勢將在未來驅動對ASIC、場可編程門陣列（FPGA）和片上系統（SOC）器件的需求。主要的ASIC和SOC方面的發現包括以下幾項：
    -隨著用戶開始面對設計90納米產品的挑戰，供應商技術路線圖已經變得越來越重要；
    -將近10%的回應者開始在基于單元的IC設計中使用封裝內系統(SIP)；
    -設計服務越來越趨向為區域市場服務，尤其是在亞洲環太平洋地區；
    -在ASIC和FPGA設計中，越來越多的使用處理器核，如PowerPC；
    -標準界面SPI-4.1 和 SPI-4.2與RapidIO互連架構和以太網連接單元接口（XAUI）的競爭激烈；
    -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供應商的關鍵因素
考慮到有眾多的變量和供應商，在目前的市場上選擇一家ASIC供應商需要很好的技巧。為對系統設計者們如何選擇ASIC供應商的問題有一個更好的了解，Gartner Dataquest公司讓他們對選擇ASIC供應商時考慮的各個因素進行重要性分級。圖一顯示了調查的結果，圖中1表示最不重要，7表示最重要。

圖一
選擇ASIC供應商的關鍵因素
 
因為有數以百計的電子自動設計（EDA）工具包為ASIC工業服務，因此在接下來的一年內用戶們認為與第三方工具有更好的集成就不足為奇了。EDA工業比較松散，因此最重要的是供應商們給予足夠的投資以支持最新的設計并確保這些工具在一個相互兼容的環境下工作。
用戶們傾向于和一系列ASIC供應商保持緊密的聯系，因為這是保證他們成功的必要因素。用戶會選擇那些在自己服務的縱向市場里有良好紀錄的供應商以及那些為用戶的目標市場提供特定的IP設計的供應商。單個器件費用與一次性投資對用戶來說總是很重要，因此他們對這些因素評分很高。與過去的調查結果比較，供應商擁有領先的技術路線圖的重要性大大提高。用戶根據供應商們提供65納米ASIC產品的時間和性能來衡量供應商。漏電流形式的能量損耗是一個很難對付的問題，而用戶希望知道供應商如何解決這個棘手的問題。
COT模式與ASIC模式
系統設計者們一直在研究，從ASIC模式轉移到COT模式（顧客自有工具模式）是否能夠縮減他們的設計費用。雖然某些公司在這個轉換過程是成功的，但是其它公司認為COT模式并不是一種好的選擇。采用這種方式，必須在設計工具和基礎設施方面進行重大的前期投資，這對很多公司來說數目太大了。那些成功的轉變成COT模式的企業通常都是做很多設計的大公司。圖二展示了根據我們的系統設計者調查得出的設計商業模式的概況。最新的結果表明，COT保有了一定的市場份額。某些系統設計者希望通過預先在設計室布線布局，然后送到工廠制造這種方式來優化設計速度。為應對這種潮流，ASIC供應商為布局布線的速度優化花費了額外的時間，但是他們也因為這項新服務增加了費用。
    風險是選擇COT模式或ASIC模式供應商的關鍵因素。在COT流程中，系統設計者承擔保證設計能工作和及時完成的全部責任。而在ASIC流程中，這些是由ASIC供應商確保。考慮到如果某個設計不工作，而要重新檢查設計的高額費用和由于當前越來越短的系統生命周期而失去潛在市場份額的損失，這就會是一個重大事情。此外，因為現在的130納米和90納米的設計復雜性越來越大，一些提供專用標準電路（ASSP）公司開始從COT模式轉移到ASIC模式。
設計服務
設計服務有很多方式。參與服務的公司有一些大公司，例如IBM，它能購提供從封裝到設計和生產最終產品芯片的全套服務，在臺灣地區和中國大陸還有許多小作坊似的設計服務公司。IBM是最近大規模加入設計服務的大公司之一。IBM把提供設計服務作為提供ASIC和生產服務之外吸引新的顧客的一個渠道，使顧客可以從IBM深厚的設計技術中獲益。其它公司，如印度的Wipro公司已經在提供相當規模的商業設計服務支持。
在亞太地區，各種類型的設計公司數量正在增長。從聯華電子分離出來的Faraday公司是最大的公司之一，它已經獲得了數以百計的新的ASIC設計并在聯華電子的工廠里生產。許多小的設計店分布在臺灣地區、韓國和中國大陸，它們獲得一定數量的、來自區域市場的小型ASIC設計項目并在代工廠里生產。

