李 鋆

（北京萬協(xié)通信息技術(shù)有限公司，北京 100085）

1 芯片研發(fā)面臨的挑戰(zhàn)

隨著制造工藝水平的提高，CMOS工藝技術(shù)節(jié)點已經(jīng)從2009年的65 nm線寬逐步之間發(fā)展至8 nm，線寬呈現(xiàn)出持續(xù)縮減的態(tài)勢，芯片集成晶體管數(shù)量相反，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，芯片已經(jīng)真正地進入了納米級時代。因此，芯片制造工藝的發(fā)展已經(jīng)成為整個芯片行業(yè)向前發(fā)展的決定性因素[1]。隨著各類新材料和復(fù)雜工藝的應(yīng)用，越來越多的非線性工藝約束誕生，隨機性與系統(tǒng)性誤差增加，且呈現(xiàn)出不斷提升的趨勢，芯片研發(fā)設(shè)計進入瓶頸階段，出現(xiàn)了越來越多的問題。

1.1 亞波長光刻圖形失真

納米時代后，芯片行業(yè)的研發(fā)設(shè)計規(guī)模顯著增加，并且越來越復(fù)雜，從65 nm節(jié)點開始，“亞波長光刻”技術(shù)被應(yīng)用于制造工藝中。舉例來說，65 nm節(jié)點光刻使用的光源波長為196 nm，而芯片的大小不到光源波長的35%?，F(xiàn)階段，晶圓代工廠基于分辨率擴展技術(shù)與光學(xué)鄰近修正（OPC）來解決亞波長光刻圖形失真的問題。然而光學(xué)鄰近修正（OPC）的修正能力有限，芯片研發(fā)人員必須加強對光刻流程的了解，明確圖形失真的縮減方式，在芯片實際研發(fā)過程中應(yīng)用各項知識。

1.2 銅互連制造問題

芯片成品率受銅互連制造問題的影響。如果可制造性設(shè)計欠缺，必然會影響銅的質(zhì)量，使其發(fā)生凹陷，甚至是腐蝕，并作用于時序、電遷移設(shè)計特點。對于有限的互連圖形來說，受短路的影響，會在一定程度上降低芯片的成品率。銅工藝的主要成品率的影響因素來自于通孔開路，隨著互連密度的波動，層面介質(zhì)厚度出現(xiàn)了轉(zhuǎn)變，受到拋光缺陷影響出現(xiàn)的不期望時序等問題，會使芯片的成品率持續(xù)縮減。

1.3 多晶特征尺寸問題

節(jié)距、多晶密度是影響多晶特征尺寸的主要因素，其會對無法預(yù)知的時序產(chǎn)生決定性作用。受到較長Poly-CD帶來的傳輸時延導(dǎo)致的最大準(zhǔn)許時間超時的影響，會令速度大幅下降。從最小時延路徑方面來看，窄Poly-CD引發(fā)的最小時延時間會使芯片的功能喪失。因此必須認(rèn)真、嚴(yán)肅地對待這個問題。值得提及的是，Poly-CD區(qū)別屬于系統(tǒng)級類別，能夠應(yīng)用光學(xué)方法在光刻中加以修正，修正前提掩膜與圖形密度分的轉(zhuǎn)變。假設(shè)在芯片研發(fā)設(shè)計階段中，晶體管都的排列方向一致，則修正起來更簡單，反之必須進行多次重復(fù)試驗，從而完成最佳修正。

1.4 天線效應(yīng)問題

天線效應(yīng)與柵損傷間相互關(guān)聯(lián)，并影響到芯片的成品率，受到早期負偏壓溫度不穩(wěn)定性的影響引發(fā)的漂移，直接影響了晶體管的性能，使其出現(xiàn)衰退等問題。所以納米級CMOS工藝除了要改變芯片研發(fā)的設(shè)計方法，還要引入寄生參數(shù)與分散性參數(shù)，以此提升芯片電路制造成品率，改善芯片研發(fā)設(shè)計流程。

