系統設計調查：ASIC重點(diǎn)

System Design Survey: ASIC Highlights

摘要：系統設計人員在探索具有新的應用特點(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(xiàn)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(lái)2到5年內將成為主流技術(shù)。

研究目標
為使電子系統更進(jìn)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(fā)展，工程師們把越來(lái)越多的系統設計任務(wù)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(jìn)行了一次網(wǎng)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(lái)的需求，以作為開(kāi)發(fā)下一代ASIC和PLD產(chǎn)品的指南。調查中最受關(guān)注的ASIC也在這個(gè)遠景展望里得到評定。更多的細節信息可以參考《關(guān)于未來(lái)ASIC和FPGA設計的技術(shù)路線(xiàn)圖》SCSI-WW-UW-0002。

調查方式
Gartner Dataquest公司最近完成2003年度的網(wǎng)上系統設計調查。最終用戶(hù)通過(guò)一系列方式來(lái)進(jìn)行確認，其中包括過(guò)去調查回應者數據庫和工程期刊訂戶(hù)。有4萬(wàn)多份調查問(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(lái)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(fā)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(lái)驅動(dòng)對ASIC、場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）和片上系統（SOC）器件的需求。主要的ASIC和SOC方面的發(fā)現包括以下幾項：
    -隨著(zhù)用戶(hù)開(kāi)始面對設計90納米產(chǎn)品的挑戰，供應商技術(shù)路線(xiàn)圖已經(jīng)變得越來(lái)越重要；
    -將近10%的回應者開(kāi)始在基于單元的IC設計中使用封裝內系統(SIP)；
    -設計服務(wù)越來(lái)越趨向為區域市場(chǎng)服務(wù)，尤其是在亞洲環(huán)太平洋地區；
    -在A(yíng)SIC和FPGA設計中，越來(lái)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(wǎng)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(guān)鍵因素
考慮到有眾多的變量和供應商，在目前的市場(chǎng)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(wèn)題有一個(gè)更好的了解，Gartner Dataquest公司讓他們對選擇ASIC供應商時(shí)考慮的各個(gè)因素進(jìn)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(guān)鍵因素
 
因為有數以百計的電子自動(dòng)設計（EDA）工具包為ASIC工業(yè)服務(wù)，因此在接下來(lái)的一年內用戶(hù)們認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(gè)相互兼容的環(huán)境下工作。
用戶(hù)們傾向于和一系列ASIC供應商保持緊密的聯(lián)系，因為這是保證他們成功的必要因素。用戶(hù)會(huì )選擇那些在自己服務(wù)的縱向市場(chǎng)里有良好紀錄的供應商以及那些為用戶(hù)的目標市場(chǎng)提供特定的IP設計的供應商。單個(gè)器件費用與一次性投資對用戶(hù)來(lái)說(shuō)總是很重要，因此他們對這些因素評分很高。與過(guò)去的調查結果比較，供應商擁有領(lǐng)先的技術(shù)路線(xiàn)圖的重要性大大提高。用戶(hù)根據供應商們提供65納米ASIC產(chǎn)品的時(shí)間和性能來(lái)衡量供應商。漏電流形式的能量損耗是一個(gè)很難對付的問(wèn)題，而用戶(hù)希望知道供應商如何解決這個(gè)棘手的問(wèn)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(gè)轉換過(guò)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(jìn)行重大的前期投資，這對很多公司來(lái)說(shuō)數目太大了。那些成功的轉變成COT模式的企業(yè)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(yè)模式的概況。最新的結果表明，COT保有了一定的市場(chǎng)份額。某些系統設計者希望通過(guò)預先在設計室布線(xiàn)布局，然后送到工廠(chǎng)制造這種方式來(lái)優(yōu)化設計速度。為應對這種潮流，ASIC供應商為布局布線(xiàn)的速度優(yōu)化花費了額外的時(shí)間，但是他們也因為這項新服務(wù)增加了費用。
    風(fēng)險是選擇COT模式或ASIC模式供應商的關(guān)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(shí)完成的全部責任。而在A(yíng)SIC流程中，這些是由ASIC供應商確保?？紤]到如果某個(gè)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(lái)越短的系統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，因為現在的130納米和90納米的設計復雜性越來(lái)越大，一些提供專(zhuān)用標準電路（ASSP）公司開(kāi)始從COT模式轉移到ASIC模式。
設計服務(wù)
設計服務(wù)有很多方式。參與服務(wù)的公司有一些大公司，例如IBM，它能購提供從封裝到設計和生產(chǎn)最終產(chǎn)品芯片的全套服務(wù)，在臺灣地區和中國大陸還有許多小作坊似的設計服務(wù)公司。IBM是最近大規模加入設計服務(wù)的大公司之一。IBM把提供設計服務(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深厚的設計技術(shù)中獲益。其它公司，如印度的Wipro公司已經(jīng)在提供相當規模的商業(yè)設計服務(wù)支持。
在亞太地區，各種類(lèi)型的設計公司數量正在增長(cháng)。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)獲得了數以百計的新的ASIC設計并在聯(lián)華電子的工廠(chǎng)里生產(chǎn)。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(lái)自區域市場(chǎng)的小型ASIC設計項目并在代工廠(chǎng)里生產(chǎn)。

