三十年芯片老法师的肺腑之言

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我（指代本文作者Maysam Ghovanloo ，IEEE fellow，Silicon Creations 高级设计架构师）从事专用集成电路（ASIC）设计工作近三十年。在此期间，我经历了完整的学术发展路径，从研究生一路晋升为正教授；之后，在创业失败后，我转行进入工业界。2019年，我正式加入私营企业，开始专注于电子行业一个至关重要的方面：硅知识产权。

如今最先进的芯片中，高达 80% 的物理面积都被并非为特定产品设计，甚至并非由制造这些产品的面向消费者的公司设计的模块所占据。相反，芯片制造商大量采用来自Arm、Cadence、Rambus以及Synopsys等公司的成熟硅 IP 。

在我的职业生涯中，我设计过用途迥异的芯片，包括支持我所在学术实验室的研究项目以及拓展我所在公司的知识产权组合。加入 Silicon Creations 时，我对业界在集成电路设计方面的做法截然不同一无所知，因此经历了一段陡峭的学习曲线。起初，我感觉自己二十年来在学术界的研究和培训经验大多无法直接应用于实际工作中。我不得不学习新的技能，并转变思维方式。

如今，受汽车行业、人工智能应用等领域对专用芯片的需求推动，ASIC芯片的需求正迅速增长。据市场估计，到2033年，ASIC市场规模预计将从234亿美元增长至388亿美元，而整个半导体行业预计到2030年将达到1万亿美元。该行业需要更多芯片设计师——但如果你和我一样拥有学术背景，那么你需要了解一些基本知识。

不同的目标会采取不同的策略

工业界和学术界的区别首先在于目标的不同。在学术界，我的主要目标是创造新知识：提出一种新颖的电路技术，验证一种非常规的架构，或者探索特定领域的性能极限。一款成功的芯片能够验证某种概念。而在工业界，仅仅证明某种技术可行远远不够。目标是确保其可靠、可重复且可大规模地运行。衡量成功的标准不是创新，而是芯片是否符合规格，生产良率是否符合预期，以及能否按时交付具有竞争力的产品。

这导致了风险承受能力的显著差异。学术界的设计常常会刻意探索未经证实的领域，即使部分成功也能带来宝贵的洞见。然而，在工业界，我们却系统性地将风险降至最低。失败的代价使得首次硅片成功成为一项核心要求——尤其是在先进技术节点上，仅用于将电路设计转移到硅片上的光刻掩模就可能耗资数千万美元。因此，工业界的设计流程围绕着通过保守的裕量、广泛的验证以及对成熟解决方案的谨慎复用来消除不确定性而构建。

“学术界探索设计空间，探究什么是可能的，而产业界则利用这些空间，确定哪些设计方案可以大规模应用。”

这种模式自20世纪70年代专用芯片设计（ ASIC ）诞生以来就已存在。然而，自2010年代中期以来，随着FinFET技术（一种采用垂直硅“鳍片”的3D架构）在业界的广泛应用，学术界与产业界之间的鸿沟日益扩大。随着芯片组的出现，系统设计也变得越来越模块化。这从根本上改变了ASIC开发的经济性和复杂性，设计成本几乎增加了一个数量级。诸如台积电的大学FinFET计划和政府资助的新芯片设计中心等举措，使得一些资源雄厚的大学能够设计更先进的架构，但这项技术对许多学者来说仍然遥不可及。

产学研分离在实践中意味着什么

假设一家初创公司正在开发一款专用集成电路（ASIC）。其工程团队可能在特定算法、传感器接口或系统架构方面拥有深厚的专业知识，这些特性构成了其竞争优势。但它不太可能在所有辅助功能方面都具备世界一流的技术水平。如果要自行开发所有这些模块，则需要大量的时间、资金和专业人才。这样做可能会使初创公司无法在市场竞争中立于不败之地。

即使是大型半导体公司也面临着类似的限制。先进节点的开发需要高度集中精力。如果差异化体现在系统层面，例如推理芯片加速神经网络计算的能力，那么指派一个团队重新设计一个已经在其他地方实现的标准接口模块可能难以证明其合理性。从概念到上市，将一款新芯片推向市场所需的时间以及风险规避，而非自主研发能力，才是决定内部开发还是外包的最主要因素。

先进集成电路制造的经济效益也印证了这一现实。当一款尖端芯片的研发成本高达数亿美元时，最大限度地降低风险就成为设计的核心要务。

在此背景下，硅IP应运而生，成为一种切实可行的解决方案。正如软件开发人员依赖现有库而非从头编写每个函数一样，ASIC设计人员从高度专业化的IP供应商处获得预先设计、预先验证的硅模块（例如处理器内核、内存接口和安全引擎）的授权许可。这些模块随后可以集成到更大、日益复杂的系统中。

设计范围、验证和时间跨度

借助硅IP，业界能够拓展其设计范围。学术界的研究往往侧重于模块级创新，例如新型模数转换器架构或超低噪声放大器。这些设计通常会忽略芯片上市过程中诸多复杂因素，例如封装限制、长期可靠性和制造良率。

在工业领域，关注点已转向系统级集成。现代片上系统（SoC）集成了数十甚至数百个功能模块。信号完整性、时序、固件交互和系统级验证的管理，其重要性不亚于单个模块的设计。

验证理念也存在显著差异。在学术界，验证的目标是证明概念在标称条件下有效，但这未必总能反映其在实际应用中的表现。即使从多项目晶圆中制造的芯片只有一小部分能够正常工作，只要验证了其基本理念，该设计仍然可以被视为成功。

例如，在我所在的实验室，我们过去常常从台积电的芯片测试服务中心收到40颗芯片，然后分批进行测试，每次测试5颗。如果前5颗或10颗芯片都运行正常，我们就已经收集到了足够发表论文的数据。如果有些芯片出现故障，我们在发表结果时也无需提及。

在工业界，验证工作极其详尽、至关重要，而且往往占据了开发流程的大部分时间。故障率以百万分之一来衡量，即使是罕见的异常情况也会被仔细分析和记录，以找出根本原因并防止再次发生。我刚加入 Silicon Creations 时，设计所面临的细节程度和审查力度着实让我感到惊讶。

时间跨度和经济限制的差异进一步强化了这些对比。学术项目的时间安排较为灵活，与研究和资金周期相符。如果错过了截止日期，只需等待下一个周期即可。而工业项目则受制于固定的产品进度和市场窗口，通常瞄准成本高昂的尖端节点，以实现具有竞争力的性能、功耗和面积效率。错过截止日期可能会使整个设计功亏一篑，并可能对整个供应链造成重大的经济损失。

本质上，学术界探索设计空间，探究各种可能性；而产业界则利用这些可能性，确定哪些方案能够大规模应用。两者都不可或缺，但它们对成功的定义却截然不同。随着ASIC复杂性的不断增加，理解这两种视角对于下一代工程师驾驭不断发展的半导体行业至关重要。

（来源：编译自IEEE ）

*免责声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点，不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系半导体行业观察。

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