模拟芯片在系统公板设计的主要考虑

本文作者:admin       点击: 2009-11-20 00:00
前言:
前言 

一个好的公板设计(Reference Design), 是考虑到系统芯片本身效能的发挥,同时间兼顾到制造商的成本与市场设计导向,进而创造芯片供货商,设备制造商与消费者三赢的局面,其中最重要的关键,笔者开门见山的说,就在模拟芯片的选用。两造的角度,既共生共合却也相互矛盾,如此复杂的生态,让笔者为各位深入浅出的分析。 

为什么需要公板设计 

切入主题之前,先说说为什么需要公板设计好了。 
现在的芯片设计技术以及制作工艺,已经可以很惊人的将上百万千万的晶体管,集合到某一个集成电路里面。这个芯片可以是某一个更大系统的一部份,比方说绘图芯片(GPU)或是手机的基频(Baseband)处理系统;而这个芯片却也可以是一个几乎是这一个系统的全部,比方说MP3播放芯片,STB系统芯片等等... 一切都端看这个芯片的主要目的而定。 
一般系统芯片System Chip在验证的时候,就会以芯片为中心,做一个系统来做这个IC的功能验证(Function Validation),因为这时候的板子都很大,有时候称为大板阶段,这时候的系统暂且不管未来这个芯片的主要市场以及应用场合是什么,是便携式还是桌上型,是以电池供电还是插市电适配器(Adapter),一律都先放一边,等到芯片主要功能验证完毕后,才会根据最终的目标市场进行商用化的考虑,最后这一道商业化的考虑,就是公板设计需求的来源。 

公板设计的实例 

笔者举几个依赖公板设计的主要例子 
● 手机芯片 
最最有名的例子便是中国山寨手机芯片供货商,联发科(Mediatek, MTK)的策略,就是先提供给没有做过手机的厂商,直接照着做的就对了的选择,所以在最初的合作里,提供给制造商稳定且容易制造的公板设计。迅速的透过销售金额的反馈,以战养战,一边透过反复试炼培养研发技术并降低成本,一边根据市场需求开发新机种与应用,所以新旧厂商争相投入的结果,造就今日中国大陆特殊的山寨手机供应链。 
正因为相继投入,很多厂商虽然已经走到大量以及在功能上创新的,也就是单纯只是在等待联发科的新款的芯片推出,但也是有很多后进的厂商,因为研发人员的数量少或是只打算赚一票就跑的,对于公板设计的依赖程度依旧很深。在这样的趋势下MTK的手机解决方案的精采程度,除了在功能上不断推陈出新,持续精进外,在外观也就是外型的变化上,也是不遗余力。 
● 山寨小笔电的平台 
台湾地区的威盛电子(VIA)在指望突破Intel的夹击之下,试图以联发科(Mediatek, MTK)的成功经验为师,成立GMB这个山寨笔电大公社,吸引许多有志一同要从里面参和一脚的各大供货商们,从VIA本身的CPU、CHIPSET、连接器、模拟电源芯片供货商、电阻电容到机壳厂商, 一时间风起云涌,但其实最重要的还是要有人把这些小东西们集合在一起,最后推出一个稳定,好做又够低成本的公板设计。 
据悉,VIA的目标客户们,因为代理体系的关系,一方面是跟联发科的客户们重迭的手机制造商,一方面也有专作MP3/4/5或是DVD播放器的纯消费性产品的厂商,不像台湾地区传统作笔电的ODM大厂具有高人一等的笔电设计制造能力,这些纯消费性产品的制造商所需要的是一版够格会跑,不出大乱子的公板来照着做,而VIA本身为了推出这一版稳定的公板设计,在连年亏损下已经冻结的人力需求,在这一部份局部开放并重新投入大量的人力,试图振衰起敝,重现VIA当年的雄风,笔者完成这篇文章的时间时间是2009年第三季初,除了看他会不会真的成功以外,另外我们衷心也祝福他成功。 
● MP3/4/5 
MP3/4/5这东西应该说一律只有公板设计,因为东西很简单,所以一摊开中国大陆的淘宝网站或是台湾地区的购物网站,一些名不见经传的品牌也都推出长的一模一样的MP3/4/5播放器,这就是所谓的公板设计了,回过头来说,这些芯片设计商其实也是很贴近市场的需求在走的,甚至有点牵着市场走,所以制造商的角色只是在推出成品固守通路跟赚取利润而已。 图1是笔者在网站上搜过常见随身MP5播放器公板造型,到处都有。  

