芯片研發管理存在的問題及原因分析

李 鋆

（北京萬協通信息技術有限公司，北京 100085）

1 芯片研發面臨的挑戰

隨著制造工藝水平的提高，CMOS工藝技術節點已經從2009年的65 nm線寬逐步之間發展至8 nm，線寬呈現出持續縮減的態勢，芯片集成晶體管數量相反，結構越來越復雜，芯片已經真正地進入了納米級時代。因此，芯片制造工藝的發展已經成為整個芯片行業向前發展的決定性因素[1]。隨著各類新材料和復雜工藝的應用，越來越多的非線性工藝約束誕生，隨機性與系統性誤差增加，且呈現出不斷提升的趨勢，芯片研發設計進入瓶頸階段，出現了越來越多的問題。

1.1 亞波長光刻圖形失真

納米時代后，芯片行業的研發設計規模顯著增加，并且越來越復雜，從65 nm節點開始，“亞波長光刻”技術被應用于制造工藝中。舉例來說，65 nm節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%。現階段，晶圓代工廠基于分辨率擴展技術與光學鄰近修正（OPC）來解決亞波長光刻圖形失真的問題。然而光學鄰近修正（OPC）的修正能力有限，芯片研發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，在芯片實際研發過程中應用各項知識。

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。如果可制造性設計欠缺，必然會影響銅的質量，使其發生凹陷，甚至是腐蝕，并作用于時序、電遷移設計特點。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，層面介質厚度出現了轉變，受到拋光缺陷影響出現的不期望時序等問題，會使芯片的成品率持續縮減。

1.3 多晶特征尺寸問題

節距、多晶密度是影響多晶特征尺寸的主要因素，其會對無法預知的時序產生決定性作用。受到較長Poly-CD帶來的傳輸時延導致的最大準許時間超時的影響，會令速度大幅下降。從最小時延路徑方面來看，窄Poly-CD引發的最小時延時間會使芯片的功能喪失。因此必須認真、嚴肅地對待這個問題。值得提及的是，Poly-CD區別屬于系統級類別，能夠應用光學方法在光刻中加以修正，修正前提掩膜與圖形密度分的轉變。假設在芯片研發設計階段中，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試驗，從而完成最佳修正。

1.4 天線效應問題

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

1.5 芯片可制造性設計問題

以低于65 nm的納米技術為例，晶圓代工廠發現，對于期望值來說，生產早期的實際成品率低了很多，60%以上的設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及成品率要求。在早期實行的芯片研發流程中，芯片制造與芯片設計具有獨立的特點，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。在芯片研發設計中，成品率及可制造性設計成為了主要難題，芯片制作工藝與研發設計中的問題對芯片的發展產生了嚴重阻礙。因此，芯片研發人員必須具備制造意識，在設計中考慮芯片制造的可行性，優化從芯片研發設計到芯片制造的整個流程[2]。

綜上所述，芯片已經進入了納米級時代，芯片制造工藝的發展已經成為整個芯片行業向前發展的決定性因素。在芯片的研發設計過程中，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計方案，保證研發設計出的芯片成品率，卻不會受到制作過程中因素的影響，使性能、功能等喪失，并帶來巨大的經濟損失。受無法規避可制造性問題的影響，“可制造性設計”逐漸演變成為芯片研發環節中的關鍵因素，在此嚴峻形勢下，只有解決了上述弊端，才能夠更好地推動芯片及相關行業的發展，并為企業帶來利潤。

2 芯片研發管理存在的問題

2.1 公司組織架構問題

最強矩陣組織是芯片設計公司當前最普遍的應用形式，在大型研發項目中適用。對于各研發人員來說，匯報對象可以劃分為2類，即產品項目負責人與職能部門負責人，該方式的優點是能夠為芯片設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，屬于最佳結合形式；產品項目負責人的話語權較高，滿足了芯片設計公司業務為先的戰略方針需求。但是，該組織架構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”。根據訪談的內容，總結了芯片研發管理問題的分布情況，如圖1所示。

經過訪談后分析，產品項目負責人幾乎都是研發背景出身，對生產制造領域了解甚少，對生產制造部門的重視程度和項目參與度不高，導致芯片研發過程中的制造環節沒有過多涉及，評審也流于形式；如果芯片在產品實現或個人化階段出現了異常問題，為了項目進度，產品項目負責人也只是堵漏式地處理發生的問題，不能系統地跟進和改正，使客戶在使用產品時出現問題。

