模拟芯片行业，新机会

为了满足芯片设计项目中日益增长的专业模拟定制需求，新一波初创企业正在崛起，为更实惠的定制设计打开了大门。

这些初创公司为该行业注入了新的活力，而由于整合，该行业只青睐最大的芯片制造商。随着大型模拟公司收购较小的公司，许多以前与其他小公司合作定制项目的公司由于合作条款更加严格而无法再这样做。这让一些较小的客户倒霉了，但他们的前景正在改变。

尽管数字设计师经常创造新功能和设计，但模拟电路大多倾向于使用已知功能。这些功能的各种参数可能需要优化以提高性能、降低功耗或适应新的操作环境。

“有时你只需要市场上没有的功能或特性，然后你就可以制造自己的 ASIC 来脱颖而出，” Fraunhofer IIS自适应系统工程部门高级混合信号自动化部门经理 Benjamin Prautsch 说道。“这就是你解决这一问题的秘诀。”

模拟挑战通常可以通过尽可能多地使用数字技术来避免。“通过重复使用东西或将尽可能多的东西推向数字世界，你可以尽可能减少工作量，”Prautsch 解释道。“但你总是会有一个模拟外壳。”

Synopsys产品管理总监 Hany Elhak对此表示同意。“如果我们采用英特尔的任何数字 SoC 或微处理器、高通的应用处理器或 NVIDIA 的 GPU，它们主要是数字芯片，”他说。“但所有这些都将包含特定的模拟模块。”

由于模拟设计是一个专业性很强的领域，因此项目通常都是外包的。过去，这些项目都是由知名的模拟公司承接的，但在被大公司合并后，这些公司可能不再接手——尤其是对于小批量项目。现在，一些收购公司不再愿意承接的项目正在被新公司接手。

在半导体设计历史的早期，所有芯片实际上都是模拟的。即使它们执行数字功能，它们也是使用典型的模拟工具和技术设计的。设计规模小使这成为可能。然而，在某个时候，数字设计以一种模拟设计无法实现的方式起飞。

突破的关键是抽象。最简单的方法是将某些模拟值组合在一起作为数字 1，将另一组作为数字 0（中间有保护带）。“你可以将数字抽象为 0 和 1，”Prautsch 说。“在下面，它仍然是模拟的，但它可以表示为 0 和 1。在模拟世界中，它总是介于两者之间的一切。”

这种抽象简化了数字设计和验证，其规模如今已非同寻常，制造出相当于数十亿门的芯片——过去每个门可能都是精心手工制作的。我们目前将电子产品普及到各个地方的努力正是这种生产力的直接成果。

然而，模拟技术却没有取得这样的进展。尽管进行了各种尝试，但模拟设计自动化在很大程度上还是失败了，因为模拟技术本身并不适合抽象。“我们知道团队正在研究它，但它的自动化程度远远低于我们在数字技术中看到的水平，”Prautsch 观察到。单点工具有助于解决一些特定的挑战，它们也可能有助于工艺节点迁移，但它与数字工具套件完全不同。

这导致了一些影响，使模拟设计一直充满挑战。首先，模拟设计仍然主要依靠手工。可以组装一个模块库并将它们拼接在一起，但模块之间的界限可能会降低完全手工定制设计的性能。而且购买 IP 并不一定能解决问题。“即使集成 IP 也需要模拟设计专业知识，”Elhak 说。

其次，基于人工，新颖的模拟功能较少，因此模拟设计师可以通过其他方式进行创新。“在提高性能、降低噪音、提高速度等方面，有很多创造力，”Elhak 解释道。这些通常一次完成一个块或一个段。

Orca 首席执行官兼联合创始人 Andrew Baker 指出：“我们所说的定制并不是定制。我们指的是针对特定应用或垂直市场定制的特定应用标准产品。”与其说这是全新的设计，不如说这是优化。

反过来，这也使得模拟设计比数字设计更具挑战性。虽然工具可以处理大型数字芯片的许多复杂问题，但模拟芯片的设计通常由设计师自己或使用 Excel 等简单工具来处理。根据个人的性格，数字芯片的黑白特性可能比模拟芯片的灰色特性更吸引某些人。这意味着模拟设计师的群体比数字设计师的群体小得多。“学生越来越少地选择电子工程，而更多地选择计算机科学，”Prautsch 说。“因此，设计模拟芯片的新手人才短缺。”

这种情况的影响出人意料地广泛，谷歌或亚马逊等资金雄厚的公司虽然已经涉足数字设计，但仍然依赖模拟合同公司来满足专门的模拟需求。

此外，架构师试图尽可能多地采用数字而不是模拟来实现。但世界是模拟的，所以即使 95% 的电路是数字的，其中大部分也必须用模拟来包装。这可能是因为电路正在与外部模拟功能交互，或者只是需要与其他数字电路通信。例如，I/O 物理层电路（如用于 PCIe 的电路）是模拟的。