模拟芯片需不需要公板设计 

当然,模拟芯片有时候也时候也会复杂到需要做公板设计,但是大多只用来提供客户验证单一功能,比方说电源是否如宣称的效率好,音频输出是否如宣称的够力或是芯片是否如宣称的省电,所以模拟芯片用户真正需要的是大多位于规格书(Datasheet)封面第一页的建议线路(Application Circuit),详细一点的在规格书里面加上其他应用或是另外载明在应用指南(Application Note)里面了。 

模拟芯片在消费性系统芯片公板设计里的定位 

首先笔者要说明一下,数字跟模拟真的差很多吗? 应该这么说,电子的世界里,强调数字的部份不断的在演进,从容量(Capacity),频率速度(Clock),集成度(Integration)一直到复杂度(Complexity), 都在往更多更大更快更强的方向前进,反观模拟芯片的部份,因为脱离不了热(Heat)与稳定度(Stability)的物理限制,推陈出新的速度并不如数字芯片,可能是隔行如隔山吧!或是以讹传讹的结果,但根据笔者近身的观察,是因为这一方面的服务(模拟技术应用)在市场上容易取得,让学有专精这一回事可以更理性的发挥,不过却也导致了两造之间,更深的理解障碍。 
在消费性系统芯片供货商里,负责公板设计的系统应用工程师,主要还是以熟悉自家芯片为主的,因为人力配置的关系,也必须得要负责公板设计整体的完成,也就是模拟数字部份要一手包,更不可能为了一两个案子,招募一位专精模拟的应用工程师从旁协助,因而指望这位系统应用工程师可以连带的把除了自家IC以外的其他IC(大多是模拟芯片)一起搞定,但虽然模拟芯片做的事就是很简单,不过要这类的芯片服服贴贴,对没几年经验的工程师会有点难度。 
系统应用工程师对这些模拟周边芯片的应用经验哪里来? 
1. 自己学习 
● 本身免不了是电机电子相关科系毕业,才会来当工程师,不过仅能入门,因为大家都知道说跟做差很多,尤其是模拟差更多。 
2. 拆别人的机器 
● 无可避免的,因为台湾地区的IC很少是有原创性的产品,所以跟着推出的产品一定会有一些"前辈"可以"参考",最直接就是拆别人的机器来研究。 
3. 集大成者 
● 已经完成过前述两件事,并已经从中取得某些经验者并晋升为管理者。 
4. 模拟IC厂商的技术服务 
● 跟上公板设计,是大部份模拟IC供货商的理想,大多会努力的提供相关知识与服务,这一方面模拟芯片供货商不限规模大小都喜欢这件事,而公板设计这一端的厂商则是根据公司规模大小或是芯片抢手程度,可以取得相对程度的技术支持,这一段涵义比较深,建议读者反复消化。 
5. 听同事或别人说的 
● 同事跟朋友一般都是信息的好来源,所以多交一些朋友又在同个业界,都会有一些好东西可以分享。另外笔者稍微强调一下,不是所有的公板设计都是很好的设计,有的赶时间,拼进度或是本身本职学能的程度,没有办法顾虑到那么多,只好弃A保D(A,D没有任何字面意义),道听涂说,而且不限国内外,也有很大很强的厂,流出很差很瞎的公板,大概就是这一个分类的。 