1.5 芯片可制造性設(shè)計問題

以低于65 nm的納米技術(shù)為例，晶圓代工廠發(fā)現(xiàn)，對于期望值來說，生產(chǎn)早期的實際成品率低了很多，60%以上的設(shè)計存在重新制作掩膜版的需要，只有這樣才能夠達成性能指標(biāo)及成品率要求。在早期實行的芯片研發(fā)流程中，芯片制造與芯片設(shè)計具有獨立的特點，各工藝約束都用模型替代，即PICE模型，然而此類模型在工藝約束存在偏差的處理與傳遞方面都存在弊端。在芯片研發(fā)設(shè)計中，成品率及可制造性設(shè)計成為了主要難題，芯片制作工藝與研發(fā)設(shè)計中的問題對芯片的發(fā)展產(chǎn)生了嚴(yán)重阻礙。因此，芯片研發(fā)人員必須具備制造意識，在設(shè)計中考慮芯片制造的可行性，優(yōu)化從芯片研發(fā)設(shè)計到芯片制造的整個流程[2]。

綜上所述，芯片已經(jīng)進入了納米級時代，芯片制造工藝的發(fā)展已經(jīng)成為整個芯片行業(yè)向前發(fā)展的決定性因素。在芯片的研發(fā)設(shè)計過程中，不得不面對芯片的可制造性問題，所以必須引進新的驗證和設(shè)計方案，保證研發(fā)設(shè)計出的芯片成品率，卻不會受到制作過程中因素的影響，使性能、功能等喪失，并帶來巨大的經(jīng)濟損失。受無法規(guī)避可制造性問題的影響，“可制造性設(shè)計”逐漸演變成為芯片研發(fā)環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵因素，在此嚴(yán)峻形勢下，只有解決了上述弊端，才能夠更好地推動芯片及相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，并為企業(yè)帶來利潤。

2 芯片研發(fā)管理存在的問題

2.1 公司組織架構(gòu)問題

最強矩陣組織是芯片設(shè)計公司當(dāng)前最普遍的應(yīng)用形式，在大型研發(fā)項目中適用。對于各研發(fā)人員來說，匯報對象可以劃分為2類，即產(chǎn)品項目負責(zé)人與職能部門負責(zé)人，該方式的優(yōu)點是能夠為芯片設(shè)計公司的所有決定提供保證，與公司整體利益和職能部門的利益相符，屬于最佳結(jié)合形式；產(chǎn)品項目負責(zé)人的話語權(quán)較高，滿足了芯片設(shè)計公司業(yè)務(wù)為先的戰(zhàn)略方針需求。但是，該組織架構(gòu)仍舊不能有效保證項目運行的順利進行，為此組織了“項目運行訪談”。根據(jù)訪談的內(nèi)容，總結(jié)了芯片研發(fā)管理問題的分布情況，如圖1所示。

經(jīng)過訪談后分析，產(chǎn)品項目負責(zé)人幾乎都是研發(fā)背景出身，對生產(chǎn)制造領(lǐng)域了解甚少，對生產(chǎn)制造部門的重視程度和項目參與度不高，導(dǎo)致芯片研發(fā)過程中的制造環(huán)節(jié)沒有過多涉及，評審也流于形式；如果芯片在產(chǎn)品實現(xiàn)或個人化階段出現(xiàn)了異常問題，為了項目進度，產(chǎn)品項目負責(zé)人也只是堵漏式地處理發(fā)生的問題，不能系統(tǒng)地跟進和改正，使客戶在使用產(chǎn)品時出現(xiàn)問題。

