模拟设计VS数字设计
提到IC设计，很多人可能会想到复杂的CPU设计，对计算机和智能手机感兴趣的普通用户都可能对Intel CPU和苹果iPhone的A系列主处理器如数家珍。这些芯片是采用数字设计技术完成的，简单地说就是“0”和“1”的设计。然而，任何电子设备中的电路都必须对随时间而连续变化的外部激励做出响应。因此，即便先进的数字芯片也需要模拟电路设计，模拟设计构成了所有IC设计的基础。
现代IC技术提出了许多设计挑战，比如先进工艺节点的制造过程存在明显的可变性，复杂芯片上不同功能模块的工作和互联也会导致很多可变性。这种可变性可能表现为工作电压、工作温度和性能的变化。此外，小尺寸芯片的密集封装还会相互影响，并与硅基板、封装和电路板相互作用，从而导致信号失真。这些影响可能发生在芯片之间，也可能发生在单个芯片内。但无论发生在哪里，都需要模拟设计给予补偿和处理，以确保芯片和电路的三个基本特性：保真度/精度、一致性和性能。
保真度/精度。许多模拟设计构成了检测 IC外部条件的电路基础，比如感应环境温度、气压、运动和光线是许多物联网 (IoT) 设备的基本组成单元。要准确地检测这些连续的效应需要精确的测量，这就要求执行这些测量的模拟电路具有出色的保真度和精度。
一致性。数字电路设计采用离散的“1 ”和“0”分布，以简化分析和设计。“1”通常代表主电源电压，而“0”代表没有任何电压。为了使这种模型有效工作，电路元件的性能必须在前面提到的所有可变条件下保持一致，即确保电压处于“1”或“0”的参考电平，这就需要模拟设计来满足这些条件。
性能。性能表现为两种基本形式：速度和功耗。所有 IC 都对速度有严格的要求，以满足整个系统的吞吐量要求。同时，它还必须保持在特定的功耗范围内，因为整个系统都必须被组装在合理尺寸的外壳内，这必须保证有效的散热。模拟设计可确保功耗和速度都保持在可接受的范围内。
模拟设计和数字设计之间的主要区别在于所使用的基本分析类型不同。在模拟设计中，电路激励被视为随时间不断变化的信号。电路的行为可在时域和频域中建模，重点关注的是合成波形的保真度/精度、一致性和性能，并且制造和设计引起的电路可变性也必须进行建模和补偿。
数字 IC 设计大多是在抽象级别上完成的，系统和流程决定了门级/晶体管级布局和布线的细节，许多与数字 IC 设计相关的限制来自晶圆工艺和技术限制。而模拟 IC 设计通常涉及对每个电路更加个性化的关注，甚至每个电路的尺寸和晶体管细节。此外，许多晶圆工艺主要是为具有模拟功能的数字 IC 开发的，这就要求模拟 IC 设计人员要考虑数字 IC 的工艺限制和功能需求。
模拟设计通常从一组规范和功能需求开始，然后建立起来各种功能模型以进一步缩小约束范围，并确定尺寸、类型和其他过程特征。这可能包括晶体管的选择、高级布局规划、电感器和电容器，以及所期望的IC和子电路品质因数。执行高级仿真并确定子模块的约束一般采用架构硬件描述语言 (AHDL)，例如 VHDL-AMS。在这个阶段也可以开发一个测试平台用于稍后的仿真。
确定了这些设计细节后，模拟设计团队通常会根据模拟电路的复杂性，将子电路设计分配给某个设计师。同时进行理想化的宏观测量，进一步确定子电路的约束和性能预期。此后，这些宏观原理图按照晶圆厂工艺被分割为电路元件级的原理图。对这些电路进行仿真和优化后，就开始物理布局过程。布局和布线要遵守设计规则检查 (DRC)，布局也要与原理图保持一致。
接着就要进行寄生提取和布局后仿真，这可能会揭示出设计中的缺陷，可能需要重新设计、布局和仿真的迭代过程，才能满足最终设计目标并提交给晶圆厂进行流片。在整个芯片布局和仿真之前，每个子电路也可能经历自己的设计、布局和仿真过程。
模拟 IC 设计过程的抽象层次包括：功能性、行为、宏、电路、晶体管和物理布局。具体与模拟 IC 设计流程相关的步骤可细分如下：
- 设计规范：规格、约束、拓扑、测试台开发；
- 原理图流程：系统级原理图输入、架构 HDL 仿真、模块HDL规范、电路级原理图输入、电路仿真和优化；
- 物理流程：基于 PCell 的布局输入、设计规则检查 (DRC)、布局与原理图比照 (LVS)、寄生提取、布局后仿真、流片。
模拟设计的发展现状
伴随着物联网的兴起，很多IoT设备都需要传感器感应外部环境的信息，将这些物理信息以模拟信号来表征，并转换为离散的数字信号，输送给微处理器进行计算和处理，同时可能需要无线连接与网络进行数据传输，或者通过输出接口驱动各种设备。这种技术和应用发展趋势让模拟设计更加普遍，不但对模数转换器、信号放大器和信号调理等信号链器件提出更高要求，而且还涉及到射频RF和电源管理功能模块。
最新的数字芯片和混合信号芯片设计都在不断提升CPU处理性能，这极大增加了电源管理设计的复杂性。芯片中的电源域数量不断增加，业界专家认为接下来5年还会翻倍，因为芯片中的模拟和数字模块越来越多，数字工艺和电源管理域仍然需要分开，这使得电源管理的设计更加具有挑战性。