为什么公板设计除主要系统芯片外的周边芯片, 大多是模拟芯片 

● 因为整合不进来才会流落在外 
● 就算整合的进来,也会影响到芯片本身的良率,稳定度以及芯片面积(成本),所以算了。 
笔者举山寨手机为例子,MTK的公板设计可谓兵家必争之地,每一家模拟芯片供货商如果可以搭上这一班特快车,直达客户的大本营都不会是太大的问题,因为公板会让能见度大大的高升。以一个手机为例,基频芯片加上专属的电源管理芯片(PMIC)是为不可分割的一个组合,射频功放芯片(RF PA)因为有相当的技术障碍,其实也是就几家供货商,加上内存芯片,如果基频芯片本身多媒体的表现不太够力,会加一个多媒体应用芯片,其他的呢?大都是模拟芯片,不过到底有哪些呢?我们来数数! 
● 音频功放芯片 (Audio AMP) 
● 锂电池充电,保护IC (Li-ion Battery Charger,Protection) 
● DC/DC降压管理芯片 (Buck Converter) 
● DC/DC屏幕背光LED驱动IC (LED Driver) 
● 线性稳压器 (LDO) 
● 模拟开关 (Analog Switch) 
图3是手机大致的方块图。说真的,这些芯片单独来说还真的没有什么特别的,几乎每一家模拟芯片供货商都做的出来,所以我们看到些芯片在这个市场里杀的血流成河,台湾地区的厂商杀外商,中国大陆的厂商杀台商,但透过公板设计,我们永远会看到有一些新东西出现,这些新东西通常来自于两个状况: 
1. 改进 
● 改进的动力大部分来自于先前的设计考虑不周的部份,在后续版本的公板当然会进行改善 。 
● 改进有时候来自规格的演进或是标准的颁布,比方说锂电池的充电部份,有一天大家忽然开始重视锂电充电IC的耐压到30V,虽说没有时间上的急迫性,公版设计端已经开始采用耐压可以超过30V的保护IC。 
2. 需求 
● 需求通常来自于供应者降低使用者的门坎,有技术门坎价格门坎,比方说一直都是主流的Class AB的音频功放,忽然有一天慢慢的开始采用了Class D的,原因是效率好而且似乎不再容易烧毁喇叭,再者价格已经来到相对低点,系统设计者就没道理不采用。 
● 需求有时候也来自于电气规格的变化,比方说芯片本身的电压需求降到0.9V或是更低的时候,原本是线性稳压器供电的部份,很可能就会改成开关式稳压器,而且要可以支持极低电压的输出,虽然这一部分现在几乎所有的模拟IC供货商都已经有相对应的产品了,但在需求浮现的初期,可是让产品线齐全的外商们赚进了大把的利润。 
模拟芯片在消费性系统芯片公板设计的主要考虑 
模拟IC供货商普遍的态度 
谈设计考虑之前,先探讨一下厂商对公板设计的各种态度: 
● 国内厂商 
国内的模拟IC供货商因为规模与品牌知名度(Brand Name)的关系,在选择公板设计的时候,是比较不挑的。 虽然在整个大环境来说,可以提供模拟IC的供货商在整体芯片供货商的比例还是算少的,所以一但有加入公板设计的机会,必定会尽力的提供完整的服务与贴近需求的芯片,只是整体产品线的完整度,有时候会影响了公板设计的针对性,为达到功能而硬凹的情形,很多人在看公板设计的时候,一切了然于胸,也免不了在心里面一番批评,这还是人性。 
● 外商 
外商就不一样了,透过庞大的代理体系,外商可以第一时间获得的市场信息(Market Information)会比单打独斗的本土供货商多非常的多,甚至可以到达选择性吸收的地步,除非对后续的营收会有明显的帮助,否则外商原厂多会交给代理体系去进行,所以要吸引外商本身重视的公板设计不外乎有以下几点: 
▲ 芯片供货商的知名度,如果是不知来自何方的什么芯片,依照外商原厂的角度常会听到,建议去请local厂商来做,或是要采用的也很好但是价格会很抱歉之类的言论,推给自身的权限或是总部只能支持到这样之类的!很熟悉的对话... 
▲ 芯片本身的未来性,是否为划时代的,或是很有浅力。 
▲ 进入公板设计后的被取代性,这一点是任谁都会在意的事,不过外商更在意,台湾地区本土厂商跟中国大陆的厂商大多在几个月内就可以复制出类似功能的芯片的话,在公版推广的初期信息开始外泄,在产品要开始放量的时候,这些忠实的信众也来了。虽然业务规模与代理体系涵盖范围的多寡决定了被侵袭的比例,但是和最早先的预期有差距的时候,会影响到后续支持的意愿。 
● 代理商 
代理商是另一股较为弹性的势力,有些代理商甚至会主动推出公板设计将其下代理线的产品做一个整合,推出一站包套的服务给客户,因为接触的范围广度,力道深浅取决于代理产品线的种类,有时候一起代理到主芯片跟周边芯片,会想办法凑在一起,而且某些代理商本身有公板设计部门的缘故,会凑的很有水平。若有代理产品间品牌的冲突,多会选择原厂愿意给予较高利润的产品带进公板设计。

