芯片研发管理存在的问题及原因分析

李 鋆

（北京万协通信息技术有限公司，北京 100085）

1 芯片研发面临的挑战

随着制造工艺水平的提高，CMOS工艺技术节点已经从2009年的65 nm线宽逐步之间发展至8 nm，线宽呈现出持续缩减的态势，芯片集成晶体管数量相反，结构越来越复杂，芯片已经真正地进入了纳米级时代。因此，芯片制造工艺的发展已经成为整个芯片行业向前发展的决定性因素[1]。随着各类新材料和复杂工艺的应用，越来越多的非线性工艺约束诞生，随机性与系统性误差增加，且呈现出不断提升的趋势，芯片研发设计进入瓶颈阶段，出现了越来越多的问题。

1.1 亚波长光刻图形失真

纳米时代后，芯片行业的研发设计规模显著增加，并且越来越复杂，从65 nm节点开始，“亚波长光刻”技术被应用于制造工艺中。举例来说，65 nm节点光刻使用的光源波长为196 nm，而芯片的大小不到光源波长的35%。现阶段，晶圆代工厂基于分辨率扩展技术与光学邻近修正（OPC）来解决亚波长光刻图形失真的问题。然而光学邻近修正（OPC）的修正能力有限，芯片研发人员必须加强对光刻流程的了解，明确图形失真的缩减方式，在芯片实际研发过程中应用各项知识。

1.2 铜互连制造问题

芯片成品率受铜互连制造问题的影响。如果可制造性设计欠缺，必然会影响铜的质量，使其发生凹陷，甚至是腐蚀，并作用于时序、电迁移设计特点。对于有限的互连图形来说，受短路的影响，会在一定程度上降低芯片的成品率。铜工艺的主要成品率的影响因素来自于通孔开路，随着互连密度的波动，层面介质厚度出现了转变，受到抛光缺陷影响出现的不期望时序等问题，会使芯片的成品率持续缩减。

1.3 多晶特征尺寸问题

节距、多晶密度是影响多晶特征尺寸的主要因素，其会对无法预知的时序产生决定性作用。受到较长Poly-CD带来的传输时延导致的最大准许时间超时的影响，会令速度大幅下降。从最小时延路径方面来看，窄Poly-CD引发的最小时延时间会使芯片的功能丧失。因此必须认真、严肃地对待这个问题。值得提及的是，Poly-CD区别属于系统级类别，能够应用光学方法在光刻中加以修正，修正前提掩膜与图形密度分的转变。假设在芯片研发设计阶段中，晶体管都的排列方向一致，则修正起来更简单，反之必须进行多次重复试验，从而完成最佳修正。

1.4 天线效应问题

天线效应与栅损伤间相互关联，并影响到芯片的成品率，受到早期负偏压温度不稳定性的影响引发的漂移，直接影响了晶体管的性能，使其出现衰退等问题。所以纳米级CMOS工艺除了要改变芯片研发的设计方法，还要引入寄生参数与分散性参数，以此提升芯片电路制造成品率，改善芯片研发设计流程。

1.5 芯片可制造性设计问题

以低于65 nm的纳米技术为例，晶圆代工厂发现，对于期望值来说，生产早期的实际成品率低了很多，60%以上的设计存在重新制作掩膜版的需要，只有这样才能够达成性能指标及成品率要求。在早期实行的芯片研发流程中，芯片制造与芯片设计具有独立的特点，各工艺约束都用模型替代，即PICE模型，然而此类模型在工艺约束存在偏差的处理与传递方面都存在弊端。在芯片研发设计中，成品率及可制造性设计成为了主要难题，芯片制作工艺与研发设计中的问题对芯片的发展产生了严重阻碍。因此，芯片研发人员必须具备制造意识，在设计中考虑芯片制造的可行性，优化从芯片研发设计到芯片制造的整个流程[2]。

综上所述，芯片已经进入了纳米级时代，芯片制造工艺的发展已经成为整个芯片行业向前发展的决定性因素。在芯片的研发设计过程中，不得不面对芯片的可制造性问题，所以必须引进新的验证和设计方案，保证研发设计出的芯片成品率，却不会受到制作过程中因素的影响，使性能、功能等丧失，并带来巨大的经济损失。受无法规避可制造性问题的影响，“可制造性设计”逐渐演变成为芯片研发环节中的关键因素，在此严峻形势下，只有解决了上述弊端，才能够更好地推动芯片及相关行业的发展，并为企业带来利润。

