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微电子芯片集成电路反向设计严重影响我国微电子产业战略决策和发展

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近几年来微电子产业在国际和国内都发展得比较迅猛,国内从中央到一些发达省市都把微电子产业放到了高科技重中之重的位置。但到目前为止,国内这个产业的增长主要在芯片的加工生产上,且集中在那些从国外引进加工技术的合资公司里,由国内自行开发的有自主版权的芯片基本上还是空白。这说明了我国的微电子产业还是处在一个外加工的地位,相对于国家巨大的投入,这是不能令人满意的。笔者分析这种状况的原因之一,便是反向设计在我国依然流行,或者说正向设计在我国没有得到应有的重视。

正向设计和反向设计孰是孰非本来只是一种设计方法的争论,但由于反向设计在国内是如此的顽固、持续、流行,已经严重影响到我国微电子产业的战略决策和发展,因此就不再是一个单纯的方法之争了。

  一。反向设计与正向设计

  反向设计是集成电路设计方法的一个专有名词。集成电路的设计最终要落实到代表电路结构的几何图形(这些图形的交迭构成集成电路的基本单元---主要是晶体管)。通过将图形转化为各加工工序所需的掩膜,加工厂家即可根据掩膜大规模地批量生产芯片。反向设计是通过拍摄和放大已有芯片照片得到版图的几何图形。由于原有芯片的图形尺寸极小且是多层重叠的,反向设计的工作量很大,而其出错概率也大。以一千门的不规则版图为例,反向分析就需一个工程师几乎一年的时间。随着电路规模的增大,这种反向分析的效率成倍地下降,错误概率成指数上升。一个几万门电路的反向设计几乎是不可能的,而几十万门的电路就完全不可能了。

  集成电路的正规设计方法是正向设计,即根据产品确定的指标和要求,从电路原理或系统原理出发,通过查阅相关规定和标准,利用已有知识和能力来设计模块和电路,最后得到集成电路物理实现所需的几何图形。正向设计产品的性能可以通过仿真进行验证和预测。更为重要的是,正向设计的思维是积极主动的,知识是可以积累的,性能可以不断提高,产品可以不断的更新换代,而反向设计即使百分之百正确,也只能是一个已经定型产品的模仿,在你辛苦进行反向设计时别人的第二代第三代产品又已经出来了,你的东西又有何竞争力呢?

  随着VLSI设计技术的发展,EDA五金|工具已经使得设计工程师用HDL进行电路设计。HDL可以在RTL级(目前的设计主要是在此级),也可以是更为高级的功能描述级。这种设计方法使得设计者不必去关心门级和元器件的细节,更不必关心几何图形(版图)的转换。这就意味着正向设计可以把大部分工作放在系统级和功能模块上。正向设计的先进性和高效率是显而易见的。有经验的设计者一年就可以完成几十万门到上百万门的设计。

  尽管各集成电路加工厂的工艺不尽相同,但他们对用户的支持及用户界面却是一致的。这使VLSI设计得以标准化。正向设计的文件通过EDA工具的所有检查,如果功能正确,无论在哪个工厂加工,都可以成功。而反向设计做不到这一点。由于各工厂的工艺的差别,同样的掩膜在不同工厂加工的芯片性能是不能保持一致的,特别是含有模拟模块或小信号放大的集成电路,以及低电压集成电路。

  二。反向设计有用吗

  遗憾的是,反向设计在我国仍很流行。我们也和有关反向设计专家进行过讨论,他们不外乎以下观点:

  1.先从反向设计起步积累经验,再转向正向设计。

  2.正向设计做不了,反向设计还能有些成功。

  3.反向设计可以借鉴别人的成功经验。

  对于第一种观点,首先从设计方法本身来说,正向设计是从系统出发,以HDL语言为主,而反向设计是着眼于得到几何图形参数,显然做不到把底层的几何结构与高层的HDL语句相对应。因此反向设计所积累的经验,对于从系统级着手的正向设计来说是没什么用处的。我们只要看一看很多单位已做了几十年的反向设计,但是至今依然离不开反向设计,就知道从反向设计转向正向设计是何等的困难。

  对于第二种观点,我们认为,反向设计不可能有任何成功。所谓“成功”的一些例子不外乎三类:

  第一类是简单的反向设计,规模介于几十到几百门之间。这种电路规模太小,在EDA工具出现前,我国就有手工刻红膜正向设计几百门的能力。在当今集成电路已发展到超大规模、SOC的时代,这种电路显然不值一提。

  第二类是较复杂的反向设计如CPU,DSP。但据了解,大多数都是毫无结果(这里指标准化、产业化的IP核和芯片),更不用说产业化。这种情况其实也是可以预料的。对于复杂的系统,反向设计不可能预见芯片的全貌,即使版图翻版得完全一样,还有芯片结构的纵向因素、生产的工艺因素,以及原设计的局限和瓶颈等等。反向设计是不可能达到对所有因素都完全理解的。