Baker 指出：“在大多数情况下，[模拟内容] 占 20% 左右，”其中大部分是数字内容。“每个人都认为世界正在走向数字化，但模拟在所有这些系统中仍然是必不可少的。没有模拟，你就什么都没有。”

数字 1 和 0 使给定的数字芯片更容易在各种环境中运行。只要信号可以被识别为高电平或低电平，电路就会工作。模拟电路则不然。虽然数字电路可能接受 0.8 V 或 1.0 V 作为逻辑高电平，但这些值对于模拟电路来说是非常不同的，并且设计为接受高达 1.0 V 输入的电路对于最大输入电压为 0.8 V 的电路来说可能不是最佳选择。

因此，操作环境之间的细微差异可能会使现成的芯片不够用（或至少不是最佳的）。例如，用于标准 I/O 的芯片可能不需要定制——除非有人需要某些增强参数，例如降低功率或提高可靠性。“即使在一个标准内，不同的公司也可以实现更好的误码率，或者他们可以获得更高的数据速率以获得自己的竞争优势，”Elhak 指出。

需要定制的两个具体例子是模拟数字转换器 (ADC) 和电源管理 IC (PMIC)。ADC 就是一个输入电压很重要的例子，输入电压可能因系统而异。“没有一个 12 位 ADC IP 可以适用于所有应用，”Prautsch 说。“输入电压每次都不同。有时我有一个 1.0 V 的单端输入电压摆幅。有时我有一个 2.0 V 的差分输入电压摆幅。最终是同一个 ADC，但它需要不同类型的输入缓冲器。”

PMIC 往往基于已知或标准化的电源工作，但这些电源通常是电池。由于电池技术在停滞多年后正在快速发展，即使是锂离子技术等已知机制的标准输出电压也从约 4.2 V 变为 4.5 V，而设计用于处理旧标准的 PMIC 将无法工作，尤其是在控制电池充电时。

“十年前甚至五年前开发的设备无法为 4.3 伏以上的电池充电，”Baker说。“这可能会妨碍其与较新的化学成分一起使用。我们提高了充电终止的准确性，因此人们可以放心地将电池充电至最大容量，而不会过度充电并缩短其使用寿命。”

一些变化可能会为价格更实惠的芯片带来更高端的功能。“客户可能正在寻找集成度略低的产品，但高端功能只有高集成度的昂贵芯片才具备，”Baker说。动态电压调节就是一个例子。“我们在电压急剧变化时添加了回收能量，因此当您从较高电压变为较低电压时，存储在输出电容器上的能量通常只是放电到地。我们将该能量回收回输入端。”

在某些情况下，例如电池示例，新产品最终可能会成为标准。最初为某位客户定制的芯片可能会成为现成的部件，例如 Orca 的 PMIC。其他情况，尤其是涉及其他人可能无法采用的专利创意的情况，可能会保持定制和独家性。这些考虑因素会影响获得定制模拟电路的成本。

当今模拟设计人员使用的一种方法是使用控制电路来调节模拟电路中的各种内部参数。这些调节点由数字电路控制，而数字电路又可以通过固件驱动的外部引脚进行控制。通过这种方式，单个电路可以在更广泛的情况下运行，这样，在通电后，固件就会设置所需的配置。

模拟电路、数字控制和软件驱动器的组合被称为模拟系统。“我们所说的‘系统’是指，除了模拟功能外，我们还添加了数字控制和软件，”Elhak 说。“所有这些模拟模块都将具有数字电路，可以完成从选择振荡器频率到调整放大器增益等所有操作。”

模拟的另一个问题是工艺变异性，尤其是在先进的工艺节点。处理这一日益严重的问题的一种方法是使用调整点校准给定的芯片。这样，一整套芯片（每个芯片在技术上略有不同）就可以尽可能地接近完全相同，以保证正常运行。“即使是传统的模拟盒也需要通过数字电路进行校准，并且需要软件控制，”Elhak 说。由于软件驱动程序对于每个芯片都需要相同，因此定制在内部进行，eFuse 存储在制造测试期间设置的校准值。

然而，当将模拟芯片引入新工艺时，这可能没有帮助。最明显的例子是将其引入更现代的硅节点，但即使在给定节点上更换代工厂或晶圆厂也可能需要进行一些设计调整。“假设我想将我的旧设计从节点 1 迁移到节点 2，”Elhak 解释道。“现在我需要对其进行优化，以便它能够提供与旧设计相同的性能，甚至更好。”

如果模拟功能位于自己的芯片或小芯片上，这种情况是可以避免的，因为模拟电路往往不会从先进节点中受益。但如果要将模拟电路集成到 SoC 或另一个数字芯片上，这种情况就无法避免。即使芯片的功能是 100% 数字化的，它仍然必须通过最低级别的模拟通道与其他芯片通信，即使只是为了连接到另一个小芯片。集成内存是数字海洋中模拟孤岛的另一个例子。

