利用多項目晶圓服務(wù)降低芯片開發(fā)費用與風(fēng)險

引言

一部分集成電路的NRE(一次性工程費用)被控制的越來越緊，但是另一部分卻并非如此，典型的掩模組的價格急劇上升。并且預(yù)測表明看不到未來這一勢頭會放緩的任何希望。在設(shè)計130納米節(jié)點時，一套掩膜組的費用在50萬至60萬美元之間，90納米時，上升到了100萬，65納米時達(dá)到了150萬美元，展望一下并不久遠(yuǎn)的未來，據(jù)光罩供應(yīng)商Photronics公司預(yù)測在32納米節(jié)點時一套掩膜組的費用將達(dá)到300萬美元[1]。

這里所描述的財務(wù)上的挑戰(zhàn)被這樣一個事實加劇了，即任何一個項目的最初預(yù)算需要考慮至少重新流片一次(one respin),因為根據(jù)Collett International Research最新的數(shù)據(jù)顯示，設(shè)計環(huán)節(jié)的費用所占比重超過了60%[2]。

乍一看，可能把很多提議在拿到會議桌上討論之前就否決掉的正是這些需要大把花錢的決定性的數(shù)字。但是，這一情景只適用于你基于單個項目計算費用的情況。有一種可供選擇的原型技術(shù)能夠降低掩膜成本的膨脹——即使對于那些需要采用新興技術(shù)的項目也是適用的。并且還有助于控制在流片后(post-silicon)發(fā)現(xiàn)缺陷時需要重新設(shè)計時的工作量。

多項目晶圓(MPW)技術(shù)再次使創(chuàng)新變得可行。很多公司提供這項服務(wù)，并且至少有一家公司已經(jīng)為全球商業(yè)公司、政府部門以及研究和教育機(jī)構(gòu)提供了超過50,000項設(shè)計項目的服務(wù)。這代表著在過去四分之一世紀(jì)的時間里持續(xù)的把最新創(chuàng)意帶到市場上，而很多創(chuàng)意，如果不是借助MPW，可能永遠(yuǎn)沒有機(jī)會重見天日。

MPW概要

MPW(Multi-Project Wafer)是一個不常見的用三個字母表示它所代表意思的的首字母縮寫詞。服務(wù)提供商先向主要的foundries廠預(yù)定規(guī)則晶圓，然后，在每一筆生意中，他們把大量的采用同一工藝的設(shè)計項目組合拼接在一起，終端用戶只須按照它的設(shè)計在晶圓上所占的面積支付費用(一個錯誤的認(rèn)識是費用是平攤給每一個MPW用戶的——事實并非如此)。既然每個MPW客戶需要的芯片數(shù)量可能從40到幾千個不等，那么把掩膜成本降至單獨進(jìn)行每個項目時成本的幾分之一的可能性是不證自明的。然而，MPW帶來的好處還不止這些。

*由于MPW公司已經(jīng)預(yù)定了晶圓，因此他們通常能夠更快的把硅片交到你的手里，這要比你自己到foundry廠去排隊快很多。

*MPW公司與foundries廠建立了密切的合作關(guān)系，他們能夠使至關(guān)重要的芯片首次導(dǎo)入變得更簡單。

*正是因為與foundry廠的這些關(guān)系，MPW公司也提供獲得設(shè)計支持的基礎(chǔ)設(shè)施包括工具、IP和設(shè)計規(guī)則校驗(design rule check ，DRC)。

*因為MPW的芯片面積可大可小，這項技術(shù)可應(yīng)用于從完整或部分電路的小批量的原型設(shè)計到大量的大規(guī)模集成電路樣片，甚至是先期產(chǎn)品。

那么，當(dāng)電路返回后如果沒有設(shè)計缺陷，MPW提供進(jìn)一步的便利，即返回的原型電路與即將商業(yè)化上市的芯片一模一樣。它已經(jīng)由一個根據(jù)合適的生產(chǎn)工藝選擇的主要的foundry廠制造出來，不需要作進(jìn)一步的修改和更動。