圖二 ASIC商業(yè)模式
 
封裝內系統（SIP）
SIP是能改變ASIC和電子工業(yè)的一種趨勢。SIP已經(jīng)到了成熟期，因而系統設計者通過(guò)使用這項技術(shù)可以降低整個(gè)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(lèi)型的芯片堆疊在另一種芯片上，再把相應的引腳連接起來(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(gè)新概念，它和已經(jīng)應用多年的多芯片模組（MCMs）幾乎是同一概念。實(shí)際的區別在于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，因為它運行速度太慢，而且當時(shí)沒(méi)有真正可以降低成本的大批量生產(chǎn)的驅動(dòng)力。
SIP技術(shù)現在已經(jīng)成熟，其成本也因為在手機上這個(gè)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(xiàn)通訊。
ASIC是最先集成到SIP中的產(chǎn)品類(lèi)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，因此讓調查回應者對此進(jìn)行投票。圖三顯示了基于單元的IC設計開(kāi)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(dòng)集成到SIP中。很明顯，SIP將是Gartner Dataquest公司接下來(lái)幾年觀(guān)察和報道的重要方面。

圖三
封裝內系統——基于單元的IC啟動(dòng)設計
 
ASIC核心組件和嵌入特征
隨著(zhù)所有的生產(chǎn)工藝升級換代，邏輯門(mén)數量急劇增加，這使得設計者們開(kāi)始尋求使用新的設計方式。在過(guò)去的十年里，不斷增加使用IP核和芯片上存儲器已經(jīng)成為一種潮流。目前存儲器已經(jīng)占到設計的大約三分之一芯片面積，而且預計在接下來(lái)的五年里將增長(cháng)到占一半以上芯片面積。
圖四比較了門(mén)陣列和基于單元的IC設計的核心組件。門(mén)陣列設計一般有更多的邏輯線(xiàn)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(dòng)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(lèi)型存儲器。靜態(tài)隨機存取存儲器（SRAM）已經(jīng)出現很多年，也是目前最流行的存儲器類(lèi)型。嵌入式動(dòng)態(tài)隨機存取存儲器（DRAM）在幾年前出現，但是其在工業(yè)界沒(méi)有一個(gè)好的開(kāi)頭，因為單片DRAM價(jià)格下降，因而由于這種費用差異問(wèn)題用戶(hù)們沒(méi)能及時(shí)采用嵌入式DRAM?，F在嵌入式DRAM重新引起人們的興趣，并且已經(jīng)開(kāi)始在某些方面得到大批量應用。Sony在其開(kāi)發(fā)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(chǎn)量正在大幅度增長(cháng)。IBM公司為Cisco公司制造嵌入式DRAM ASIC，而且它聲稱(chēng)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(kāi)始看好嵌入式DRAM ASIC?，F在正是嵌入式DRAM ASIC被市場(chǎng)認可的恰當時(shí)機。這種市場(chǎng)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(cháng)，但是如圖五所示，由于SIP的出現這種需求并沒(méi)有實(shí)現。很多系統設計者發(fā)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(dòng)設計
 
標準接口
當前接口已經(jīng)成為ASIC設計的一個(gè)關(guān)鍵部分?？紤]到工業(yè)中存在多種不同的標準接口，我們需要詢(xún)問(wèn)用戶(hù)他們正在和計劃使用哪一種接口。圖六顯示了在A(yíng)SIC設計中使用的標準接口。
關(guān)于標準接口調查結果的關(guān)鍵內容如下：
-2003年SPI-4.1和SPI-4.2使用的增加意味著(zhù)在通信線(xiàn)路卡上標準接口應用增長(cháng)，使得專(zhuān)用和基于專(zhuān)用標準電路功能的結合更加靈活。
-XAUI的增長(cháng)是由于它在高速底板的應用和企業(yè)轉換中心10Gbps以太網(wǎng)的出現。
-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(dòng)設計
 
Gartner Dataquest公司的預測
設計者們聲稱(chēng)他們會(huì )使用先進(jìn)技術(shù)，但是其前提是價(jià)格要低。費用仍然是最重要的，但是電子工業(yè)在周期性地運行，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在電子工業(yè)正從最低點(diǎn)，即控制成本作為主要目標，向更好的時(shí)期發(fā)展。系統設計者們將冒險采用先進(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。