架设芯片设计与嵌入式系统开发的桥梁

摘要 解决我国集成电路的自主创新问题，要大力发展本地的IC设计企业，并在IC设计企业周围建立第三方System Design House，以构建IC设计与系统设计的桥梁。本文针对我国第三方System Design House的培育，提出了建设性意见，同时指出，SoC芯片和ASSP芯片都应纳入IC设计企业的主要产品范围。最后本文对单片机研发及应用现状进行综述，并给出发展我国单片机的建议。
关键词 IC设计企业 System Design House ASSP芯片

    我国消费了全球30％以上的集成电路，生产的集成电路占全球的3％，而自主创新的集成电路则只占全球的O．3％。我国集成电路的“三个3”现象至少说明了二个问题：
    ◆许多高端芯片，我们目前还不能自主设计生产，还得依靠进口；
    ◆一些量大面广的中高档芯片，我们虽然能自主设计生产，但却没有去设计生产。
    因此，要解决我国集成电路的三个3现象，就要大力培育我国IC设计企业；而这些IC设计企业要生产量大面广的通用和半通用芯片，在其周围就要有一大批第三方System Design House(方案提供商)，由这些第三方Sys—tern Design House来打造各种嵌入式系统应用产品。以全球无晶圆(fabless)集成电路设计公司排列前几名的Marvell公司为例，该公司不但生产通信、存储和电源管理芯片，收购了Intel公司的XScale嵌入式处理器，也提供通用的嵌入式处理器。其周围的一大批第三方SystemDesign House，在开发各种不同嵌入式系统应用产品，使其业务每年以20％以上的速度增长。
    因此，要形成完整的嵌入式系统的产业链，一定要大力发展第三方System Design House。

1 大力发展第三方System Design House
    嵌入式系统要从“头”(应用)抓起，从“芯”开始。如何从“头”抓起?这是关键!我们的IC设计企业都知道从市他们设计生产的芯片，却往往没有被市场所接受，也就是IC设计厂商所设计生产的“市场所需芯片”并不一定就是“市场能用的芯片”。为何会产生这个问题?
    我国的整机系统生产厂家(直接生产面向市场的各种嵌入式系统应用产品)一般都没有太强的设计能力，他们没有能力把“设计生产出的芯片”变成“市场能用得上的产品”。以往这一工作往往都由IC设计厂商来完成，而这已超出其设计能力，因此虽然做得很辛苦，但很不成功。这项工作应该由第三方System Design House来完成。第三方system Design House专为系统产品厂商代工设计或开发新产品，对终端市场有相当程度的了解。我们的黑色家电及白色家电大多数不是市场产品的品牌厂商设计的，80％～90％都是第三方System Design House提供的；我国的手机也是由希姆通、龙旗等系统设计厂商来完成的。
    广州周立功单片机发展有限公司根据市场的需求，把各种单片机开发成市场能用得上的应用模块。各系统厂商(市场的最终用户)都能很方便地将其直接用在各种产品中去，从而能在最短时间内进入市场。而他所开发的模块解决了“能用得上”的所有与抗干扰、工程、外形、功耗等相关的问题，这是我们IC设计企业能力无法达到的。
    针对嵌入式系统应用产品，周立功公司把实时多任务OS、C语言的应用函数库都封装在以ARM单片机为基础的模块中。用户不懂ARM的体系结构、指令和OS的移植，只需用C语言直接在该模块编写各种应用程序，就可以直接形成各种嵌入系统应用产品。NXP公司(原Phil—ips半导体)的设计部门专门根据他的市场需求来设计定制NXP产品。目前，他提出芯片与软件协同设计，但是NXP内核是ARM，无法满足其要求。因此，这也为我国国产内核与其合作提供了机遇。