第三方服務(wù)提供商和MPW

現(xiàn)在讓我們看看第三方服務(wù)提供商是如何工作的，對這些可交付使用的項目作更深一點的探索。

這些服務(wù)是由foundries 廠與MPW提供商合作一起作出的。以MOSIS為例，他的合作伙伴包括了TSMC、IBM、AMI半導(dǎo)體和奧地利微電子(Austria Microsystems)，適用的制造工藝從90納米到1.5微米，并且包括CMOS、BiCMOS 和SiGe。

一旦選定合適的制造工藝，MPW服務(wù)提供商就開始了在遞交設(shè)計文件之前的下列步驟：它包括獲得數(shù)字、模擬/混和信號的設(shè)計流量和完整的客制化電路，來自于EDA工具供應(yīng)商如Cadence、明導(dǎo)科技和Tanner EDA;IP授權(quán)商如ARM；來自代工廠的SPICE參數(shù)文檔。

然而，一旦設(shè)計文件準(zhǔn)備好之后，MPW服務(wù)的核心內(nèi)容就顯現(xiàn)出來了。通常情況下需要按照統(tǒng)一的格式提交布圖數(shù)據(jù)，提交方式可以是在線或非在線(根據(jù)提交方式的不同以及是否需要DRC，受理的最后截止日期也不一樣)。

在這一環(huán)節(jié)上，MPW服務(wù)提供商將對設(shè)計進(jìn)行一次“項目檢查”。它將檢查設(shè)計語法和圖層名字，計算芯片的大小(最小的包圍盒)，計算焊盤的大小，核對項目的實際價值和審報價值是否一致。然而，雖然“項目檢查”能夠確定一項設(shè)計是否已做好充分準(zhǔn)備可以進(jìn)入制造環(huán)節(jié)，但是它不代表一次完整的DRC，MPW提供商有時會對已經(jīng)確定交某一代工廠進(jìn)行制造的設(shè)計項目提供很多免費的正式DRC，當(dāng)然這需要符合一定的條件，如在截止日期之前按時提交布圖數(shù)據(jù)等。

完成這一步之后，這項設(shè)計就會與其它的設(shè)計項目在一顆晶圓上進(jìn)行排列，隨后即被送往預(yù)定了晶圓的代工廠。對于那些不需要DRC或者其它預(yù)制造服務(wù)(pre-fabrication services)的設(shè)計，只要在MPW服務(wù)提供商設(shè)定的截止日期之前提交數(shù)據(jù)就可以了。

絕大部分的MPW服務(wù)提供商都提供很多種包裝方案可供選擇，這項作業(yè)是通過經(jīng)過認(rèn)證的包裝和測試服務(wù)供應(yīng)商組成的合作伙伴網(wǎng)絡(luò)完成的。在某些情況下，客戶可能需要尚未包裝的芯片；另一些情況則不然，MPW服務(wù)提供商可以進(jìn)行從焊盤到引腳(pad-to-pin)的分配。最后，由客戶確認(rèn)是否需要包裝以及如何包裝等。

在整個項目進(jìn)行當(dāng)中，可以通過多種形式為客戶提供充分的支持。用戶在提交設(shè)計文件之后可以在線跟蹤項目進(jìn)展情況，并且在項目的任何階段都可以與室內(nèi)支持團(tuán)隊進(jìn)行聯(lián)系溝通?？蛻粢部赏ㄟ^網(wǎng)絡(luò)訪問用戶組(user groups)，在這里那些已經(jīng)受益于MPW服務(wù)的公司將會與您分享他們的經(jīng)驗、技巧和故事。實質(zhì)上，這是在展示MPW如何工作。整個流程如圖1所示，它顯示了上述服務(wù)項目適用的環(huán)節(jié)。它是一個簡單但靈活的流程，它強化了，并且使你無法中斷一顆芯片從布圖到制造的過程。

圖1  MOSIS流程圖

成功案例

Elonics公司

Elonics是一家蘇格蘭的無晶圓廠半導(dǎo)體公司，專注于無線應(yīng)用，如手持設(shè)備蜂窩電視(TV on cellular handsets)、基于無線USB和UWB的數(shù)字電視廣播(DVB)等。它選擇MPW幫助開發(fā)一款不需太大數(shù)量的單片芯片，作為應(yīng)用于一定范圍產(chǎn)品上的高性能射頻(RF)測試模塊(test blocks)。

