在半导体设计史的早期，所有芯片实际上都是模拟芯片。即使是执行数字功能的芯片，也是使用典型的模拟工具和技术进行设计的。小规模的设计使这成为可能。然而，在某个时刻，数字设计以模拟设计无法企及的方式突飞猛进。
突破的关键在于抽象。最简单的方法是将某些模拟值分组为数字 1，另一组为数字 0（中间有保护带）。“你可以将数字抽象为 0 和 1，" Fraunhofer IIS 自适应系统工程部高级混合信号自动化小组经理 Benjamin Prautsch 说。“在下面，它仍然是模拟值，但可以表示为 0 和 1。在模拟世界中，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，现在的规模已经非同一般，可以制造出相当于数十亿门的芯片--在过去，每一个门都可能是手工精心制作的。我们现在努力将电子产品应用到各个角落，就是这种生产力的直接结果。
然而，模拟技术却鲜有这样的进步。尽管进行了各种尝试，模拟设计自动化在很大程度上还是失败了，因为模拟本身并不适合抽象化。“Prautsch 指出："我们知道工作人员正在研究模拟设计，但模拟设计的自动化程度远远不及数字设计。点工具可以帮助解决一些特定的难题，也可以帮助进行流程-节点迁移，但与数字工具套件完全不同。
这导致了一些影响，使模拟设计始终充满挑战。首先，模拟设计在很大程度上仍然是手动的。我们可以建立一个构件库，然后将它们拼接在一起，但构件之间的界限可能会降低性能，无法实现全手工定制设计。购买 IP 也不一定能解决问题。“Synopsys 产品管理总监 Hany Elhak 说："即使集成 IP 也需要模拟设计方面的专业知识。
其次，基于手工操作，新颖的模拟功能较少，因此模拟设计师需要在其他方面发挥创造力。“Elhak 解释说："在提高性能、降低噪声、提高速度等方面有很多创意。这通常是一个块或一个段一次完成的。
Orca公司的首席执行官兼联合创始人安德鲁-贝克（Andrew Baker）指出："我们所说的定制，指的是为特定应用或垂直市场定制的特定应用标准产品。这是一种优化，而不是新鲜的设计。“
因此，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错综复杂的问题，但设计人员通常只能在头脑中或使用 Excel 等简单工具来处理模拟等效问题。根据个人的性格，数字的黑白性质可能比模拟的灰暗性质更吸引某些人。这意味着模拟设计人员的群体远远小于数字设计人员的群体。“Prautsch说："学生进入电子工程专业的越来越少，而进入计算机科学专业的越来越多。“因此，设计模拟芯片的新鲜血液短缺。
这种情况的影响范围之广令人吃惊，谷歌或亚马逊等财大气粗的公司已经开始进行数字设计，但仍然依赖模拟承包商来满足专门的模拟需求。
此外，架构工程师也试图尽可能多地使用数字技术而不是模拟技术。但是，世界是模拟的，因此，即使电路的 95% 是数字电路，其中大部分也必须使用模拟电路。这可能是因为电路要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）就是模拟电路。
贝克指出：“在我们的大多数情况下，[模拟内容]将在 20% 的范围内，”大部分是数字内容。贝克指出："每个人都认为世界正在走向数字化，但模拟仍然是最重要的。
现成的模拟芯片更难实现
数字 “1 ”和 “0 ”使特定数字芯片更容易在各种环境中工作。只要信号能被识别为高电平或低电平，电路就能正常工作。模拟电路则不然。数字电路可能接受 0.8 V 或 1.0 V 作为逻辑高电平，但这两个电压值对于模拟信号来说却截然不同，对于最大输入电压为 0.8 V 的电路来说，设计为接受高达 1.0 V 输入电压的电路可能不是最佳选择。
因此，工作环境之间的细微差别可能会使现成的芯片无法胜任（或至少不是最佳）。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，如更低的功耗或更高的可靠性。“Elhak 指出："即使在一个标准中，不同的公司也可以获得更好的误码率，或者获得更高的数据传输率，以获得自己的竞争优势。
模数转换器（ADC）和电源管理集成电路（PMIC）就是需要定制的两个具体例子。模数转换器是输入电压非常重要的一个例子，而且不同系统的输入电压可能不同。“Prautsch 说："并不存在一个适用于所有应用的 12 位 ADC IP。“输入电压每次都不同。有时输入电压摆幅为 1.0 V，单端。有时是 2.0 V 差分输入电压。虽然最终是同一个 ADC，但它需要不同类型的输入缓冲器。