2 如何培育第三方System Design House
    我们国家应大力发展第三方System Design House，由他们把IC设计厂商的芯片真正变成市场能用的芯片。但是，对第三方System Design House要给予政策上的支持。由于目前的第三方System Design House大多是民营的小企业，他们既不是IC设计企业，也不是纯软件公司，大多得不到相应的支持，生存和发展都比较艰难。像广州周立功单片机有限公司(有几百人的研发队伍和充足的资金)目前国内还不多。而真正形成规模的却大多是有海外背景的企业，如上述的希姆通、龙旗等公司(前一阶段赢利颇丰，已香港上市)。
    因此，提出如下建议：
    ①发展第三方System Design House，要列入我国集成电路发展的规划中，要在资金和政策上给予支持；培育和扶植一大批第三方System Design House。
    ②在现有的集成电路IC设计企业中，把原有的应用服务部门培育成System Design House，逐步从原企业中分离出来，成为真正独立的第三方System Design House。
    ③与一些研究性大学成立联合实验室，有条件的实验室可逐步培育成第三方System Design House，甚至可孵化成独立的企业。[!--empirenews.page--]

3 IC设计企业还应生产量大面广的ASSP芯片
    集成电路IC设计企业周围要有一批第三方SystemDesign House。集成电路IC设计企业除了定向生产各种SoC芯片外，还应生产量大面广的ASSP(专用标准产品)芯片。这样既便于第三方System Design House开发应用，也便于集成电路IC设计企业的持续发展。如Frees—cale公司生产的芯片虽然大多冠以MCU的名义，但实际上都是面向各个领域的ASSP，如汽车电子、计算机外设、通信、工业控制和多媒体等，并具有一定的优势。又如目前流行的Apple公司的iPhone，并没有直接用ARM／MIPS的IP核来设计所需的SoC芯片，而是用市场上量大面广的XSeale或ARM9的MCU来作为处理器。这样，不但iPhone产品能很快上市，且而开发成本也较低，同时还可根据市场的变化来灵活应对。单片机MCU实际上也只是中间产品，其应用达到一定的量时，又会重新要求设计生产有真正市场和用户的SoC，故国产MCU也是SoC前期产品。

