系统设计调查：ASIC重点

摘要：系统设计人员在探索具有新的应用特点的IC经营模式时，最主要关心的还是价格。

战略需求陈述：
由于未来两年，市场条件将得到改进，先进技术研发路线图的重要性将得到增加。封装内系统（SIP）和嵌入式DRAM ASIC在未来2到5年内将成为主流技术。

研究目标
为使电子系统更进一步接近单芯片解决方案，设计者们对ASIC和可编程逻辑器件（PLD）提供商提出了更多要求。更高的性能、更大的存储器和内核库，所有指标都在向高处发展，工程师们把越来越多的系统设计任务要求交给他们的半导体合作者。
    出于量化这些要求的目的，Gartner Dataquest公司对系统设计者们进行了一次网上调查。这项广泛的研究的目的是确认系统提供商们当前和未来的需求，以作为开发下一代ASIC和PLD产品的指南。调查中最受关注的ASIC也在这个远景展望里得到评定。更多的细节信息可以参考《关于未来ASIC和FPGA设计的技术路线图》SCSI-WW-UW-0002。

调查方式
Gartner Dataquest公司最近完成2003年度的网上系统设计调查。最终用户通过一系列方式来进行确认，其中包括过去调查回应者数据库和工程期刊订户。有4万多份调查问卷通过电子方式分发到全球。最终将近300份完整的调查答卷得到回收。
调查答卷的回收和处理是在2003年的第三和第四季度完成。收集的数据主要来自系统设计工程师、集成电路设计者和工程管理人员，这三者占到有效答卷的三分之二以上。

主要发现
在调查中，系统设计者们透露出很多重要的趋势。这些趋势将在未来驱动对ASIC、场可编程门阵列（FPGA）和片上系统（SOC）器件的需求。主要的ASIC和SOC方面的发现包括以下几项：
    -随着用户开始面对设计90纳米产品的挑战，供应商技术路线图已经变得越来越重要；
    -将近10%的回应者开始在基于单元的IC设计中使用封装内系统(SIP)；
    -设计服务越来越趋向为区域市场服务，尤其是在亚洲环太平洋地区；
    -在ASIC和FPGA设计中，越来越多的使用处理器核，如PowerPC；
    -标准界面SPI-4.1 和 SPI-4.2与RapidIO互连架构和以太网连接单元接口（XAUI）的竞争激烈；
    -在三年前的虚假膨胀后，嵌入式DRAM的需求再一次回升。

选择ASIC供应商的关键因素
考虑到有众多的变量和供应商，在目前的市场上选择一家ASIC供应商需要很好的技巧。为对系统设计者们如何选择ASIC供应商的问题有一个更好的了解，Gartner Dataquest公司让他们对选择ASIC供应商时考虑的各个因素进行重要性分级。图一显示了调查的结果，图中1表示最不重要，7表示最重要。

图一
选择ASIC供应商的关键因素
 
因为有数以百计的电子自动设计（EDA）工具包为ASIC工业服务，因此在接下来的一年内用户们认为与第三方工具有更好的集成就不足为奇了。EDA工业比较松散，因此最重要的是供应商们给予足够的投资以支持最新的设计并确保这些工具在一个相互兼容的环境下工作。
用户们倾向于和一系列ASIC供应商保持紧密的联系，因为这是保证他们成功的必要因素。用户会选择那些在自己服务的纵向市场里有良好纪录的供应商以及那些为用户的目标市场提供特定的IP设计的供应商。单个器件费用与一次性投资对用户来说总是很重要，因此他们对这些因素评分很高。与过去的调查结果比较，供应商拥有领先的技术路线图的重要性大大提高。用户根据供应商们提供65纳米ASIC产品的时间和性能来衡量供应商。漏电流形式的能量损耗是一个很难对付的问题，而用户希望知道供应商如何解决这个棘手的问题。
COT模式与ASIC模式
系统设计者们一直在研究，从ASIC模式转移到COT模式（顾客自有工具模式）是否能够缩减他们的设计费用。虽然某些公司在这个转换过程是成功的，但是其它公司认为COT模式并不是一种好的选择。采用这种方式，必须在设计工具和基础设施方面进行重大的前期投资，这对很多公司来说数目太大了。那些成功的转变成COT模式的企业通常都是做很多设计的大公司。图二展示了根据我们的系统设计者调查得出的设计商业模式的概况。最新的结果表明，COT保有了一定的市场份额。某些系统设计者希望通过预先在设计室布线布局，然后送到工厂制造这种方式来优化设计速度。为应对这种潮流，ASIC供应商为布局布线的速度优化花费了额外的时间，但是他们也因为这项新服务增加了费用。
    风险是选择COT模式或ASIC模式供应商的关键因素。在COT流程中，系统设计者承担保证设计能工作和及时完成的全部责任。而在ASIC流程中，这些是由ASIC供应商确保。考虑到如果某个设计不工作，而要重新检查设计的高额费用和由于当前越来越短的系统生命周期而失去潜在市场份额的损失，这就会是一个重大事情。此外，因为现在的130纳米和90纳米的设计复杂性越来越大，一些提供专用标准电路（ASSP）公司开始从COT模式转移到ASIC模式。
设计服务
设计服务有很多方式。参与服务的公司有一些大公司，例如IBM，它能购提供从封装到设计和生产最终产品芯片的全套服务，在***地区和中国大陆还有许多小作坊似的设计服务公司。IBM是最近大规模加入设计服务的大公司之一。IBM把提供设计服务作为提供ASIC和生产服务之外吸引新的顾客的一个渠道，使顾客可以从IBM深厚的设计技术中获益。其它公司，如印度的Wipro公司已经在提供相当规模的商业设计服务支持。
在亚太地区，各种类型的设计公司数量正在增长。从联华电子分离出来的Faraday公司是最大的公司之一，它已经获得了数以百计的新的ASIC设计并在联华电子的工厂里生产。许多小的设计店分布在***地区、韩国和中国大陆，它们获得一定数量的、来自区域市场的小型ASIC设计项目并在代工厂里生产。