PMIC 通常基于已知或标准化的电源工作，但这些电源通常可能是电池。由于电池技术在停滞多年后正在飞速发展，即使是已知的机制，如锂离子技术，其标准输出电压也从约 4.2 V 升至 4.5 V，为处理旧标准而设计的 PMIC 将无法工作，特别是在控制电池充电时。
“贝克说："十年前甚至五年前开发的设备无法为高于 4.3 伏的电池充电。贝克说："这可能会妨碍它与较新的化学物质一起使用。我们已经提高了充电终止的准确性，因此人们可以放心地为电池的最大容量充电，而不会过度充电，缩短电池的使用寿命。
一些变化可能会为价格更实惠的芯片带来更高端的功能。“贝克说："客户可能在寻找集成度稍低的产品，但要具备只有集成度高、价格昂贵的芯片才能提供的高端功能。动态电压扩展就是一个例子。“我们在电压急剧变化时增加了回收能量，因此当你从较高电压转到较低电压时，输出电容上存储的能量通常只是对地放电。我们将这些能量回收到输入端。
在某些情况下，例如电池的例子，新产品最终可能成为标准产品。一开始可能是为某个客户定制的芯片，可能会成为现成的部件，如 Orca 的 PMIC。其他情况下，特别是那些涉及他人可能无法采用的专利创意的情况下，可能会保持定制和排他性。这些因素都会影响获得定制模拟电路的成本。
从模拟电路到模拟 "系统”
目前，模拟设计人员采用的一种方法是在模拟电路上安装控制电路，以调整各种内部参数。这些调整点由数字电路控制，而数字电路又可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工作，例如，上电后，固件会设置所需的配置。
模拟电路、数字控制和软件驱动程序的组合被称为模拟系统。“埃尔哈克说："我们所说的‘系统’是指，除了模拟功能外，我们还增加了数字控制和软件。“所有这些模拟块都将有数字电路来完成，例如，从选择振荡器的频率到调整放大器的增益等任何功能"。
工艺变异问题日益严重
模拟技术面临的另一个问题是工艺可变性，尤其是在先进工艺节点上。处理这个日益恶化的问题的一种方法是用调整点校准给定的芯片。这样，在技术上运行方式略有不同的整个芯片系列，就能尽可能地接近相同，从而实现正确的功能。“埃尔哈克说："即使是传统的模拟盒，也仍然需要通过数字电路进行校准，并且需要软件控制。由于每个芯片都需要相同的软件驱动程序，因此定制工作在内部进行，eFuses 可以存储制造测试期间设定的校准值。
然而，当模拟芯片采用新工艺时，这可能无济于事。最明显的例子就是将其应用到更先进的硅节点上，但即使在特定节点上更换代工厂或工厂，也可能需要进行一些设计调整。“比方说，我想把我的旧设计从节点 1 迁移到节点 2，"Elhak 解释说。“现在我需要对其进行优化，使其性能与旧设计相同，甚至更好。
如果模拟功能在自己的芯片或芯片组上，这种情况也许可以避免，因为模拟电路往往不会受益于先进的节点。但如果将模拟电路集成到 SoC 或其他数字芯片上，这种情况就无法避免。即使芯片的功能是 100% 数字的，它仍然必须通过通道与其他芯片进行通信。
虽然软件控制模拟芯片和 IP 可以减少定制需求，但并不能完全消除定制需求。在这种情况下，芯片制造商或系统制造商就需要做出 “要么做，要么买 ”的决定。除非公司拥有专门的模拟设计团队，否则这一决定通常倾向于购买。
定制电路服务
所需的定制服务类型通常不是完全定制的模拟芯片或电路。取而代之的是对现有电路进行部分修改，从而缩小项目范围。尽管如此，即使设计变更可能只涉及电路中的少数几个点，验证工作也必须包括整个电路，因为模拟电路就其本质而言，往往涉及大量反馈，因此可以想象，所有东西都会与所有东西对话。“模拟电路更为复杂，因为电路的每一个变化都会影响到其他部分，"Elhak 说。
因此，验证必须彻底，而且可能是定制工作的重要组成部分。“他说："公司会使用一些技术来降低问题的复杂性。“但最终，他们总是要在晶体管级对整个模拟块进行一次非常大的模拟，而且需要针对多个角和多个数字控制方案重复进行模拟"。
定制项目的条款可能会根据所需的具体变更以及这些变更在一个项目之外的广泛用途而有所不同。前期非经常性工程（NRE）费用可能会很高，对于预算有限的初创企业来说尤其如此。“Prautsch说："NRE费用很高，因为这是一项大量的手工工作。“你可以购买知识产权，但通常必须对其进行改编。你可能无法获得所需的所有 IP，或者你可能获得了 IP，但它无法用于你正在寻找的特定半导体工艺。
对于价格较高的芯片来说，高 NRE 可能是必要的。“如果芯片制造商的客户需要尽可能地提高芯片的性能，那么显然该产品的价格就会非常高。弗劳恩霍夫 IIS/EAS 公司集成传感器电子学小组经理 Björn Zeugmann 说："你只需制造几块带有 NRE 的芯片，最终就能获得回报，因为你正好解决了昂贵的利基应用问题。