4 单片机现状与发展建议
    单片机(MCU)是目前国内外集成电路中量大面广、附加值高的ASSP。台湾生产单片机MCU的厂商除了华邦公司外，其余都是无晶圆集成电路设计公司。MCU实际上也只是中间产品，其应用达到一定的量，会重新要求设计生产有真正市场和用户的SoC，故MCU实际上也是SoC前期产品。
4．1 国际单片机现状
    MCU是目前国内外集成电路中量大面广、附加值高的产品。2007年全球MCU达151亿美元，其中Renesas、Freescale公司等前10位MCU生产商要占77．1％。在国外，绝大多数大型半导体公司都生产单片机／嵌入式处理器芯片，并把它们作为主要的赢利产品。如Samsung公司把集成电路产品的发展分成3个阶段：DRAM、MCU和高档数码产品。Renesas公司的MCU在国内应用量已达第一位，而在国内的投资继续大幅度增加。
    目前主流MCU虽仍为8位，但是16位、32位高档MCU增长很快。据统计，2006～2010年MCU的复合增长率为8％，而32位MCU的复合增长率为20％。2004～2007年MCU增长的30亿片中有20亿片是16与32位MCU。
    32位MCU主要是基于ARM、MIPS和Freeseale的PowerPC。ARM公司提供SoC设计的内核，采用ARM核的MCU 2007年已达3亿片(主要是Samsung、NXP、Atmel、ST等公司的通用MCU)，预计2010年将达19亿片；同时，ARM公司在2003年已开发Cortex架构的MCU，在2005年专门收购了Keil公司(开发MCU开发环境的公司)，把发展通用MCU作为该公司的发展策略。
4．2 台湾地区单片机现状
    台湾MCU的占有率约为10％，大多以8位为主，产品以ASSP形式为主。生产MCU的厂商除了华邦公司外，其余都是无晶圆集成电路设计公司(如义隆、盛群和凌阳等公司)。
    如盛群公司的I／O型、LCD型、A／D型等全系列MCU，已可供应工业规格等级产品。该公司通过业界合作伙伴，产品已应用在汽车数字仪表板、倒车雷达、防盗器、电动窗等汽车外围相关设备。松翰公司的8位MCU产品因为在抗干扰特性上特别加强，并采用1T架构(1个时钟周期即是1个指令周期)，能达到比传统8051核更高的速度，因此获得不少要求高精密度的医疗测量仪器厂商青睐，应用在耳温计、电子秤、体脂计与电子血压计等设备上。很多厂商都以中国大陆市场为目标。以义隆公司的策略为例，为了对需求增长最快的大陆家电市场有更多认识，该公司派人亲自拜访重点客户，对当地市场做深入的调查，并与各种方案提供商(第三方System DesignHouse)建立紧密的合作关系。方案提供商专为系统产品厂商代工设计或开发新产品，对终端市场有相当程度的了解。义隆公司目前一方面通过经销商拓展市场，另一方面选定几个重点领域，建立与直接客户／方案提供商的联系管道，把握具潜力的应用市场。义隆公司同样拥有五花八门的MCU产品线，但该公司的产品分类方法则是仅保留通用型产品的MCU名称，其他加入特殊应用功能的产品则分别并入通信、消费性、计算机外设、LCD驱动等IC，这样就有机会继续转进收益更佳的特殊应用产品。目前其在面向消费电子应用的语音MCU、音乐MCU，计算机领域应用的鼠标／键盘MCU，以及通信领域应用的电话MCU和滑指式触控板都有很大市场。这些厂商一有新产品，就送给各大专院校使用，并举办各类的比赛，来促进产品的推广和改进。
    目前，台湾MCU也在朝16／32位方向发展。华邦公司因具备自己的工厂，在2006年推出内置ARM7与ARM9核心的产品用于通信与数据处理。金丽科技公司的16／32位MCU(X86架构)产品结合其自身技术专长，主打网络设备及工业控制的应用。台湾省政府2008年提供1亿新台币给凌阳公司研制新一代32位单片机MCU。
4．3 我国大陆单片机现状
    根据赛迪的报告，2007年我国大陆MCU市场中，8位产品仍占据着主力地位，销售额和销量所占据的市场份额均在50％以上；32位和16位产品的增长则相对较快，无论是销量还是销售额的增长率均接近或超过30％，两者销售额之和所占整体市场份额升至27％。这主要得益于汽车电子产品中所需的主流MCU逐渐从8位产品向16位和32位产品过渡。
    在2007年MCU市场中，汽车电子和IC卡是两个增长最快的应用领域，成为拉动整体市场增长的重要力量；而一直作为最大应用领域的消费电子，销售额增长仅为10．O％，成为中国MCU市场增长趋缓的主要原因。
    从MCU市场产品结构来看，未来5年高端产品将是当之无愧的明星产品。其中，32位及以上MCU随着电子产品升级趋势的延续，销售额和销量的增长都将居于中国MCU市场的首位；而16位MCU无论市场规模还是复合增长率都将居于各类产品的前列，这主要得益于汽车电子、工业控制等应用领域的高速成长。从另外两类MCU产品的发展来看，在规模上8位产品仍将是中国MCU市场的主流，到2012年其销售额和销量将分别占整体市场的53．O％和55．1％，仍居于各类产品的首位，而4位MCU则由于应用范围有限，且价格相对较低，因此无论销售额还是销量所占市场比重都将持续下降。[!--empirenews.page--]
    20世纪90年代末，由许居衍院士领衔的“国产单片机系列产品”“九五”攻关项目，真正开始了国产单片机的研发和批量生产。2000年国产单片机超过1 000万片。
    不过绝大多数还是4位(日本厂商转移至国内)和低档8位单片机。由于仍采用自行研发、生产和应用销售的模式，一直没有形成规模。近来，以上海海尔微电子公司为代表的本土厂商联合了整机厂商共同开发具有我国特色的单片机，年产量已可达几千万片。他们采用先进的微电子工艺和Flash技术，能批量生产与8051和PIC单片机兼容的单片机，而性能价格比超过Atmel和Microchip公司产品，开始引起国外的注意。上海普芯达电子有限公司(由P＆S力源公司创始人发起)，根据市场的需求，自行研发和生产国际流行的8051和ARM核通用单片机。
4．4 我国单片机的发展建议
    我国MCU年需求量达50亿～60亿片，是全球MCU最大的市场。2007年销售额可达400亿元。与全球的市场一样，我国MCU应用虽仍以8位为主，32位MCU增长很快。但是这些MCU绝大多数是国外的产品，台湾的单片机也有一定的占有率。而中国大陆产单片机的占有率很低，档次还不高，很多是4位、8位专用的单片机，高性能单片机(如汽车电子用的单片机)和类似ARM的高档单片机还没有。
    我国需要的单片机大多数是通用的，而我国的集成电路设计公司大多数都是以专用的SoC为主，因而产生了我国集成电路设计自己设计、自己生产、自己开发和自行销售的封闭模式。而国外的半导体厂商都只生产通用的MCU产品，由第三方来提供研发开发工具及开发软件，使各种用户都可以来开发应用，芯片销售也直接通过市场进行。
    因此，我国国产通用MCU研发和生产，不但可以满足国内的巨大市场需求，也可改变我国的集成电路设计、生产、销售的封闭模式。
    (1)开发目标
    研制以C*Core为核的通用MCU，可以有两大系列，即目前市场应用最广的类似于ARM7和ARM9性能的通用MCU。
    研制和配备相应的开发工具及开发软件，满足广大用户开发和应用的需要，以及各大专院校的教学实验之用。
    研制各类应用模块，使用户能快捷、批量地应用，克服由于新产品的知名度不足和兼容性差而产生的问题。