2 芯片研发管理存在的问题

2.1 公司组织架构问题

最强矩阵组织是芯片设计公司当前最普遍的应用形式，在大型研发项目中适用。对于各研发人员来说，汇报对象可以划分为2类，即产品项目负责人与职能部门负责人，该方式的优点是能够为芯片设计公司的所有决定提供保证，与公司整体利益和职能部门的利益相符，属于最佳结合形式；产品项目负责人的话语权较高，满足了芯片设计公司业务为先的战略方针需求。但是，该组织架构仍旧不能有效保证项目运行的顺利进行，为此组织了“项目运行访谈”。根据访谈的内容，总结了芯片研发管理问题的分布情况，如图1所示。

经过访谈后分析，产品项目负责人几乎都是研发背景出身，对生产制造领域了解甚少，对生产制造部门的重视程度和项目参与度不高，导致芯片研发过程中的制造环节没有过多涉及，评审也流于形式；如果芯片在产品实现或个人化阶段出现了异常问题，为了项目进度，产品项目负责人也只是堵漏式地处理发生的问题，不能系统地跟进和改正，使客户在使用产品时出现问题。

2.2 公司项目管理问题

芯片设计公司基于项目管理对采购管理、时间管理、人力资源管理、风险管理以及成本管理等研发管理中涉及的工作进行了集合，统一在平台上实施，其步骤有3个：1）对项目管理构架进行确立，对于后续事项来说，该步骤为出发点，也是基础阶段。2）建立研发团队，同时创建产品开发流程和研发支持系统，要与企业管理、产品特征相符，以此激励、考核研发人员工作。3）建立项目组织小组，便于监控研发项目中的各环节，例如预算、风险、交期以及成本等，同时完善产品管理系统，解决知识产权、研发成果问题。但是，在产品研发过程中，对芯片设计阶段投入大量的人力成本，时间周期和预算也相对宽泛；而在产品实现或个人化阶段则投入了较少的成本，时间周期和预算也相对紧张，如果出现制造异常，好像是生产制造部门人员延误了项目进展；在产品规划阶段，芯片研发中心负责人就没有事先安排产品实现和个人化阶段可能出现的异常情况，在计算成本、交期和预算时总是向研发部门倾斜和“优待”。

在研发团队建设方面，芯片设计公司将自身定位为高科技企业，研发工作占主导地位。就研发团队建设来说，包括成员招聘等工作，都需要采用完善的流程定义与机制，需要在团队管理、建设中创建双向监督工作机制，并纳入日常的管理框架中。但是，在生产制造团队的建设中经常会遇到一些问题，现有的高端制造人员的引入机制也不符合公司业务的发展，生产制造人员和研发人员之间的鸿沟逐渐加深，双方的沟通比较困难。

2.3 公司研发管理流程问题

在流程管理方面，芯片设计公司梳理了1条符合企业自身特征的研发步骤，并将其作为有效方案，公司以此挖掘市场机会，进行产品研发与服务改进，满足市场需求。现阶段，芯片设计公司内部最为重要的管理工具是新产品导入流程，只有持续优化该流程，并从制度角度出发，提升管控持续性与研发流程的规范性，才能够保证公司研发工作更好地完成。但是，在流程执行的过程中，研发人员总是“宽以待己、严以律人”，在生产制造异常时，总是尝试突破流程的约束，只考虑是否方便，并且总是将芯片设计阶段延误的时间在产品实现阶段追回来，严重缩短了产品实现阶段中的芯片测试周期，极不利于及早地发现研发或制造中的问题。

目前，芯片设计公司的生产制造人员介入芯片研发主要集中在后期的产品实现和个性化阶段。而在需求确认、产品规划和产品设计阶段，都没有正式的生产制造人员介入。当生产制造人员发现芯片的某项功能或指标不满足设计要求后，去找项目经理沟通，项目经理再找研发人员协调解决此类问题。

图1 芯片研发管理问题分布图

2.4 芯片制造的问题

2.4.1 需求不明确

市场相关人员根据客户的要求，提出了芯片灵敏度等技术指标需求，但是在何种测试环境下，使用何种测试信号源，采用哪种测试方法对芯片的灵敏度进行检测却没有进行具体说明。因此，芯片算法工程师在算法文档里只能根据自己的工作经验对芯片灵敏度的应用环境进行预测，并据此进行芯片算法设计。当研发芯片进入产品实现阶段，生产制造人员介入后，市场相关人员才与客户进行二次确认，这必然会影响产品实现阶段的项目进度。而且，如果客户的测试环境和测试信号源比较特殊，研发人员又不得不被动地增加工作量，为生产制造中心搭建相应的测试环境；以上都将本应在需求确认阶段的工作推后了，不利于提高芯片研发工作的整体进度，控制成本。

