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嵌入式系統(tǒng)應用設計應關注MPW
SoC是各種類型嵌入式應用系統(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、高等院校等部門直接采用微電子設計技術，運用ASIC模式進行嵌入式應用系統(tǒng)的開發(fā)；然而，嵌入式應用系統(tǒng)設計與微電子設計相融合已是一個技術發(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服務計劃與體系。MPW服務計劃的實施大大加速了IC產業(yè)和嵌入式系統(tǒng)應用的發(fā)展。許多專家認為，我國IC產業(yè)、IC設計、ASIC應用長期落后，與我國長期以來忽視MPW服務計劃與體系有關�？上驳氖�，近年來政府部門及相關單位己重視此問題，MPW服務體系建設研究已正式列入國家863計劃，初步建立了幾家MPW服務中心。MPW服務體系對我國IC產業(yè)的發(fā)展勢頭已開始顯現。
1 MPW服務概述
1.1 什么是MPW服務
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，遠遠超出設計檢驗要求；一旦設計存在問題，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計在同一個晶圓片上流片，流片后每個設計項目可獲得數十個芯片樣品，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，集成電路加工技術飛速發(fā)展，集成電路設計成了IC產業(yè)的瓶頸，迫切要求集成電路設計跟上加工技術；隨著集成電路應用的普及，集成知識越來越復雜，并向系統(tǒng)靠近，迫切要求系統(tǒng)設計人員參與集成電路設計；為了全面提升電子產品的品質與縮短開發(fā)周期，許多整機公司和研究機構紛紛從事集成電路設計。因此，大面積、多角度培養(yǎng)集成電路設計人才迫在眉睫，而集成電路設計的巨額費用成為重要制約因素。
實施MPW技術服務必須有強有力的服務機構、設計部門和IC生產線。
1.3 MPW服務機構的任務
�、� 建立IC設計與電路系統(tǒng)設計之間的簡便接口，以便于系統(tǒng)設計人員能夠直接使用各種先進的集成電路加工技術實現其設計構想，并以最快的速度轉化成實際樣品。
�、� 組織多項目流片，大幅度減少IC設計、加工費用。
�、� 不斷擴大服務范圍：從提供設計環(huán)境、承擔部分設計，到承擔全部設計、樣片生產，以幫助集成電路用戶或開發(fā)方完成設計項目。
�、� 幫助中小企業(yè)實現小批量集成電路的委托設計、生產任務。
�、� 支持與促進學校集成電路的設計與人才培養(yǎng)。
1.4 MPW技術簡介
�。�1）項目啟動階段
MPW組織者首先根據市場需要，確定每次流片的技術參數、IC工藝參數、電路類型、芯片尺寸等。設計時的工藝文件：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，其中軟核在設計時提供，硬核在數據匯總到MPW組織者或Foundry處理后再進行嵌入。
�。�3）設計驗證
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。
（4）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公共技術平臺與公共技術服務狀況
（1）MPW服務機構創(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加工服務機構，即MOS電路設計的實現服務機構MOSIS（MOS Implementation System）服務機構，為其下屬研究部門所設計的各種集成電路尋找一種費用低廉的樣品制作途徑。MPW服務機構與方式的思路應運而生。加工服務內容：從初期的晶圓加工到后續(xù)增加的封裝、測試、芯片設計。
（2）MOSIS機構的發(fā)展
考慮到MPW服務的技術性，1981年MOSIS委托南加州大學管理。在IC產業(yè)劇烈的國際競爭環(huán)境下，培養(yǎng)集成電路設計人才迫在眉睫。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服務對象擴大到各大學的VLSI設計的教學活動;1986年以后在產業(yè)界的支持下，將MPW服務擴大到產業(yè)部門尤其是中小型IC設計企業(yè)；1995年以后，MOSIS開始為國外的大學、研究機構以及商業(yè)部門服務。服務收費：國內大學教學服務免費，公司服務收費，國外大學優(yōu)惠條件收費，國外公司收費較國內公司要高。
（3）其它國家的MPW服務
機構
法國：1981年建立了CMP(Circuit Multi Projects)服務機構，發(fā)展迅速，規(guī)模與MOSIS接近，對國外服務也十分熱心。1981年至今，已為60個國家的400個研究機構和130家大學提供了服務，超過2500個課題參加了流片。1990年以前，CMP的服務對象主要是大學與研究所，1990年開始為中小企業(yè)提供小批量生產的MPW服務。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年建立了有許多設計公司加盟的EUROPRACTICE的MPW服務機構，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"的服務方式，用戶只要與任何一家加盟EUROPRACTICE的設計公司聯(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服務機構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的服務包括：提供設計方法和其它產品服務，提高成員的設計水平；提供先進的制造工藝，確�？蛻舻脑O計質量；提供技術及工藝的培訓。