    (2)研发内容
    ARM架构的MCU大致可以分为以下三个系列。
    ①Cortex—M：面向MCU应用领域(价格约每片1美元左右，28～48引脚)。自2003年开始研发，2007年开始推出Cortex—M1、Cortex—M3内核的单片机。目前Luminary公司和ST公司正在国内开始大力推广。
    ②ARM7：目前ARM架构是应用量最大的MCU，原则上可应用于不需要嵌入式Linux(不包括μCLinux)和WindowsCE的所有领域，包括一般的数码产品、仪器仪表(包括税控机)、工业控制、网络通信。
    ③ARM9：目前性能较高的MCU，如Freescale公司的MX27x、Samsung公司的S3C4410B。常用于便携式多媒体产品、机顶盒、高清电视、类似iPhone的多媒体移动终端，以及教学实验仪、车载导航、多媒体终端。
    我们的C*Core通用MCU也可以分为三个系列。C*Core的前身是FreeScale公司的M*Core，它当时是以通用MCU的形式推向市场的，面向通用控制、手机、PDA、GPS和汽车电子。
    ①以C210，／C305为基础的面向8位MCU的低价格通用MCU，以控制处理功能为主，以与Cortex—M竞争。可用于移动存储器、控制器和高档消费类(空调和冰箱)、仪器仪表、计算机外设。
    ②以C310和C320为基础的应用广泛的通用MCU，可覆盖目前ARM7架构的MCU。
    ③以CK510／520为基础的高性能通用MCU，与ARM9架构的MCU竞争(ARM9架构MCU的应用也刚开始不久)，以移动多媒体终端、机顶盒，高清电视为主。
    (3)市场推广
    ①开发研制通用、价格低廉的开发工具，提供各种开源的开发环境。
    ②与大学合作建立相关的教学实验室，开发研制面向教学的教学实验仪，编写教学与实验书籍，并争取列入教育部大学生电子设计比赛。
    ③与第三方System Design House合作，研制各种面向应用的模块，包括各种应用的最基本的系统；配备相应的μC／OS、μCLinux等0S，以及C语言编程的环境及函数库。
    编者注：本文为期刊缩略版，全文见本刊网站www．mesnet．eom．cn。