以MCU为例，越来越多的模拟功能被集成进MCU中。除基本的ADC、LDO和各种接口外，WiFi和蓝牙等无线通信协议所需要的RF模块也要与微处理器内核集成。针对某些特定应用的MCU设计甚至将传感器或电源管理IC也集成进来。以汽车MCU和MPU为核心业务的瑞萨甚至在一个芯片上集成了高性能振荡器。
先进晶圆工艺大都以数字芯片为主，比如台积电和三星采用的FinFET工艺，这对模拟IP提出了新的要求。然而，很多新的设计，特别是IoT芯片，仍然停留在比较成熟的工艺节点，因为这些芯片对掩膜和晶圆代工成本很敏感。预计未来3-5年，28nm、22nm和18nm的SOI工艺将是模拟IC的主流工艺。
显然，模拟设计领域的这些变化要求模拟设计工程师与数字设计工程师紧密合作，才能获得芯片设计的最终成功。这成了芯片设计厂商兼并收购和新产品开发的主要驱动力，同时为芯片设计服务的EDA、IP和晶圆代工服务商也积极参与到模拟与数字设计交织融合的动态发展潮流中。
芯片巨头的模拟设计并购狂热
全球模拟芯片巨头TI的发展史就是一个鲜活的模拟设计并购典范。自1996至2011年，TI发起了8起并购，一举成为全球模拟芯片老大。虽然过去10年来，TI不再有大型并购举措，但其模拟龙头地位仍然无人撼动。以ADC起家的ADI通过收购Hittite、Linear Technology和Maxim Integrated，也扩张成为全球模拟芯片老二，接下来将会上演与TI争抢龙头老大的好戏。（若对TI和ADI的兼并收购感兴趣，可以参阅：看美国芯片三巨头发展史，谈中国半导体自主创新路）
就连一向稳健的日本半导体公司瑞萨也开始频繁收购，先后买下Intersil、IDT和Dialog半导体。以MCU/MPU等数字芯片为主的瑞萨显然是借收购来构建包括模拟、RF和电源管理的新生态。
瑞萨的一系列并购是希望实现如下三个目标：
- 产品多样化。瑞萨的核心产品线是汽车半导体和工业控制器件，而IDT和Intersil可以扩展物联网和数据中心市场的电源、时序和互联产品和技术。此外，IDT还为瑞萨带来了很好的存储器接口产品，以及很强的时序和同步技术。Dialog则为瑞萨增加了面向工业应用的可配置混合信号IC（CMIC），以及针对IoT应用的电源管理芯片和低功耗无线连接技术。
- 分散业务风险。瑞萨一直偏重于汽车和工业市场，而在新兴的物联网市场则没有什么建树。通过这些并购，瑞萨现今的营收有60%来自非汽车业务，这有助于降低企业运营风险，并把握新兴市场的快速增长机会。
- 研发团队的多元化。瑞萨原有的技术研发团队主要集中在日本本土，正随着日本社会的老龄化而逐渐失去活力和创新动力，Intersil和IDT让瑞萨在美国的研发团队和能力得到极大增强。收购Dialog又加强了在欧洲的研发能力。这样，瑞萨正从一家典型的日本公司演变为一家产品、业务和员工都多元化的全球性企业。
按照瑞萨执行副总裁兼IoT和基础设施业务总经理Sailesh Chittipeddi的说法，瑞萨的核心是以MCU和MPU为主的边缘计算，而加强模拟和混合信号能力是为了构建护城河，稳固和提升其核心业务的竞争力。
结语
模拟IC设计需要长期的模拟技术积累和设计工程师的丰富设计经验，专注于模拟芯片的企业要想通过自然增长来扩大市场份额和企业规模是比较困难的。美国、欧洲和日本的半导体企业通过战略性收购来补齐模拟、RF和电源管理方面的弱项，以构建完善和稳健的产品组合，这是行业发展已经证明行之有效的企业增长和扩张策略。尽管不同企业文化的融合比较困难，半导体企业并购会导致研发人才的流失，但也会催生有创新技术和冒险精神的初创企业，为整个半导体行业注入新的活力。
国际半导体厂商在模拟IC领域的并购举措对中国模拟芯片厂商和整个行业的发展有什么借鉴意义呢？国产模拟芯片厂商本来就不多，市场空间足够大，圣邦微、思瑞浦和艾为电子等市场表现不错的企业纷纷上市，通过自身的技术、产品和业务运营来实现企业增长，这在中国目前的市场环境下是可行的。从另一方面看，本土芯片企业之间的收购兼并还不常见，仍然需要尝试和探索。2019年圣邦微宣布收购钰泰半导体，但到2020年10月就终止了收购。除了估值和收购可能引起的财务风险外，双方的产品和技术融合可能也没有预期的容易。
中国模拟芯片产业要想做大做强，企业并购和整合是必然之路。也许半导体企业并购的金融资本和法律规范逐渐完善后，产品和技术的优化组合才会在兼并收购中起到更大的作用。
参考来源
- What’s driving the acquisitions in the analog design realm? by MAJEED AHMAD at Planet Analog
- What Is Analog IC Design? by Jean-Jacques DeLisle at All About Circuits
责编：Steve