日本：1996年依托東京大學建立了VLSI設計與教育中心VDEC(VLSI Design and Education Center)，開展MPC（Multi-Project Chip）服務。VDEC的目標是不斷提高日本高校VLSI設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，完成了335個芯片的設計與制造。VDEC與主要EDA供應商都簽有協(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研究院(Korea Advanced Institute of Science and Technology)內建立了集成電路設計教育中心IDEC(IC Design Education Center)。
可以看出，世界各先進國家都認識到IC產業(yè)在未來世界經濟發(fā)展中的重要地位，在IC加工技術發(fā)展到一定階段后，抓住了IC產業(yè)飛速發(fā)展的關鍵；在IC應用層面上普及IC設計技術和大力降低IC設計、制造費用，并及時建立有效的MPW服務機構，使IC產業(yè)進入了飛速發(fā)展期�？v觀各國MPW服務機構不盡相同，但都具有以下特點：
�、� 政府與產業(yè)界支持的非贏利機構；
�、� 開放性機構，主要為高等學校、研究機構、中小企業(yè)服務；
�、� 提供先進的IC設計與制造技術，保證設計出的芯片具有先進性與商業(yè)價值；
④ 提供IC設計與制造技術的全程服務。
3 我國MPW現狀
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，從早期利用國外的MPW加工服務機構到民間微電子設計、加工的相關企業(yè)、學校聯(lián)合的MPW服務，到近期政府、企業(yè)介入后的MPW公共服務體系的建設，開始顯露了較好的發(fā)展勢頭。
3.1 與國外MPW加工服務機構合作
1986年，北京華大與武漢郵科院合作利用德國的服務機構，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加工服務中獲益匪淺。東南大學利用美國MOSIS機構的MPW加工服務，采用0.25和0.35 ìm的模數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服務機構的合作方面，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建立合作關系。1998年以境外教育機構身份正式加入MOSIS，同年，利用MOSIS提供的臺灣半導體公司的CMOS工藝設計規(guī)則、模型及設計資料開發(fā)了基于Cadence軟件設計環(huán)境的高速、射頻集成電路，完成了5批0.35ìm、3批0.25ìm CMOS工藝共40多個電路的設計與制造，取得了許多國內領先、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，射光所從2000年開始利用美國MOSIS機構為國內客戶服務，建立了MPW服務網頁，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0.25ìm CMOS工藝為清華大學、信息產業(yè)部第13所、南通工學院完成了3批10多個芯片的設計制造。目前，10多個高校、研究機構、企業(yè)成為射光所MPW成員。
3.2 高校、企業(yè)、研究機構合作實現MPW服務
90年代，上海復旦大學開始著手建立國內MPW加工服務機構；1995年，無錫上華微電子公司開始承擔MPW加工服務，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、上海集成電路設計產業(yè)化基地、上海市科委及上海集成電路設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0.6ìm單元庫，開始了MPW加工服務，并將校內的工藝線用于
MPW加工服務。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)成立了集成電路產業(yè)化基地，進一步推動了MPW加工服務的開展。清華大學從2000年開始，利用上華0.6ìm 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，總共實現了106項設計；上海集成電路設計研究中心與復旦大學，于2001年利用上華1.0和0.6ìm CMOS工藝和TSMC的0.3ìm CMOS工藝，為產業(yè)界、教育界進行了8次MPW流片，實現了109個設計項目。
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線為MPW提供加工服務，許多境外的半導體公司也在積極支持我國的MPW加工服務。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
1992年在臺灣科學委員會的支持下，成立了集成電路設計和系統(tǒng)設計研究中心CIC。其目的是對大專院校的集成電路/系統(tǒng)設計提供MPW服務，對集成電路/系統(tǒng)設計人員進行培訓，并推動產業(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，總計有3909個IC項目流片成功，其中，76家大專院校有3423項，40多家研究所和產業(yè)界有486項。在EDA工具方面，有多家的IC/SYSTEM設計工具已運用在MPW的設計流程中。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，0.6ìm 1P3M CMOS、0.35ìm1P4M CMOS、0.25 ìm1P5M CMOS和0.18ìm1P6M CMOS的標準單元庫已開始使用。除了常規(guī)MPW服務，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，成為全球IC設計的重要伙伴。2000年以來臺積公司提供了100多次MPW服務，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。