2.2 公司項目管理問題

芯片設(shè)計公司基于項目管理對采購管理、時間管理、人力資源管理、風(fēng)險管理以及成本管理等研發(fā)管理中涉及的工作進行了集合，統(tǒng)一在平臺上實施，其步驟有3個：1）對項目管理構(gòu)架進行確立，對于后續(xù)事項來說，該步驟為出發(fā)點，也是基礎(chǔ)階段。2）建立研發(fā)團隊，同時創(chuàng)建產(chǎn)品開發(fā)流程和研發(fā)支持系統(tǒng)，要與企業(yè)管理、產(chǎn)品特征相符，以此激勵、考核研發(fā)人員工作。3）建立項目組織小組，便于監(jiān)控研發(fā)項目中的各環(huán)節(jié)，例如預(yù)算、風(fēng)險、交期以及成本等，同時完善產(chǎn)品管理系統(tǒng)，解決知識產(chǎn)權(quán)、研發(fā)成果問題。但是，在產(chǎn)品研發(fā)過程中，對芯片設(shè)計階段投入大量的人力成本，時間周期和預(yù)算也相對寬泛；而在產(chǎn)品實現(xiàn)或個人化階段則投入了較少的成本，時間周期和預(yù)算也相對緊張，如果出現(xiàn)制造異常，好像是生產(chǎn)制造部門人員延誤了項目進展；在產(chǎn)品規(guī)劃階段，芯片研發(fā)中心負責(zé)人就沒有事先安排產(chǎn)品實現(xiàn)和個人化階段可能出現(xiàn)的異常情況，在計算成本、交期和預(yù)算時總是向研發(fā)部門傾斜和“優(yōu)待”。

在研發(fā)團隊建設(shè)方面，芯片設(shè)計公司將自身定位為高科技企業(yè)，研發(fā)工作占主導(dǎo)地位。就研發(fā)團隊建設(shè)來說，包括成員招聘等工作，都需要采用完善的流程定義與機制，需要在團隊管理、建設(shè)中創(chuàng)建雙向監(jiān)督工作機制，并納入日常的管理框架中。但是，在生產(chǎn)制造團隊的建設(shè)中經(jīng)常會遇到一些問題，現(xiàn)有的高端制造人員的引入機制也不符合公司業(yè)務(wù)的發(fā)展，生產(chǎn)制造人員和研發(fā)人員之間的鴻溝逐漸加深，雙方的溝通比較困難。

2.3 公司研發(fā)管理流程問題

在流程管理方面，芯片設(shè)計公司梳理了1條符合企業(yè)自身特征的研發(fā)步驟，并將其作為有效方案，公司以此挖掘市場機會，進行產(chǎn)品研發(fā)與服務(wù)改進，滿足市場需求?，F(xiàn)階段，芯片設(shè)計公司內(nèi)部最為重要的管理工具是新產(chǎn)品導(dǎo)入流程，只有持續(xù)優(yōu)化該流程，并從制度角度出發(fā)，提升管控持續(xù)性與研發(fā)流程的規(guī)范性，才能夠保證公司研發(fā)工作更好地完成。但是，在流程執(zhí)行的過程中，研發(fā)人員總是“寬以待己、嚴(yán)以律人”，在生產(chǎn)制造異常時，總是嘗試突破流程的約束，只考慮是否方便，并且總是將芯片設(shè)計階段延誤的時間在產(chǎn)品實現(xiàn)階段追回來，嚴(yán)重縮短了產(chǎn)品實現(xiàn)階段中的芯片測試周期，極不利于及早地發(fā)現(xiàn)研發(fā)或制造中的問題。

目前，芯片設(shè)計公司的生產(chǎn)制造人員介入芯片研發(fā)主要集中在后期的產(chǎn)品實現(xiàn)和個性化階段。而在需求確認(rèn)、產(chǎn)品規(guī)劃和產(chǎn)品設(shè)計階段，都沒有正式的生產(chǎn)制造人員介入。當(dāng)生產(chǎn)制造人員發(fā)現(xiàn)芯片的某項功能或指標(biāo)不滿足設(shè)計要求后，去找項目經(jīng)理溝通，項目經(jīng)理再找研發(fā)人員協(xié)調(diào)解決此類問題。