2.4.2 生产人员参与度低

在需求确认、产品规划和产品设计阶段，产品经理和项目经理从不召集相关生产制造人员参与审核活动，生产制造人员没有话语权；需求确认、产品规划和产品设计阶段受到项目经理的控制，在芯片生产制造中出现的任何问题只能延迟到产品实现或个人化阶段时才能发现和解决。生产制造人员提出了有关生产制造方面的问题和改进措施，项目经理很少采纳，导致芯片产品实现和个人化阶段出现的问题和隐藏未发现的问题都在客户中暴露出来。

2.4.3 研发与生产存在隔阂

在芯片研发过程中，芯片设计公司对芯片的研发和制造进行了分割，以设计规格进行后续制造信息的传递和沟通。对于芯片研发人员来说，只关注版图信息和电路功能、连接情况间的相符度，而忽略了制造环节中存在的偏差问题，使芯片制造成品率和实际工作性能受到了消极影响；除此之外，研发人员在版图的畸变问题上也未给予关注，造成了后续相关弊端的累积，并最终爆发，对整个芯片研发流程产生了不利影响，降低了产品成品率。芯片设计公司在芯片研发过程中，角色的区分比较明显，研发人员和生产制造人员之间就像隔着一堵墙。芯片设计公司发现，当在生产制造过程中发生设计变更时，常常是由于研发人员和生产制造人员的沟通出现了问题。并且，芯片设计公司调查统计发现，由于芯片研发设计中的存在的技术不足，使芯片质量降低，并对生产质量、售后服务产生影响，使外部损失成本提高[3]。

3 芯片研发管理问题的原因分析

芯片研发设计人员和生产制造人员间的不协调问题时常出现，导致芯片设计与制造过程出现问题。一般情况下，问题产生的原因有5个。

3.1 关注点不同

双方都十分了解自身业务领域的信息与知识，然而却无法把握其余领域内容，特别是技术知识，各部门对于新产品的考量皆由自身角度出发，并未关注到其他职能部门的功能。

3.2 目标不同

双方在目标上存在差异。举例来说，创新是芯片研发人员的目标，努力追求产品技术的不断革新和进步，在产品外观、性能方面有所倾向，然而并未考量到芯片制造是否可行的问题，特别是在现存制造工艺的局限方面；生产制造人员更关注现有资源的利用效率和设计的可制造性和可装配性，更注重降低生产成本，提高芯片成品率。

3.3 组织地位不同

双方的组织地位存在差异。研发人员享受的待遇、薪资、地位远远超出了生产制造人员；人们普遍认为研发人员具备创造性，是企业创造价值的主力，而生产制造人员的文化教育水平相对较低，经常被矮化或边缘化；并且两者办公场所不同，关系并不紧密。

3.4 管理模式不同

事业部的芯片设计采用强矩阵式的项目管理模式，各研发小组的成员都彼此熟悉，对项目管理中的重要里程碑和各个节点也非常熟悉，项目输出也有据可循；而生产制造中心的芯片生产采用标准化的计划排产管理模式，按照每小时的设备或人工产能进行规划和安排，每天制造产品的相似度很高，且均为批量测试成功后稳定的芯片产品。

3.5 信息化系统不同

双方使用的信息化系统不同。事业部在芯片设计时使用“青铜器”研发管理系统，其对项目成员、项目实施进展和项目成果等情况进行跟踪管理；而生产制造中心在芯片制造时使用ERP系统，在系统中完成生产领料、排产、入库或转库、结算等工作，双方的信息化系统不互连，信息不共享，从而导致双方的信息交流不畅。

4 结语

在芯片设计公司，芯片研发人员和生产制造人员共同参与芯片设计，以及参与芯片研发设计过程中的软硬件设计、设计修正，生产制造过程中的圆片生产与芯片封测等，有利于缩短芯片设计和芯片生产制造周期，进而降低芯片生产成本。

生产制造人员早期参与芯片设计过程有许多益处，在需求确认和产品规划阶段，生产制造人员更了解最新的制造技术，可以将其融入芯片的设计中；在产品设计阶段，生产制造人员能够提供硬件设计的解决方案，并帮助芯片设计人员选择最适合的实现路径。在整个芯片研发设计过程中，双方的共同参与有利于芯片设计公司进行芯片制造的DFM，确保最终产品的可制造性，有利于减少设计的变更。