圖二 ASIC商業模式
 
封裝內系統（SIP）
SIP是能改變ASIC和電子工業的一種趨勢。SIP已經到了成熟期，因而系統設計者通過使用這項技術可以降低整個系統費用。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，再把相應的引腳連接起來。SIP能與ASIC器件同時使用，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、模擬器件和存儲器等，組合封裝在一起構成SIP，從而替代了片上系統ASIC。
SIP并不是一個新概念，它和已經應用多年的多芯片模組（MCMs）幾乎是同一概念。實際的區別在于SIP技術使用了一個種非常快的基片，在MCM時代尚無這種基片。MCM技術不是很成功，因為它運行速度太慢，而且當時沒有真正可以降低成本的大批量生產的驅動力。
SIP技術現在已經成熟，其成本也因為在手機上這個世界上批量最大的應用而大大下降。SIP在基帶手機芯片上得到使用。它也在很多新應用中被采用，其中包括存儲和有線通訊。
ASIC是最先集成到SIP中的產品類型之一。我們希望更好的了解到底有多少ASIC已經集成到SIP中，因此讓調查回應者對此進行投票。圖三顯示了基于單元的IC設計開始集成到SIP中的百分比。根據回應者的投票結果，在2003年有大約10%的基于單元的IC啟動集成到SIP中。很明顯，SIP將是Gartner Dataquest公司接下來幾年觀察和報道的重要方面。

圖三
封裝內系統——基于單元的IC啟動設計
 
ASIC核心組件和嵌入特征
隨著所有的生產工藝升級換代，邏輯門數量急劇增加，這使得設計者們開始尋求使用新的設計方式。在過去的十年里，不斷增加使用IP核和芯片上存儲器已經成為一種潮流。目前存儲器已經占到設計的大約三分之一芯片面積，而且預計在接下來的五年里將增長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設計的核心組件。門陣列設計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ASIC啟動設計核心組件的估計
 
存儲器趨勢
對片上存儲器的需求促使設計者們按照速度和密度的標準探索更多新類型存儲器。靜態隨機存取存儲器（SRAM）已經出現很多年，也是目前最流行的存儲器類型。嵌入式動態隨機存取存儲器（DRAM）在幾年前出現，但是其在工業界沒有一個好的開頭，因為單片DRAM價格下降，因而由于這種費用差異問題用戶們沒能及時采用嵌入式DRAM。現在嵌入式DRAM重新引起人們的興趣，并且已經開始在某些方面得到大批量應用。Sony在其開發的游戲機上的圖像處理部分引入了嵌入式DRAM，這是嵌入式DRAM ASIC最大規模應用之一。Cisco公司在它的一型低端路由器中使用了嵌入式DRAM ASIC，而這種路由器生產量正在大幅度增長。IBM公司為Cisco公司制造嵌入式DRAM ASIC，而且它聲稱現在新的0.13微米ASIC設計大約三分之一包含嵌入式DRAM。嵌入式DRAM也正在一些消費應用中出現，其中包括數碼攝像機和等離子顯示器。
東芝、NEC和三星也開始看好嵌入式DRAM ASIC。現在正是嵌入式DRAM ASIC被市場認可的恰當時機。這種市場接受度的增強是建立在1T-SRAM的損失上。圖五顯示了根據調查回應者的投票得出的在基于單元的IC設計方面對嵌入式DRAM的需求情況。根據調查回應者的信息，嵌入式閃存將有穩定的需求增長，但是如圖五所示，由于SIP的出現這種需求并沒有實現。很多系統設計者發現，使用SIP，把通用閃存安裝到ASIC上的方式要便宜得多。

圖五
對嵌入式存儲器的預期需求——基于單元的IC啟動設計
 
標準接口
當前接口已經成為ASIC設計的一個關鍵部分。考慮到工業中存在多種不同的標準接口，我們需要詢問用戶他們正在和計劃使用哪一種接口。圖六顯示了在ASIC設計中使用的標準接口。
關于標準接口調查結果的關鍵內容如下：
-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準接口應用增長，使得專用和基于專用標準電路功能的結合更加靈活。
-XAUI的增長是由于它在高速底板的應用和企業轉換中心10Gbps以太網的出現。
-XFI還處于發展初期，它將與10Gbps XFP收發器模塊同期發展。
-通訊系統中標準接口的使用便利了設計中ASIC和ASSP組件間的通用性。

圖六
標準接口—ASIC啟動設計
 
Gartner Dataquest公司的預測
設計者們聲稱他們會使用先進技術，但是其前提是價格要低。費用仍然是最重要的，但是電子工業在周期性地運行，而重點會在控制成本和采用更先進技術之間擺動。現在電子工業正從最低點，即控制成本作為主要目標，向更好的時期發展。系統設計者們將冒險采用先進技術來差異化他們的產品。接下來的兩年是令提供先進技術的公司激動的兩年。