圖1 芯片研發(fā)管理問題分布圖

2.4 芯片制造的問題

2.4.1 需求不明確

市場相關(guān)人員根據(jù)客戶的要求，提出了芯片靈敏度等技術(shù)指標(biāo)需求，但是在何種測試環(huán)境下，使用何種測試信號源，采用哪種測試方法對芯片的靈敏度進行檢測卻沒有進行具體說明。因此，芯片算法工程師在算法文檔里只能根據(jù)自己的工作經(jīng)驗對芯片靈敏度的應(yīng)用環(huán)境進行預(yù)測，并據(jù)此進行芯片算法設(shè)計。當(dāng)研發(fā)芯片進入產(chǎn)品實現(xiàn)階段，生產(chǎn)制造人員介入后，市場相關(guān)人員才與客戶進行二次確認(rèn)，這必然會影響產(chǎn)品實現(xiàn)階段的項目進度。而且，如果客戶的測試環(huán)境和測試信號源比較特殊，研發(fā)人員又不得不被動地增加工作量，為生產(chǎn)制造中心搭建相應(yīng)的測試環(huán)境；以上都將本應(yīng)在需求確認(rèn)階段的工作推后了，不利于提高芯片研發(fā)工作的整體進度，控制成本。

2.4.2 生產(chǎn)人員參與度低

在需求確認(rèn)、產(chǎn)品規(guī)劃和產(chǎn)品設(shè)計階段，產(chǎn)品經(jīng)理和項目經(jīng)理從不召集相關(guān)生產(chǎn)制造人員參與審核活動，生產(chǎn)制造人員沒有話語權(quán)；需求確認(rèn)、產(chǎn)品規(guī)劃和產(chǎn)品設(shè)計階段受到項目經(jīng)理的控制，在芯片生產(chǎn)制造中出現(xiàn)的任何問題只能延遲到產(chǎn)品實現(xiàn)或個人化階段時才能發(fā)現(xiàn)和解決。生產(chǎn)制造人員提出了有關(guān)生產(chǎn)制造方面的問題和改進措施，項目經(jīng)理很少采納，導(dǎo)致芯片產(chǎn)品實現(xiàn)和個人化階段出現(xiàn)的問題和隱藏未發(fā)現(xiàn)的問題都在客戶中暴露出來。

2.4.3 研發(fā)與生產(chǎn)存在隔閡

在芯片研發(fā)過程中，芯片設(shè)計公司對芯片的研發(fā)和制造進行了分割，以設(shè)計規(guī)格進行后續(xù)制造信息的傳遞和溝通。對于芯片研發(fā)人員來說，只關(guān)注版圖信息和電路功能、連接情況間的相符度，而忽略了制造環(huán)節(jié)中存在的偏差問題，使芯片制造成品率和實際工作性能受到了消極影響；除此之外，研發(fā)人員在版圖的畸變問題上也未給予關(guān)注，造成了后續(xù)相關(guān)弊端的累積，并最終爆發(fā)，對整個芯片研發(fā)流程產(chǎn)生了不利影響，降低了產(chǎn)品成品率。芯片設(shè)計公司在芯片研發(fā)過程中，角色的區(qū)分比較明顯，研發(fā)人員和生產(chǎn)制造人員之間就像隔著一堵墻。芯片設(shè)計公司發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在生產(chǎn)制造過程中發(fā)生設(shè)計變更時，常常是由于研發(fā)人員和生產(chǎn)制造人員的溝通出現(xiàn)了問題。并且，芯片設(shè)計公司調(diào)查統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，由于芯片研發(fā)設(shè)計中的存在的技術(shù)不足，使芯片質(zhì)量降低，并對生產(chǎn)質(zhì)量、售后服務(wù)產(chǎn)生影響，使外部損失成本提高[3]。

3 芯片研發(fā)管理問題的原因分析

芯片研發(fā)設(shè)計人員和生產(chǎn)制造人員間的不協(xié)調(diào)問題時常出現(xiàn)，導(dǎo)致芯片設(shè)計與制造過程出現(xiàn)問題。一般情況下，問題產(chǎn)生的原因有5個。