虽然软件控制的模拟芯片和 IP 可能会减少定制需求，但并不能完全消除定制需求。这种情况让芯片制造商或系统制造商不得不做出自主开发或购买的决定。除非公司拥有专门的模拟设计团队，否则该决定通常倾向于购买。

所需的定制参与类型通常不及全定制模拟芯片或电路。相反，现有电路的部分被修改，这缩小了项目范围。也就是说，即使设计变更可能只涉及电路中的几个点，验证也必须包括整个电路，因为模拟本质上往往涉及大量反馈，因此一切都可能相互影响。“对于模拟电路来说，情况要复杂得多，因为电路的每个变化部分都会影响其他部分，”Elhak 说。

因此，验证必须彻底，并且可能构成定制工作的很大一部分。“公司使用一些技术来降低问题的复杂性，”他说。“但最终，他们总是会在晶体管级别对整个模拟模块进行非常大的模拟，并且他们需要在多个角落和多个数字控制场景中重复这一过程。”

管理定制项目的条款可能会根据所需的具体更改以及这些更改在单个项目之外的广泛用途而有所不同。前期非经常性工程 (NRE) 费用可能相当高，尤其是对于预算有限的初创公司而言。“这需要大量的 NRE，因为这需要大量的手工工作，”Prautsch 说。“你可以购买 IP，但它必须经常进行调整。你可能无法获得所需的所有 IP，或者你获得了 IP，但它不适用于你正在寻找的特定半导体工艺。”

对于可以卖出更高价格的芯片来说，高 NRE 可能是必要的。“如果你有一个应用，芯片制造商的客户会尽可能地榨干你的性能，那么显然该产品的价格会非常高。你可以只制造几个具有 NRE 的芯片，最终，它会带来回报，因为你正好解决了昂贵的利基应用问题，”Fraunhofer IIS/EAS 集成传感器电子部门经理 Björn Zeugmann 表示。

无需大笔现金投入即可获得模拟技术，这一点非常有吸引力。如果预计的产量足够高，并且有可能将修改后的芯片或电路出售给其他客户，设计公司可能会接受这种无需预付 NRE 的合同。“如果大型设计公司看到更大的市场，他们可能会对定制感兴趣，”Prautsch 说。

另一方面，如果客户希望获得独家经营权，则可能需要 NRE，其金额将取决于项目范围以及独家经营权期限和预期数量。如果数量太少，那么设计公司可能会拒绝承接该项目——特别是如果客户负担不起 NRE 费用。

如果要修改的芯片有可用的开放设计数据，那么项目可能会变得更容易，这意味着除了原始制造商之外，其他人也可以对其进行修改。“为客户设计芯片并将芯片作为黑盒出售是一种选择，”Zeugmann 说。“或者他们可以出售开放设计数据，这样客户就可以去另一家芯片制造商或工厂或设计公司进行修改。”

然而，随着瑞萨电子、Analog Devices 和 NXP 等大型公司收购 Dialog、Linear Technology 和 Maxim Integrated 等小型模拟公司，此类机会的前景最近发生了变化。这些合并从几个方面改变了竞争环境。最明显的是，定制业务的门槛提高了五六倍。“你可以列出一大堆规模较小的公司，它们可以抓住价值 5000 万美元或 1 亿美元的终身收入机会，”Baker 说。“现在，这个门槛已经上升到 3 亿美元，才能考虑。”

达成交易的能力还假设该公司希望让其模拟团队参与此类项目。“该领域的这些收购很大一部分是为了获得能够制造特定类型芯片的经验丰富的团队，这样你就不必建立自己的团队了，”Prautsch 指出。

随着公司文化的融合、冲突和协调流程，以及决定哪个部门拥有哪些产品，参与过程也变得更加复杂。“如果我想要一个定制的解决方案，我该找谁？”Baker问道。“如果有人向他们提出特定的产品要求，公司组织内可能会有三家企业愿意提供帮助。”在这种摩擦消除之前，达成交易的过程可能会延长。

然而，新的创业公司正在进入市场，他们正试图填补合并留下的空白。由于模拟设计非常专业，并且针对特定应用，因此需要定制，而收入水平低于大公司的要求。“整合为我们这样的公司打开了市场机会，让我们能够满足市场中经常听到的、尚未得到满足的需求，”Baker说。

除了 Orca，Elhak 还列举了 CoreHW、Credo、Endura 和 Silicon Creations 作为近期初创企业活动的例子。“我们的许多定制设计客户都是非常小的初创企业，他们要么试图为自动驾驶打造激光雷达，要么试图为人工智能加速器打造辅助模拟电路，”他说。

半导体行业的许多领域都以一波波的初创企业和随后的收购和退出而闻名。话虽如此，当前的模拟初创企业浪潮，紧随一波收购浪潮之后，本身可能成为另一波收购浪潮，因为最新一批的赢家又被收割了。但至少就目前而言，最新的小公司将展示模拟技术在较低收入水平下的可行性。