  第三类是反向设计与正向设计的结合。即设计前通过查阅相关产品的资料和使用说明,对一个芯片的功能、外部信号及其应用有一个比较透彻的了解,再通过对该芯片进行解剖分析,理解整个芯片电路(当然复杂程度不能太高),最后用EDA工具进行仿真、设计。我们认为这样的成功也不是对反向设计的肯定。现在国内已有很多单位采用这种方法设计出IC卡芯片。但其成功的原因并不在于其反向设计的工作,而在于其正向设计的相关工作。IC卡芯片相对比较简单,如果完全正向设计也容易,而且会更快、更好,还可以不断更新换代。现在的情况是,当这些单位还在费尽心思解剖芯片时,别人的新产品如智能IC卡芯片已经出来了,他们永远都是落在别人后面。如果把他们投入的人力、财力和时间与最后产品的竞争力结合起来考虑,就不能说是成功了。

  关于第三种反向设计借鉴的观点,我要说明的是,正向设计并不排斥借鉴和交流,而是积极有效的借鉴和交流。比如,可以通过书籍、会议、上网、查找专利、查找协议等各种途径获取最新资料。亦可从市场反馈、用户反馈等各种途径获取信息。并可以及时的更新自己的设计。而正向设计中的IP调用就是一种积极主动的借鉴和交流的手段。人才的引进和合理流动也是有效的手段,而反向设计的借鉴是最低级的借鉴,至多是勉强的形似,根本不可能达到神似。

  有人认为国外也采用反向设计的方法,这是不真实的。笔者在国外工作多年,不仅自己未作过反向设计,也未发现任何集成电路的设计同行有过反向设计的技能和经历。

  三。必须全面禁止反向设计

  事实上,反向设计不但没有任何用处反而危害极大,它已不仅仅是一个设计方法的问题,更是影响到我国微电子产业战略决策和发展的重大问题。

  今天国内众多高校和科研院所普遍都采用反向设计的课题培养研究生;一些重点工程项目仍旧沿用反向设计的方法;许多学术带头人也是只有反向设计的经验。这些专家如能影响到我国微电子产业战略方针政策的制定,会更有问题。

  同时,我们很痛心地看到越来越多的年轻工作者都正在或将要从事反向设计。而对青年人来说,学习正向设计要比学习反向设计容易,更有趣,更有发展。反向设计实际上扼杀了创新的欲望和思维,埋没了很多人才。

  反向设计对国内集成电路的发展所带来的后果已经极其严重,继续下去,我们还是只能跟在发达国家的身后爬行。反向设计对于微电子产业正如兴奋剂对于体育界一样。

  在付出了惨痛的代价以后,体育界已认识到兴奋剂的危害性。但在微电子领域,反向设计这个兴奋剂还是有市场。为了使中国的微电子产业健康发展,我个人认为必须全面禁止反向设计,国家有关部门应当旗帜鲜明地对反向设计说不,同时大力提倡正向设计,并采取得力的措施。比如重大工程项目禁止采用反向设计;科技成果评审严禁反向设计参加;高校培养研究生计划中也要取消反向设计的课题等等。只有这样,中国微电子产业的发展才能与国际接轨,才能有腾飞之日。

  我们的观点可能难以为许多同行所接受,特别是一些我国微电子领域的重量级人物。但我们有一点是共同的,那就是希望看到我国微电子产业的腾飞。为了这一共同的目标,也为了大家各自的事业,希望能冷静思考这一问题。我们同时呼吁广大的年轻科技工作者不要再把精力和时间花在反向设计的死胡同里了。希望你们能够站在科技领域的前沿,用正向设计的路子,推动中国微电子产业的发展。

  四。深层次的思考

  本文所述虽然是集成电路设计方法之争,但可推而广之到整个科技教育界。比如长期以来流传的“引进,消化,提高”的口号,在改革开放前无疑是正确的,但是在我国全面对外开放的今天,此口号似乎有一种不鼓励创新的消极含义。又如,相当多的人认为我国的研究水平很高,只是科研成果没有产业化。而我们认为在很多高新技术领域我们的水平并不高,一些科研成果的水平本身也不具备产业化的条件。事实上一些科研成果的出发点更多的是在于经费申请和鉴定评奖,这也反映出我国特有的科研经费申请制度,职称评定制度,鉴定评奖制度所存在的不合理成份。我们也确实见到过一些鉴定和论文,水平较低,可说是人力和财力的浪费。我国的高新技术和新学科的教育水平也需不断改进和提高。

  基于对我国微电子产业和科技教育事业的忧虑和关心,我们整理出此文。不当之处,欢迎批评指正。

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