中国设计水平提升须克服研发投入和高速设计挑战

作者：赵艳

参加本刊2004年“中国电子工程师设计能力与水平调查”的2,153名人士绝大多数在从事或参与电子整机产品设计和开发工作，他们平均具备7年的产品设计经验，代表了中国设计业的主流力量，因而能够反映出中国实际的设计能力和水平。

从中国工程师参与的设计项目数量来看，过去一年变化不大，平均数依然保持在4个左右（见封页图）；平均有55%的设计项目是从头开始的全新设计项目，49%为现有设计基础上的改进型项目，显示出中国设计活动依旧很活跃。

设计团队平均的工程师人数仍为10人左右，其中4-6人、7-10人的团队最多，比例分别占据35%和22%，16-30人的团队比例较去年上升了三个百分点，1-3人的团队则减少了5%。项目开发周期的变化也不明显，平均需要7个月的时间，选择4-6个月的人数仍然最多(36%)，其它依次为1-3个月(25%)、7-9个月(15%)、10-12个月(14%)、12个月以上(7%)，看来中国设计业仍以中小项目为主，很多团队都面临很大的快速上市压力。

设计能力变化分析

如封页图1所示，70%的回复者称自己所在团队可自行提供完整的系统/产品设计，与去年的比例差不多，但设计团队能提供完整板级/模块设计的比例提高了16%，能集成第三方设计的比例上升了24%，设计团队购买设计的比例也提高了5%。第一个变化说明：一部分中国公司的设计能力有所提高，开始能自行完成部分子系统/模块的设计；后两个变化则说明：尽管拥有自主设计能力，但在快速上市的压力下，中国的设计团队开始更多地借助独立设计公司的力量完成一些产品的开发。

不过，拥有完整系统设计能力并不代表一定拥有进行独创设计的能力。大部分中国电子企业的开发活动目前还是以跟踪或仿造已有的设计为主，从图2就可窥见一斑。国内外没有相关产品/系统、从概念到实现完全由自己设计的团队比例为16%，而核心设计仿造国内外已有的产品/系统的团队比例高达35%。“尽管已有相关产品，但完全自己重新设计”以及“在原有产品/设计基础上进行改进”的活动中或多或少会参考和借鉴已有的设计成果。本次调查表明，过去一年平均有45％的项目是基于外来参考设计。

在如何利用参考设计的问题上，完全照搬的案例几乎没有，52％的人会同时重新设计参考设计的硬件和软件，但这一比例较去年的56％有所下降。另外，仍有29％的工程师表示会采用不同的元器件进行替代以降低成本，6％的人仅重新设计软件，5％的人仅重新设计硬件。

的确，很多与中国企业打交道多年的供应商/分销商也表示，尽管中国的研发能力在不断提高，个别企业、某些领域表现可圈可点，但整体与美、日、欧公司还有较大差距。

Memec Insight亚太区模拟产品区域经理郑耀昌从不同行业和产品领域分析了中国企业的设计能力和水平。他说：“通信骨干网(基础设施)领域，一些中国公司已具备很强的研发实力，甚至某些芯片功能也能自己控制，他们有能力进行创新，但在手机等终端产品上，我了解到很多公司只是做GUI级的开发，80%-90%需要购进设计/方案；在消费类/家电领域，如DVD、DVR，不少公司能基于芯片供应商的整体解决方案很快地开发出功能强大而且成本低廉的产品，但象LCD TV等复杂系统，中国企业还不能真正自行设计；PC行业由于受制于芯片平台垄断，所以也没有什么创新，但其中一些企业在开发围绕PC的网络产品方面做得还不错。”

郑耀昌认为很多企业有些急功近利，从长远发展考虑，应该在研发方面投入更多的资金和力气，中国政府部门也应该学习台湾地区、韩国和新加坡以往的经验，适当干预，进行必要的投入，推动整体研发水平的提升。

意法半导体公司亚太区中国业务董事关亮中也指出，中国研发水平远落后于发达国家的主要原因就是缺乏资金。“以电子信息百强企业为例，虽然他们增加了系统和应用级的研发投入，但除了华为、中兴等少数公司，大部分还达不到较理想的水平。”他认为，“此外，一些大学、国家实验室/研究机构若资金支持到位的话，将会运作得很好。如信息产业部支持的一些研究项目预期就会取得显著的成果。”

降低成本变为首要设计目标

由于中国设计团队面临这种资金压力，本次调查中将“成本制约”列为系统级设计前三大挑战之一的回复者最多，占据了35%，“缺乏先进的测试和测量仪器”和“面市时间压力”挑战也正是研发投入匮乏的直接和间接后果(见图3)。

在研发资金投入有限，又要保证利润和竞争优势(尤其是对价格特别敏感的市场而言)的形势下，成本问题开始成为今后最受关注的设计因素之一。

如图4所示，选择“降低成本”作为下一个设计项目最重要目标的人数最多，达到26％，选择“改进性能”的人数也有所增加，位于第二(占21％)，去年排在第一位的“提高可靠性”今年则退到第三位。选择“系统优化”和“扩充功能”作为最重要目标的人数有所减少。

成本是与材料成本、设计周期、设计优化程度紧密挂钩的。联想(深圳)电子有限公司技术总监李众庆指出，只要存在竞争，元器件的价格就还可以接受，这种情况下就要看采购周期怎样，周期若很长，设计周期也就相应拖长，影响快速上市，成本自然就上去了。另外，避免设计反复、加强组织管理以提高设计效率是工程师自身更能控制的成本节约途径。