公板设计本身对模拟IC采用的考虑 

一般公板设计在采用模拟IC的时候,其实跟真正在做一个完整的产品类似,都会有以下几点考虑: 
● 价格 
▲ 为避免拖垮系统,除了自家的IC以外,其他的周边都要越便宜越好,但便宜有分相对跟绝对两种。 
▲ 绝对便宜是指相关IC碰到市场的低价区,厉害的是要做到这里。 
▲ 相对便宜的跟整体比较起来或是感觉起来便宜,至少感觉起来不会对整体成本有太多的影响。 
▲ 这一点虽然一直都是本土厂商的强项,但许多外商搞本土化的脚步相当积极,所以价格也越来越有竞争力。 
● 功能 
▲ 功能当然要适中,只不过不能做的太接近极限值,较敏感的部份比方说电源供给的部份要超过需求至少1.5倍以上,除了留规格空间给未来芯片升级需求,再者因为公板推广到客户端的时候,客户或多或少会有自己的想法,可能会加自己东西或是换东西,替客户考虑多一点总是好的。 
● 整体solution完整度 
▲ 如果系统稍嫌复杂了点,比方说小笔电或是手机之类的系统,一次都会需求到很多的IC,降低供货商的数量通常可以对下游厂商带来一些益处,比方说议价跟整体的销售服务。 
● 代理体系与交货周期 
▲ 除非真的关系密切或是不小心说溜嘴,否则公板设计端实在是没必要很早的就透露其目标客户,也都是要透过猜测或是揣摩。未来公板设计开始产生效益的时候,周边的芯片是不是可以跟上脚步,量能的预估是不是符合预期并且会缺货,否则为了一个虽然简单又偏偏只有他有的周边IC,一样会影响主芯片的出货的。 
▲ 这一方面如果有代理商居中的话,一般比较容易得到解决,但是代理商体系的角色与属性本来就是以利润为导向,难免有自己的意思或是属意的替代料,更难保在传递的过程里面,会有"狸猫换太子"的现象出现。 
● 技术服务 
▲ 没有IC不会出差错,比例多少而已,是的,万一有问题该找谁,解决的能力够吗?如果客户遍布各地,多久可以得到技术支持,这一点台湾地区本土厂商或是中国大陆的新兴厂商就差一点了,原因在代理体系深度跟业务规模,光台湾一个岛还好,换到中国大陆去,顶多深圳、北京、上海、杭州、厦门就够让业务去跑的了,这一点外商压倒性的胜利。
 
● 竞争关系与否 
▲ 最后这一点比较少见,就是彼此有没有竞争关系,这常见于外商,因为外商多属于IDM形式的厂商,产品大多横跨数字与模拟甚至混合模式(Mixed-mode),难免在其他的产品对打到,就只能说抱歉了,更甚者拉大到集团间虽分属不同公司,一但被归类了,也只能当好朋友了。 
跳脱营运规模与本土外商的区别,最怕的是辛辛苦苦上的板子,最后被轻易的取代掉了,一但决定要尽力支持了,总是希望牢牢的坐在上面,依照笔者多年的观察,也不见得单纯是什么性价比好就会很稳固的跟着公板到客户那边去,毕竟板子是人做的,人会替板子决定一切的,要让IC被换不掉或是慢一点被换掉。不妨轻松看看笔者多年的观察归纳出来的一些趣味现象: 
● 关系好到换不掉 

▲ 因为是人跟人接触,人虽然有素质上的差异但是人却有好恶,关系当然是很重要的,笔者遇过RD怎么都不愿意把原先明显不合适的设计换掉,并非他意志坚定甘冒风险或是如黔驴般的技穷,而是那是他堂哥交代放上去的,而他刚到那城市开始他的职场生涯的时候,受到他堂哥的照顾。 
▲ 商场如战场虽是铁律,但其实工程师的生活多不如预期精彩,除了公事上的往来,多多关心对方生活状况或是投其所好,自然是增进关系的好方法,因为多数工程师率直诚恳,所以笔者鼓励多跟工程师交朋友,一般适婚青年男女,也建议选择工程师为另一半,其对事专注认真的态度以及相对稳定的生活,绝对是开创美满家庭的基本要件。
 
● 功能好到换不掉 
▲ 功能的定义,比方说效率很好,很省电,整合度很高或是在某个特别的方面表现的可圈可点,最好再加上低廉的价格,就是100分了,不过根据笔者的经验,越是换不掉的东西,价格就越不容易正常,除非专门开发,否则功能方面好到换不掉的情形,越来越少见。 
▲ 有机会参与设计应该强调某个关键规格一次到底,避免讨价还价,要什么给什么,如此更可以获得信任,反应在建立关系的益处上。 
● 价格好到换不掉 
▲ 应该说是价格低到换不掉,一般而言,价格只有往下掉,绝少有往上提的,所以应该要议到什么样的价格,跟有没有竞争者或是功能独特不独特有绝对的关系,除了要了解市场相关产品的定价范围,更要理解自身产品的优缺点,否则如果是免费赠送那不就更棒了,不是吗? 
● 服务好到换不掉 
▲ 这需要经验的累积,是使用者端的经验,不是供给者端的经验,稳固的合作是要靠长久的合作的,相信读者们都会认同的。 

后记 

一个好的公板设计,虽然不见得会带动系统IC良好的销售,但笔者的经验是一个公板设计的好坏,挂上的却是原厂的颜面,因为下游应用端不见得都是听命行事乖乖牌RD,也会有独当一面甚至唯我独尊的工程师。自家的芯片理所当然要比别人懂,但外围的IC却是个隔空交火并展现功力的战场,怎么能输呢,是吧! 

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