4 我國大陸地區(qū)MPW服務基地的建設
由于大陸地區(qū)原有微電子研究機構的歷史配置，在進入基于MPW服務方式后，這些研究機構先后都介入了IC設計的MPW服務領域，并開始建立相應的MPW服務基地。
4.1 上海復旦大學與集成電路設計研究中心（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"上海集成電路設計教育服務中心"。主要任務是IC設計人才培養(yǎng)和組織MPW服務。1997~1999年組織了6次MPW流片。2000~2001年上海市科委設立"上海多項目晶圓支援計劃"，把開展MPW列為國家集成電路設計上海產業(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0.35ìm MPW流片服務。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0.35ìm及以下工藝的MPW流片服務。從ICC設立的網站(www.icc.sh.cn) 可了解MPW最新動態(tài)和幾乎所有的MPW服務信息。
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的身份正式加入美國MOSIS，并簽訂有關協(xié)議，由此可獲得多種工藝流片服務。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"無生產線集成電路設計技術"高級研討班。從2000年開始建立了MPW服務網頁，通過網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字、射頻和光電芯片研究提供技術支持，有許多高校、研究單位、公司已成為射光所MPW成員。
4.3 國家集成電路設計產業(yè)化（北京）基地MPW加工服務中心
在北京市政府的支持與直接參與下建立了"北京集成電路設計園有限責任公司"。正在建設中的國家集成電路設計產業(yè)化（北京）基地MPW加工服務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。
4.4 北方微電子產業(yè)基地TSMC MPW技術服務中心
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，2001年受北方微電子產業(yè)基地領導小組辦公室委托，正式成為面向TSMC的目標工藝為0.25ìm以下的MPW服務中心。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服務中，MPRC與上海IIC、浙江大學超大規(guī)模集成電路設計研究所、東南大學國家專用集成電路系統(tǒng)工程技術研究中心、哈爾濱工業(yè)大學微電子中心、上海集成電路設計研究中心、中國電子科技大學合作建立輻射全國的MPW服務網。截止到2002年4月已有8家15個設計項目正式選擇TSMC 0.25ìm工藝的MPW服務。
5 中國大陸IC產業(yè)的未來
5.1 搶占國內市場份額
上半世紀90年代，一種無加工線（Fabless）的IC設計模式在美國蓬勃興起。許多IC設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條先進的晶圓生產線建成。因此，產生了IC設計與生產線能力的巨大矛盾�？上驳氖�，國際上為解決這一矛盾探索了許多成功的經驗，并建立了許多國際性的服務機構。我國許多高校、研究機構介入其中也取得了寶貴的經驗。目前，大陸建設的晶圓生產線工藝可以滿足當前大多數高產量的消費類、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服務資源，大力培育本土MPW技術平臺，搶占國內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產業(yè)的迅速膨脹，一些先進的服務機構和技術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產業(yè)發(fā)展規(guī)律，充分利用一切可利用的先進技術和服務管理模式，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服務機構運作方式已很成熟，這里有成熟的工藝、低廉的成本、經過實踐驗證的IP和經驗豐富的MPW供應商，可以在較高的基礎上起步。
② 力爭世界級SoC IP平臺技術支持，包括工藝完美的設計、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Artisan面向TSMC 0.25ìm以下的工藝庫提供者，將無償為大陸地區(qū)的設計人員服務。目前，MPRC已獲得該公司提供的TSMC 0.25ìm服務和0.18 ìm的完備工藝庫和相應的存儲器生成器，可向大陸地區(qū)提供全程服務。
5.3 中小企業(yè)迅速融入MPW服務
上海矽創(chuàng)微電子有限公司是一家依靠MPW服務取得成功的小型企業(yè)。原先以0.6ìm 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，共試制了9種芯片，其中5個用于試制MCU開發(fā)版芯片，2個用于實際產品，1個用于驗證模塊，1個用于小批量生產，每個芯片都達到了預期效果。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設計的風險性。
我國嵌入式系統(tǒng)產業(yè)中，有許多中小企業(yè)，不乏有出眾的應用系統(tǒng)設計人才，借助MPW服務平臺，以SoC模式，迅速提高我國嵌入式系統(tǒng)應用開發(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。
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