Достижение успеха в индустрии в качестве разработчика микросхем

Я занимаюсь проектированием специализированных интегральных схем (ASIC) почти три десятилетия. За это время я прошел весь академический путь, от аспиранта до профессора; позже, после неудачной попытки заняться предпринимательством, я перешел в промышленность. Когда в 2019 году я перешел в частный сектор, я начал сосредотачиваться на критически важном аспекте электронной промышленности: интеллектуальной собственности в области кремниевых технологий.

В современных самых передовых микросхемах до 80 процентов физической площади занимают блоки, не предназначенные для конкретных продуктов и даже не разработанные компаниями-производителями, ориентированными на потребителя. Вместо этого производители микросхем активно используют уже существующие интеллектуальные разработки таких компаний, как Arm, Cadence, Rambus, Synopsys, а также компании Silicon Creations, в которой я работаю.

На протяжении своей карьеры я разрабатывал микросхемы для самых разных целей, включая поддержку исследовательской программы в моей академической лаборатории и расширение портфеля интеллектуальной собственности моей компании. Когда я пришел в Silicon Creations, я понятия не имел, насколько по-разному отрасль подходит к проектированию интегральных схем, и столкнулся с необходимостью быстро осваивать новые навыки. Поначалу казалось, что большая часть моего двадцатилетнего опыта академических исследований и обучения не совсем подходит для этой работы. Мне пришлось освоить новые навыки и изменить свой образ мышления.

Сегодня спрос на ASIC быстро растёт, чему способствуют потребности в специализированных микросхемах в автомобильной промышленности, приложениях искусственного интеллекта и многом другом. По одной из оценок рынка, ожидается, что к 2033 году рынок ASIC вырастет с 23,4 млрд долларов США до 38,8 млрд долларов, а полупроводниковая промышленность в целом, по прогнозам, достигнет 1 триллиона долларов к 2030 году. Отрасли нужно больше разработчиков микросхем, но если вы, как и я, имеете академическое образование, вам нужно знать несколько вещей.

Разные цели приводят к разным стратегиям.

Различия между промышленностью и академической средой начинаются с расхождения целей. В академической среде моей главной задачей было получение новых знаний: разработка новой схемотехнической технологии, проверка нетрадиционной архитектуры или исследование пределов производительности в данной области. Успешный чип — это тот, который демонстрирует концепцию. В промышленности недостаточно просто доказать, что что-то может работать. Цель состоит в том, чтобы обеспечить его надежную, многократную и масштабируемую работу. Успех измеряется не новизной, а соответствием кремния техническим требованиям, ожидаемой производительностью в производстве и обеспечением конкурентоспособного продукта, поставляемого в срок.

Это приводит к резкому контрасту в допустимом уровне риска. В академической среде часто намеренно исследуют непроверенные области, где даже частичный успех может дать ценные результаты. В промышленности же мы систематически минимизируем риск. Стоимость неудачи делает успех с первого раза на кремниевых пластинах центральным требованием — особенно на передовых технологических узлах, где одни только литографические маски, используемые для переноса схем на кремниевые пластины, могут стоить десятки миллионов долларов. В результате, в промышленности процессы проектирования строятся на устранении неопределенности за счет консервативных запасов прочности, обширной проверки и тщательного повторного использования проверенных решений.

«Академическая среда исследует пространство проектирования, задаваясь вопросом о том, что возможно, в то время как промышленность использует его, определяя, что жизнеспособно в больших масштабах».

Эта парадигма существует с 1970-х годов, когда было разработано специализированное проектирование микросхем. Однако разрыв между академической средой и промышленностью значительно увеличился с середины 2010-х годов, когда технология FinFET, трехмерная архитектура с использованием вертикальных «ребер» кремния, получила широкое распространение в промышленности. Системы также становятся все более модульными с появлением чиплетов. Это коренным образом изменило экономику и сложность разработки ASIC, при этом стоимость проектирования выросла почти на порядок. Такие инициативы, как университетская программа FinFET компании Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. и новые финансируемые государством центры проектирования микросхем, теперь позволяют некоторым хорошо обеспеченным ресурсами университетам проектировать более совершенные архитектуры, но эта технология по-прежнему недоступна для многих ученых.

Что означает раскол между промышленностью и академической средой на практике?

Рассмотрим стартап, разрабатывающий ASIC-микросхему. Его инженерная команда может обладать глубокими знаниями в конкретном алгоритме, интерфейсе датчика или системной архитектуре — характеристиках, определяющих его конкурентное преимущество. Но вряд ли он будет обладать экспертными знаниями мирового уровня во всех вспомогательных функциях. Разработка каждого из этих блоков собственными силами потребует значительного времени, капитала и специализированных кадров. Это может отложить выход на рынок до тех пор, пока стартап не станет жизнеспособным.