3.1 關(guān)注點不同

雙方都十分了解自身業(yè)務(wù)領(lǐng)域的信息與知識，然而卻無法把握其余領(lǐng)域內(nèi)容，特別是技術(shù)知識，各部門對于新產(chǎn)品的考量皆由自身角度出發(fā)，并未關(guān)注到其他職能部門的功能。

3.2 目標(biāo)不同

雙方在目標(biāo)上存在差異。舉例來說，創(chuàng)新是芯片研發(fā)人員的目標(biāo)，努力追求產(chǎn)品技術(shù)的不斷革新和進步，在產(chǎn)品外觀、性能方面有所傾向，然而并未考量到芯片制造是否可行的問題，特別是在現(xiàn)存制造工藝的局限方面；生產(chǎn)制造人員更關(guān)注現(xiàn)有資源的利用效率和設(shè)計的可制造性和可裝配性，更注重降低生產(chǎn)成本，提高芯片成品率。

3.3 組織地位不同

雙方的組織地位存在差異。研發(fā)人員享受的待遇、薪資、地位遠遠超出了生產(chǎn)制造人員；人們普遍認(rèn)為研發(fā)人員具備創(chuàng)造性，是企業(yè)創(chuàng)造價值的主力，而生產(chǎn)制造人員的文化教育水平相對較低，經(jīng)常被矮化或邊緣化；并且兩者辦公場所不同，關(guān)系并不緊密。

3.4 管理模式不同

事業(yè)部的芯片設(shè)計采用強矩陣式的項目管理模式，各研發(fā)小組的成員都彼此熟悉，對項目管理中的重要里程碑和各個節(jié)點也非常熟悉，項目輸出也有據(jù)可循；而生產(chǎn)制造中心的芯片生產(chǎn)采用標(biāo)準(zhǔn)化的計劃排產(chǎn)管理模式，按照每小時的設(shè)備或人工產(chǎn)能進行規(guī)劃和安排，每天制造產(chǎn)品的相似度很高，且均為批量測試成功后穩(wěn)定的芯片產(chǎn)品。

3.5 信息化系統(tǒng)不同

雙方使用的信息化系統(tǒng)不同。事業(yè)部在芯片設(shè)計時使用“青銅器”研發(fā)管理系統(tǒng)，其對項目成員、項目實施進展和項目成果等情況進行跟蹤管理；而生產(chǎn)制造中心在芯片制造時使用ERP系統(tǒng)，在系統(tǒng)中完成生產(chǎn)領(lǐng)料、排產(chǎn)、入庫或轉(zhuǎn)庫、結(jié)算等工作，雙方的信息化系統(tǒng)不互連，信息不共享，從而導(dǎo)致雙方的信息交流不暢。

4 結(jié)語

在芯片設(shè)計公司，芯片研發(fā)人員和生產(chǎn)制造人員共同參與芯片設(shè)計，以及參與芯片研發(fā)設(shè)計過程中的軟硬件設(shè)計、設(shè)計修正，生產(chǎn)制造過程中的圓片生產(chǎn)與芯片封測等，有利于縮短芯片設(shè)計和芯片生產(chǎn)制造周期，進而降低芯片生產(chǎn)成本。

生產(chǎn)制造人員早期參與芯片設(shè)計過程有許多益處，在需求確認(rèn)和產(chǎn)品規(guī)劃階段，生產(chǎn)制造人員更了解最新的制造技術(shù)，可以將其融入芯片的設(shè)計中；在產(chǎn)品設(shè)計階段，生產(chǎn)制造人員能夠提供硬件設(shè)計的解決方案，并幫助芯片設(shè)計人員選擇最適合的實現(xiàn)路徑。在整個芯片研發(fā)設(shè)計過程中，雙方的共同參與有利于芯片設(shè)計公司進行芯片制造的DFM，確保最終產(chǎn)品的可制造性，有利于減少設(shè)計的變更。