能够在前期不投入大量现金的情况下获得模拟技术，这一点很有吸引力。如果预计的产量足够高，并且有可能向其他客户出售改进后的芯片或电路，设计公司可能会在没有预付新业务流程的情况下签订这样的合同。“Prautsch说："如果大型设计公司看到了更大的市场，他们可能会有兴趣进行定制。
另一方面，如果客户希望获得独家代理权，则可能需要缴纳新业务流程费，其数额取决于项目范围、独家代理权期限和预期数量。如果产量太低，设计公司可能会拒绝接受该项目，尤其是在客户无法承担 NRE 费用的情况下。
如果要修改的特定芯片有开放的设计数据，这意味着除原始制造商外，其他人也可以对其进行修改，那么项目可能会变得更容易。“Zeugmann 说："为客户设计芯片并将芯片作为黑盒出售是一种选择。“或者他们可以出售开放的设计数据，这样客户就可以到另一家芯片制造商、工厂或设计公司进行修改。”
不断变化的设计环境
数字设计人员会定期创造新的功能和设计，而模拟电路则在很大程度上倾向于使用已知的功能。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工作环境。
Benjamin Prautsch 说："有时，你只需要一种市场上没有的特性或功能，然后你就可以制作自己的 ASIC 来实现差异化。“这就是你解决这一利基问题的秘诀"。
尽可能使用数字技术往往可以避免模拟挑战。“普拉茨解释说："你可以通过重复使用东西或尽可能地将更多东西推向数字世界来减少工作量。“但你始终会有一个模拟外壳"。
Synopsys 产品管理总监 Hany Elhak 对此表示赞同。“他说："如果我们使用任何数字 SoC 或英特尔公司的微处理器、高通公司的应用处理器或英伟达公司的 GPU，它们主要都是数字芯片。“但它们都包含特定的模拟块。
由于模拟设计是一个如此专业的领域，因此项目通常都是外包的。过去，这些项目由知名的模拟公司承担，但在并入更大的公司后，这些公司可能不再提供服务，尤其是小批量项目。现在，新公司正在接手一些收购公司不再愿意接受的项目。
比如，随着 Dialog、凌力尔特和 Maxim Integrated 等较小的模拟公司被瑞萨、模拟器件和恩智浦等大公司收购，此类机会的前景最近发生了变化。这些兼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。“贝克说："你可以列出一大堆小公司，它们可以提供价值 5000 万美元或 1 亿美元的终身营收机会。“贝克说："现在，这个门槛已经提高到了 3 亿美元。
能够达成交易的另一个前提是，公司希望为此类项目提供模拟团队。“Prautsch 指出："在这一领域，这些收购的很大一部分目的是获得有经验的团队，他们能够制造特定类型的芯片，这样你就不必建立自己的团队。
随着公司文化的融合、冲突和协调，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。“贝克问道："如果我想要一个定制的解决方案，我该找谁呢？“公司组织内部可能有三个业务部门，如果有人向他们提出特定的产品需求，他们可能会举手示意。” 在这种摩擦消除之前，达成交易的过程可能会延长。
不过，新的初创公司正在进入市场，它们正试图填补合并留下的空白。由于模拟设计的专业性和应用的特殊性，使得对定制化的需求低于大公司所要求的收入水平。“Baker 说："合并为我们这样的公司提供了市场机会，使我们能够满足客户普遍提出的市场需求。
除 Orca 外，Elhak 还列举了 CoreHW、Credo、Endura 和 Silicon Creations 等公司最近的创业活动。“他说："我们的许多定制设计客户都是非常小的初创公司，他们要么试图为自动驾驶汽车制造激光雷达，要么试图为人工智能加速器制造附属模拟电路。
这些初创公司正在为这一行业注入新的活力，而这一行业由于整合的结果，只有利于最大的芯片制造商。随着规模较大的模拟公司收购规模较小的模拟公司，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限制较多而无法再与其他小公司合作。这让一些小客户很不走运，但他们的前景正在发生变化。
本文翻译自：SEMI Engineering，仅用于技术分享，版权归原作者所有。
Analog Consolidation Spurs New Round Of Startups (semiengineering.com)