Даже крупные полупроводниковые компании сталкиваются с аналогичными ограничениями. Разработка передовых технологических процессов требует предельной концентрации внимания. Выделение команды для перепроектирования стандартного интерфейсного блока, который уже реализован в другом месте, может быть трудно оправдать, когда дифференциация происходит на системном уровне, например, способность чипа для вывода информации ускорять вычисления в нейронных сетях. Время, необходимое для вывода нового чипа от концепции до рынка, и снижение рисков, а не самодостаточность, определяют большинство решений о внутренней разработке или аутсорсинге.

Экономические аспекты производства передовых интегральных схем подтверждают эту реальность. Когда стоимость разработки передового чипа достигает сотен миллионов долларов, минимизация рисков становится важнейшим императивом проектирования.

В этом контексте кремниевая IP-инфраструктура стала практическим решением. Подобно тому, как разработчики программного обеспечения полагаются на существующие библиотеки, а не пишут каждую функцию с нуля, разработчики ASIC лицензируют предварительно разработанные и проверенные кремниевые блоки — такие как процессорные ядра, интерфейсы памяти и механизмы безопасности — у высокоспециализированных поставщиков IP-блоков. Затем эти блоки могут быть интегрированы в более крупные и все более сложные системы.

Объем работ, проверка и временные рамки проектирования.

Использование кремниевой интеллектуальной собственности (IP) позволяет промышленности расширить возможности своих разработок. Академические исследования, как правило, сосредоточены на инновациях на уровне блоков: например, на новой архитектуре аналого-цифрового преобразователя или усилителе со сверхнизким уровнем шума. Эти разработки обычно позволяют избежать многих сложностей, связанных с выводом микросхемы на рынок, таких как ограничения по упаковке, долговременная надежность и выход годной продукции при производстве.

В промышленности акцент смещается на интеграцию на системном уровне. Современные системы на кристалле (SoC) включают в себя десятки или даже сотни функциональных блоков. Управление целостностью сигналов, синхронизацией, взаимодействием с микропрограммным обеспечением и проверкой на системном уровне становится столь же важным, как и проектирование любого отдельного блока.

Философия верификации также резко различается. В академической среде цель верификации состоит в том, чтобы продемонстрировать, что концепция работает в номинальных условиях, которые не всегда могут отражать то, как она будет работать в реальных приложениях. Даже если только часть изготовленных микросхем с многопроектной пластины работает правильно, конструкция все равно может считаться успешной, если она подтверждает лежащую в ее основе идею.

Например, в моей академической лаборатории мы получали 40 микросхем от компании TSMC, занимающейся прототипированием, и начинали тестирование партиями по пять штук. Если первые пять или десять микросхем оказывались работоспособными, мы уже собирали более чем достаточно данных для публикации. Если же некоторые из них выходили из строя, нам не нужно было упоминать об этом при публикации результатов.

В промышленности верификация — это исчерпывающий, критически важный процесс, который часто занимает большую часть графика разработки. Количество отказов измеряется в частях на миллион, и даже редкие аномалии тщательно анализируются и документируются для выявления первопричин и предотвращения повторения. Когда я начал работать в Silicon Creations, меня удивил уровень детализации и тщательности, с которыми сталкиваются разработчики.

Различия во временных горизонтах и экономических ограничениях усиливают каждое из этих различий. Академические проекты работают по гибким графикам, согласованным с циклами исследований и финансирования. Если я не укладывался в срок, мне просто приходилось ждать следующего цикла. Промышленные проекты, напротив, ориентированы на фиксированные сроки выпуска продукции и рыночные окна, часто нацеленные на дорогостоящие передовые технологические процессы для достижения конкурентоспособных показателей производительности, энергопотребления и эффективности использования площади. Несоблюдение сроков может свести на нет ценность всей разработки и иметь серьезные финансовые последствия для всей цепочки поставок.

По сути, академическая среда исследует пространство проектирования, задаваясь вопросом о том, что возможно, в то время как промышленность использует его, определяя, что жизнеспособно в масштабах. Обе стороны незаменимы, но они работают в рамках принципиально разных определений успеха. По мере роста сложности ASIC понимание обеих точек зрения будет иметь важное значение для следующего поколения инженеров, ориентирующихся в постоянно меняющемся ландшафте полупроводниковой промышленности.

Данная статья опубликована в печатном номере за июнь 2026 года.