設(shè)計一個采用CMOS工藝的這樣的模塊需要精確的建模和析取(modeling and extraction)，以確保硅片的性能達(dá)到要求。還有來自選用合適的CMOS工藝所帶來的挑戰(zhàn)，對這種工藝的要求是不僅在技術(shù)上可行，還要使財務(wù)預(yù)算讓公司能承受得起。作為一家初創(chuàng)型公司，Elonics必須強調(diào)這些問題，即采用一套既能夠使技術(shù)風(fēng)險最少化又能嚴(yán)格控制開發(fā)周期和成本的設(shè)計方法。業(yè)務(wù)經(jīng)理Alf Sheppard解釋說，“設(shè)計一款頻率在3~10Ghz、采用CMOS工藝的尖端IC所帶來的技術(shù)挑戰(zhàn)很容易突破上述這些限制。這就需要很好的進(jìn)行管理，而一種可行的方法就是選擇MPW。”

當(dāng)Elonics公司已經(jīng)確定采用IBM的130納米 CMOS工藝—帶有RF選項(MIM電容，HA變?nèi)荻O管，RF金屬棧)，在IBM的建議下，他找到了MPW。這位藍(lán)色巨人說，與MOSIS和IBM在歐洲的EDA解決方案代理商合作，將是獲得設(shè)計工具包和相關(guān)技術(shù)的最合適的途徑，這些技術(shù)使產(chǎn)品開發(fā)以及隨后導(dǎo)入原型電路，能夠保持足夠的靈活性和有效的成本控制。

以后的事實說明了Elonics能夠達(dá)到的控制程度，即這家公司由于僅僅使用了一個晶圓面積上的10mm２，以此為基礎(chǔ)支付了MPW服務(wù)的部分費用，獲得了他所需要的硅片。Sheppard解釋說選擇這樣一個尺寸有三個原因。

“首先，是基于成本考量，這是在不額外收費的情況下，我們能夠使用的最大的裸片面積。第二，這個尺寸很容易適于目標(biāo)包裝。第三，這適合了我們要求的測試芯片的大小?！?，他說。“MPW被運用于進(jìn)行那些確定高風(fēng)險的無線射頻模塊，并且其結(jié)果將被集成到我們正在開發(fā)的無線PHY中。我們成功進(jìn)行了芯片測試并進(jìn)行了關(guān)聯(lián)芯片模擬結(jié)果測試。”

Elonics公司的經(jīng)歷突顯了MPW的另一方面。成本控制仍是主要驅(qū)動因素，但是這個案例中客戶能夠利用MPW專注于模塊級開發(fā)。對于那些如果“單獨進(jìn)行”會昂貴得令人難以接受的設(shè)計項目，只要有更有效的替代方案，就會使那些經(jīng)過高難設(shè)計的創(chuàng)新成為可能。

結(jié)語

MPW讓我們擺脫了因當(dāng)今半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)NRE(一次性工程費用)不斷上升所導(dǎo)致的諸多束縛而自由地創(chuàng)新，這也是解決創(chuàng)新問題的成熟對策。MPW在今天顯得尤其重要。因為工程費用的上升正在威脅著這個產(chǎn)業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新能力。 以上引用的案例來自于年輕的初創(chuàng)型公司，但是即使是世界最大的幾個玩家也發(fā)現(xiàn)“單獨進(jìn)行”(go it alone)正越來越困難。在MOSIS，三分之一的生意來自于IDM，那些自身擁有晶圓加工廠的公司與其它公司一樣面臨著同樣的財務(wù)挑戰(zhàn)。此外，MOSIS一半的生意來自于雇員在500人或以上的公司。一個確鑿的事實是很多業(yè)界的領(lǐng)導(dǎo)廠商已經(jīng)在運用MPW取得競爭優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)：
1. ‘Mask prices flatten but tool costs soar’, Mark LePedus, www.eetimes.com, March 15, 2006
2. Collett International Research, Inc. 2005 IC/ASIC Design Closure Study