设计公司的起家之路-Fabless-《芯苑》

得益于我们这些pure-play Foundy,降低了很多创业投资者进入半导体行业的门槛,让半导体行业不再是IDMs(整合元件制造商)的私人会所,如今很多创业者和投资者通过设计公司或设计服务/代理公司来加入到半导体行业,不乏大者如OmniVision就是夫妻两个开的店。

业界共识,从工业分析到发明到公司运作,一个先进的(leading-edge)数字芯片的研发需要30~100 million美金。当然以这样的投资估计也还是只有少数人或投资公司才可以玩得起。如今的IC业对国民经济的影响已经非常大,每年的IC进口量已经超过了石油的进口量,可想而知。所以国家花大本钱来打造中国自主的IC产业链。那我们一些起家的小设计公司再这样的红潮下,该如何发展?如何生存呢?

首先,我们研究下为什么IC芯片研发为什么这么贵?它都花到哪里去了?

1) Mask Cost: 过去的一些mature的制程,它的技术已经成熟所以mask价格比较低一套约100K美金吧,但是一套leading-edge的制程光罩约1~2Million美金,相差不是一点点啊。所以说一个小公司如果一次流片不成功,很容易就公司倒闭了。然而总是会有同情或扶持弱者的措施,我们会提供MPW服务或者MLM服务,所谓MPW就是Multi-project-wafer(多项目晶圆)可以多家客户放在同一张光罩上,到时候切割各自的芯片给他们,这样这一套光罩的成本就是多家设计公司分摊了,所以没家代工厂都会提供定期的MPW便车服务,大家一起过来搭便车就行了。另外一个叫做MLM叫做Multi-layer Mask,这是多合一的光罩,我每张光罩做四合一的,这样成本就降低到25%,这也是需要FAB同意的。

2) EDA工具:那些简单的电路也许你自己用L-Edit或者其他的Layout画图工具手动画gds就可以了。但是大型或者系统电路需要模块化设计并且需要根据FAB提供的模型进行电路仿真,这必须要买一套EDA工具,随着性能的整合和提升,价钱也是水涨船高,我十年前买的一套永久TCAD license将近10万美金,还是高校研究所价格。(因为EDA公司希望学生们在学校就学这个,所以出去就更加使用它们的产品了)

3) 深亚微米芯片的复杂度:在0.35um时代,Life is simple。然而到0.18um以下时代,我们要开始面临wire delay、voltage drop、signal integrity、leakage,还有要面对process导致的问题,如stress。这里面的每个问题都是痛苦的(painful)。但是EDA能够帮你解决这些问题,它整合了一群非常专业的设计业者(Expert team)把他们的经验以及理论融入到这个EDA工具中,所以只需要很简单的设计者就可以避免这些问题,并且大大缩短中小设计公司的设计周期 (6~9months -> several weeks)。

4) 芯片复杂度:Bingo,由于摩尔定律的推动,期间尺寸越来越小,所以在最先进的制程芯片里,通常含有数百亿个晶体管(multi-billion transistors),当然晶体管越多,这芯片越复杂。复杂的SOC系统芯片更是昂贵至极,没个~10Million美金,你也拿不下啊,还有ASIC专用集成电路也是。

假设一家75人的公司花~50million美金做SOC系统芯片,约花三年时间从创立到盈利,则他的Cost构成如下:

设计公司的起家之路-Fabless-《芯苑》

所以说,结合以上四点,一个非常先进的芯片对一个小设计公司来讲就是人月神话(The Mythical Man-Month)。尤其是系统芯片,应该是设计里面的最高殿堂。

另外一个决定设计公司是否赚钱的因素就是"Time-to-Money",我们应该很容易理解,你上市时间越晚你的Time-to-Money自然就越长,业界sales普遍经验是一颗产品一年要赚10million那是很难的,除非你量很大。而对于刚起步的设计公司,在他还没有盈利之前主要还是受投资人摆布或者受宏观经济影响,所以很难坚持下去,如果再赶上2008年的情景几乎就只能关门了。

所以,对于设计公司来讲,如果要想生存,必须选择好以下几点:

1. 选择好你的市场

最大程度决定半导体芯片的成本是设计复杂度,最简单的降低成本的方法莫过于降低设计复杂度,说白了就是从低端产品入手。目前市场上最尖端的IC芯片莫过于手机SOC应用处理器,上亿的晶体管以及几百个pin脚引线,按单位数量晶体管或引脚投入研发成本的话,你的算算你需要多少倍的人力财力?光软件和硬件的投入都得1B$以上吧。