2.2 公司項目管理問題

芯片設計公司基于項目管理對采購管理、時間管理、人力資源管理、風險管理以及成本管理等研發管理中涉及的工作進行了集合，統一在平臺上實施，其步驟有3個：1）對項目管理構架進行確立，對于后續事項來說，該步驟為出發點，也是基礎階段。2）建立研發團隊，同時創建產品開發流程和研發支持系統，要與企業管理、產品特征相符，以此激勵、考核研發人員工作。3）建立項目組織小組，便于監控研發項目中的各環節，例如預算、風險、交期以及成本等，同時完善產品管理系統，解決知識產權、研發成果問題。但是，在產品研發過程中，對芯片設計階段投入大量的人力成本，時間周期和預算也相對寬泛；而在產品實現或個人化階段則投入了較少的成本，時間周期和預算也相對緊張，如果出現制造異常，好像是生產制造部門人員延誤了項目進展；在產品規劃階段，芯片研發中心負責人就沒有事先安排產品實現和個人化階段可能出現的異常情況，在計算成本、交期和預算時總是向研發部門傾斜和“優待”。

在研發團隊建設方面，芯片設計公司將自身定位為高科技企業，研發工作占主導地位。就研發團隊建設來說，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、建設中創建雙向監督工作機制，并納入日常的管理框架中。但是，在生產制造團隊的建設中經常會遇到一些問題，現有的高端制造人員的引入機制也不符合公司業務的發展，生產制造人員和研發人員之間的鴻溝逐漸加深，雙方的溝通比較困難。

2.3 公司研發管理流程問題

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

目前，芯片設計公司的生產制造人員介入芯片研發主要集中在后期的產品實現和個性化階段。而在需求確認、產品規劃和產品設計階段，都沒有正式的生產制造人員介入。當生產制造人員發現芯片的某項功能或指標不滿足設計要求后，去找項目經理溝通，項目經理再找研發人員協調解決此類問題。

圖1 芯片研發管理問題分布圖

2.4 芯片制造的問題

2.4.1 需求不明確

市場相關人員根據客戶的要求，提出了芯片靈敏度等技術指標需求，但是在何種測試環境下，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自己的工作經驗對芯片靈敏度的應用環境進行預測，并據此進行芯片算法設計。當研發芯片進入產品實現階段，生產制造人員介入后，市場相關人員才與客戶進行二次確認，這必然會影響產品實現階段的項目進度。而且，如果客戶的測試環境和測試信號源比較特殊，研發人員又不得不被動地增加工作量，為生產制造中心搭建相應的測試環境；以上都將本應在需求確認階段的工作推后了，不利于提高芯片研發工作的整體進度，控制成本。

2.4.2 生產人員參與度低

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

2.4.3 研發與生產存在隔閡

在芯片研發過程中，芯片設計公司對芯片的研發和制造進行了分割，以設計規格進行后續制造信息的傳遞和溝通。對于芯片研發人員來說，只關注版圖信息和電路功能、連接情況間的相符度，而忽略了制造環節中存在的偏差問題，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，研發人員在版圖的畸變問題上也未給予關注，造成了后續相關弊端的累積，并最終爆發，對整個芯片研發流程產生了不利影響，降低了產品成品率。芯片設計公司在芯片研發過程中，角色的區分比較明顯，研發人員和生產制造人員之間就像隔著一堵墻。芯片設計公司發現，當在生產制造過程中發生設計變更時，常常是由于研發人員和生產制造人員的溝通出現了問題。并且，芯片設計公司調查統計發現，由于芯片研發設計中的存在的技術不足，使芯片質量降低，并對生產質量、售后服務產生影響，使外部損失成本提高[3]。

3 芯片研發管理問題的原因分析

芯片研發設計人員和生產制造人員間的不協調問題時常出現，導致芯片設計與制造過程出現問題。一般情況下，問題產生的原因有5個。

3.1 關注點不同

雙方都十分了解自身業務領域的信息與知識，然而卻無法把握其余領域內容，特別是技術知識，各部門對于新產品的考量皆由自身角度出發，并未關注到其他職能部門的功能。

3.2 目標不同

雙方在目標上存在差異。舉例來說，創新是芯片研發人員的目標，努力追求產品技術的不斷革新和進步，在產品外觀、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，特別是在現存制造工藝的局限方面；生產制造人員更關注現有資源的利用效率和設計的可制造性和可裝配性，更注重降低生產成本，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。研發人員享受的待遇、薪資、地位遠遠超出了生產制造人員；人們普遍認為研發人員具備創造性，是企業創造價值的主力，而生產制造人員的文化教育水平相對較低，經常被矮化或邊緣化；并且兩者辦公場所不同，關系并不緊密。

3.4 管理模式不同

事業部的芯片設計采用強矩陣式的項目管理模式，各研發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點也非常熟悉，項目輸出也有據可循；而生產制造中心的芯片生產采用標準化的計劃排產管理模式，按照每小時的設備或人工產能進行規劃和安排，每天制造產品的相似度很高，且均為批量測試成功后穩定的芯片產品。

3.5 信息化系統不同

雙方使用的信息化系統不同。事業部在芯片設計時使用“青銅器”研發管理系統，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；而生產制造中心在芯片制造時使用ERP系統，在系統中完成生產領料、排產、入庫或轉庫、結算等工作，雙方的信息化系統不互連，信息不共享，從而導致雙方的信息交流不暢。

4 結語

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

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