图二 ASIC商业模式
 
封装内系统（SIP）
SIP是能改变ASIC和电子工业的一种趋势。SIP已经到了成熟期，因而系统设计者通过使用这项技术可以降低整个系统费用。SIP的概念是把多片芯片封装在一块制作在一起的快速基片上，然后将其安装在印刷电路板上。SIP的另一种形式是硅模堆叠，即把一种类型的芯片堆叠在另一种芯片上，再把相应的引脚连接起来。SIP能与ASIC器件同时使用，也能替代ASIC器件。例如，ASIC芯片可以安装在基片上，与闪存或者DRAM堆叠在一起，形成整个SIP。而另一种情况是，SIP又可以替代ASIC。例如，把通用芯片，如微处理器、模拟器件和存储器等，组合封装在一起构成SIP，从而替代了片上系统ASIC。
SIP并不是一个新概念，它和已经应用多年的多芯片模组（MCMs）几乎是同一概念。实际的区别在于SIP技术使用了一个种非常快的基片，在MCM时代尚无这种基片。MCM技术不是很成功，因为它运行速度太慢，而且当时没有真正可以降低成本的大批量生产的驱动力。
SIP技术现在已经成熟，其成本也因为在手机上这个世界上批量最大的应用而大大下降。SIP在基带手机芯片上得到使用。它也在很多新应用中被采用，其中包括存储和有线通讯。
ASIC是最先集成到SIP中的产品类型之一。我们希望更好的了解到底有多少ASIC已经集成到SIP中，因此让调查回应者对此进行投票。图三显示了基于单元的IC设计开始集成到SIP中的百分比。根据回应者的投票结果，在2003年有大约10%的基于单元的IC启动集成到SIP中。很明显，SIP将是Gartner Dataquest公司接下来几年观察和报道的重要方面。

图三
封装内系统——基于单元的IC启动设计
 
ASIC核心组件和嵌入特征
随着所有的生产工艺升级换代，逻辑门数量急剧增加，这使得设计者们开始寻求使用新的设计方式。在过去的十年里，不断增加使用IP核和芯片上存储器已经成为一种潮流。目前存储器已经占到设计的大约三分之一芯片面积，而且预计在接下来的五年里将增长到占一半以上芯片面积。
图四比较了门阵列和基于单元的IC设计的核心组件。门阵列设计一般有更多的逻辑线路，而基于单元的IC有更多的模拟器件和嵌入式IP核。

图四
2003年度对ASIC启动设计核心组件的估计
 
存储器趋势
对片上存储器的需求促使设计者们按照速度和密度的标准探索更多新类型存储器。静态随机存取存储器（SRAM）已经出现很多年，也是目前最流行的存储器类型。嵌入式动态随机存取存储器（DRAM）在几年前出现，但是其在工业界没有一个好的开头，因为单片DRAM价格下降，因而由于这种费用差异问题用户们没能及时采用嵌入式DRAM。现在嵌入式DRAM重新引起人们的兴趣，并且已经开始在某些方面得到大批量应用。Sony在其开发的游戏机上的图像处理部分引入了嵌入式DRAM，这是嵌入式DRAM ASIC最大规模应用之一。Cisco公司在它的一型低端路由器中使用了嵌入式DRAM ASIC，而这种路由器生产量正在大幅度增长。IBM公司为Cisco公司制造嵌入式DRAM ASIC，而且它声称现在新的0.13微米ASIC设计大约三分之一包含嵌入式DRAM。嵌入式DRAM也正在一些消费应用中出现，其中包括数码摄像机和等离子显示器。
东芝、NEC和三星也开始看好嵌入式DRAM ASIC。现在正是嵌入式DRAM ASIC被市场认可的恰当时机。这种市场接受度的增强是建立在1T-SRAM的损失上。图五显示了根据调查回应者的投票得出的在基于单元的IC设计方面对嵌入式DRAM的需求情况。根据调查回应者的信息，嵌入式闪存将有稳定的需求增长，但是如图五所示，由于SIP的出现这种需求并没有实现。很多系统设计者发现，使用SIP，把通用闪存安装到ASIC上的方式要便宜得多。

图五
对嵌入式存储器的预期需求——基于单元的IC启动设计
 
标准接口
当前接口已经成为ASIC设计的一个关键部分。考虑到工业中存在多种不同的标准接口，我们需要询问用户他们正在和计划使用哪一种接口。图六显示了在ASIC设计中使用的标准接口。
关于标准接口调查结果的关键内容如下：
-2003年SPI-4.1和SPI-4.2使用的增加意味着在通信线路卡上标准接口应用增长，使得专用和基于专用标准电路功能的结合更加灵活。
-XAUI的增长是由于它在高速底板的应用和企业转换中心10Gbps以太网的出现。
-XFI还处于发展初期，它将与10Gbps XFP收发器模块同期发展。
-通讯系统中标准接口的使用便利了设计中ASIC和ASSP组件间的通用性。

图六
标准接口—ASIC启动设计
 
Gartner Dataquest公司的预测
设计者们声称他们会使用先进技术，但是其前提是价格要低。费用仍然是最重要的，但是电子工业在周期性地运行，而重点会在控制成本和采用更先进技术之间摆动。现在电子工业正从最低点，即控制成本作为主要目标，向更好的时期发展。系统设计者们将冒险采用先进技术来差异化他们的产品。接下来的两年是令提供先进技术的公司激动的两年。