但是不见得市场都需要把所有的外围 (PCI, DDR, USB, ethernet, etc)都整合到一个SOC里面去,那样所付出的成本和risk将会非常大。比如上半年Intel收购Altera也是为了进一步整合CPU和FPGA将处理和运算合二为一,Intel自己为什么不做?不是因为他没那能力,而是他没人家专业,路会非常长。他们care不仅是cost,而且是整合度、验证、测试模块、Debug等附加的cost到标价中。当然有些芯片提供者会整合一些其他功能进入芯片并原价免费送给客户,这也是一种策略。所以我们的起家的Fabless都会选择外围设备入手,逐步整合其他function,即使大公司也是大行此道,除了上面的Intel收购Altera,再者之前iPhone拆解里面有NFC secure和NFC Booster,可是后来的iPhone就没有NFC Booster了,被整合到NFC Secure Chip里面去了。

2. Fabless的成本划分

一个简单的SOC芯片的设计团队从创立到营运到最后的生命期结束,最少需要75个工程人员。从软硬体到前中后端再到销售总体人力划分如下,几乎一半以上都是在软硬体的芯片设计团队(所以说一个设计公司来visit,通常我们都会问他的人力划分如何?就知道他们的侧重以及企业健康度)。

设计公司的起家之路-Fabless-《芯苑》

我们再回来,加入我们愿意放弃时间(Time-to-Market)和部分利润(Time-to-Profit)来达到最小的Cost,我们该如何实现?让我们来进入细项来研究如何降低每项的cost。

1) 软件支出:现在很多的系统芯片都带有指令集,而且这些指令集都是从第三方买入的,大部分都是微软或者ARM (你买杂牌的很多主流软件就不支持了.),垄断而且昂贵。但是问题是很多客户不愿意支付这样的软件费用,因为很多的指令集他们根本用不到,或者他们更愿意开源代码自己编程,这样就给我们的小设计公司带来了商机:1) 定制你的开源代码的指令架构(如ANSI-C指令集). 2) 开发一个更便宜好用的有吸引力的芯片,客户可以自己编程或选择或增加功能。

2) 硬件支出:通常的口号是“降低、复用、回收”,降低则是把没用的feature拿掉,我们应该经常做市场调查看那些feature/module是客户不需要的,坚决砍掉。复用则是那些成熟的有效的模块(blocks)我们要拿回来继续用,毕竟成本低而且技术成熟。回收我还没懂什么意思,难道是把过去伟大的芯片拿来拆解学习??前两大是一家公司保持持续竞争力的核心,一家SOC公司如果不坚持走下去的话,他的路不会长远,因为他会失去市场的窗口并且会增加研发成本。

3) 设计验证(design verification):虽然说降低复杂度是降低成本的好方法,但不是唯一的。还有一种方法是设计一套有经验的系统集合并定义好每项的规范去给团队人员做设计和验证。千万不要一开始就把设计的团队和验证的团队以及写结构/系统的团队分开,那大家各自为政所付出的代价是非常昂贵的,通常查问题(debug)的难度以及成本将会是写验证程序的两倍,如果一开始就能写出一个比较完美的设计验证系统,后面省出来的不仅是debug的cost还有时间。(很多设计公司都有招这类人才)

4) 后端(Backend):这里的后端不是半导体制程的后端,而是整个产业链的后端,因为设计在最前面,在他后面的都叫后端了。现在的系统非常复杂,必须要有一个庞大昂贵的ecosystem来支持整个产业的运作。我们小设计公司必须要依赖这些后端公司,才能活下去,我们通常称之为“外包/outsourcing”,一般包括:制造(must),RTL设计,合成(synthesis),验证(Verification),封装设计(package design),电路板设计(Board),测试(Testing),仓储/物流(logistics),等等。根据你的实力选择外包的项目。当然外包越多你赚的越少,因为每家公司都要赚你30%的利润率,所以说为什么我们都要垂直整合,我们自己赚total cost的40~60%的利润率,也比一层层被人家剥削最后便宜啊。

5) 销售/市场 (Sales/Marketing):现在的销售已经不是拿个PPT去宣讲就可以卖得掉了,那只能是浪费人力财力。你讲的越大声你的机会越小,因为客户永远不会去验证,所以你必须等你的产品出来让客户验证并且持续的验证都是work的,才能打入他们的领域。所以前期不要满世界的跑,选好少量的几家客户重点攻关验证。

所以,大公司可以花100million美金(or >1Billion)去研发一个SOC,但是小公司也可以花少于2Million的研发就可以有收益(profitability)。看你怎么运作了!