为解决高速涉及的技术挑战，合适的工具和仪器设备是必需的，但经费的限制让很多公司望而却步。“因此有效地花费有限的预算非常重要，比如对高速总线的测试，6GHz带宽的示波器可以测试到PCI-E I(2.5Gbps,<=100ps上升时间)，再往上走是SATA II(3Gbps，67ps上升时间)、XAUI(3.125Gbps)、FBD(3.2Gbps、4.0Gbps、4.8Gbps)、PCI-E II(5Gbps~6.25Gbps)，7GHz模拟带宽(8GHz DSP带宽)的示波器在性能和应用层面和6GHz示波器并无本质区别，尤其是采样率无任何提升的情况下，因此，是购买它还是购买>=10GHz带宽的实时示波器就需要仔细权衡。”安捷伦科技亚太区测试产品经理杜吉伟建议道。

他还举了另一个例子——逻辑分析仪，在经费不够的情况下需要权衡是放弃购买，还是在购买示波器的时候就选择具有16个逻辑分析通道的混合信号示波器，因为混合信号示波器可能满足您80%的测试需求，但价格却和普通示波器没有实质性区别。另外，在相同经费情况下，要考虑清楚是购买一台通用的仪器，还是购买一台能够为解决问题而设计的仪器。

以安捷伦科技的混合信号示波器为例，它可对被测对象实现模拟域(波形观察)、逻辑域(20路信号的总线分析，时序分析)、仿真域、调制域(通信信号的星座图显示、解调)、码域分析(对I2C、SPI、SATA、PCI-E、XAUI等进行解码)，对于预算紧张和上市时间压力大的设计团队，该多功能仪器不失为一种经济实惠的选择。

此外，“现在很多公司把某种分析验证测试工具供应商固定在一家， 就会减少降低成本的机会。”他补充道。

与此同时，克服诸如“缺乏最新器件的信息”、“缺乏设计平台、参考设计”等挑战以及加强对相关标准和系统的宏观理解、积累设计经验对加快设计步伐、节省成本具有重大的作用。Memec Insight的郑耀昌建议工程师在选择新器件时要真正花心思去理解规格书和相关资料，并且可与供应商、分销商取得联系寻求帮助。他还以中星微的一款产品为例，提到本地一些IC价廉物美，甚至超过了以低成本著称的台湾地区厂商。

无独有偶，参加调查的回复者所用IC中平均有77％是国外品牌，这一比例去年是79％，之间2％的差距反应出中国IC品牌厂商得到本地市场的一些认可，不过仍有很长的路要走。另外，在使用ASIC的人（比例为31%）当中，自行设计的比例(45%)有所下降，外包给境内合资IC设计公司以及大陆IC设计公司的比例分别达到20%和13%，由此可见，设计服务成为不少中国IC企业的另一项重要业务。

不过，不少工程师抱怨网上很多器件资料介绍得不是很深入，加上可能由于采购量较少得不到供应商和分销商足够的技术支持，因此缺乏最新器件信息、设计平台和参考设计的问题就更加突出。

对此，郑耀昌无奈地表示，由于人力和资源有限，对某些中小企业的支持的确很难完全兼顾。不过，供应商和技术型分销商都在努力加强对中国市场的技术支持，特别是各种设计中心和应用中心的设立将使技术交流更加充分，一些成熟、可产品化的参考设计和应用方案加速了中国企业的开发周期，从而节省了整体成本。

意法半导体的关亮中表示：“公司在技术支持上进行了高投入以便能与中国客户一起克服他们的系统开发设计挑战。例如在深圳技术中心，我们的系统解决方案技术专家构建了各种参考设计，并能为特定应用与客户联合定制IC设计。”

调查也显示中国工程师对参考设计一直很依赖，96％的回复者表示利用了参考设计，而且80％的参考设计来自公司以外，其中将近一半（48％）是由IC供应商提供，相比去年下降了6％，内部来源略微上升了2％，达到20％。分销商的比例仍不高，仅为6％，他们的技术增值服务整体看来还没有什么进步。

解决高速设计带来的各种挑战

在具体设计过程中，各种各样的技术问题困扰着中国工程师，今年各种挑战出现的比例都有所提升(见图5)，尤为突出的就是与高速设计紧密相关的EMI/EMC、噪声、RF设计、信号处理和电源管理等，而且按不同行业来分析，结果非常类似，这几个问题都排在最前列。

频率在GHz以上的移动通讯系统是出现此类挑战最多的典型领域。大唐移动上海研究开发部终端产品线基带项目经理陈梁指出，不同的通信制式对抗干扰、RF电路设计的要求有所不同。例如，他们在开发全新的TD-SCDMA手机过程中，以往2G/2.5G的经验参考价值不大，完全要从头开始摸索，针对各项指标做大量的仿真、测试和验证工作。

实际上，高速设计早已不是通信、计算机行业的“专利”，消费电子和工业控制等行业也面临越来越多的此类问题。提供家庭视听产品的夏新电子经理许永乐说，DVD、DVR产品的核心芯片主频越来越高，存储器存取速度也越来越高，这些都会带来更多的电磁辐射问题。几十到几百兆赫兹的电视调谐器RF设计也是一项挑战，机顶盒、卫星接收设备的RF电路设计则更加困难。

安捷伦科的杜吉伟指出，EMI/EMC的设计对很多工程师都是比较新的领域，而高速信号本身的幅值很小，要求整个电路的底噪声很小，往往要引入射频微波和系统设计的概念。“多年以来，这一直是数字设计工程师的软肋，中国非常缺乏高端的系统设计工程师以及熟悉射频微波技术的数字设计专家。”他说，“对于高端的电子辅助设计软件，中国已引入不少，但用好它们需要工程师本身的经验和知识很丰富。”

从设计本身来讲，高速电路设计对工具的依赖性要远高于低速电路设计，包括前期的仿真，后期的验证，但大多数字设计工程师缺乏射频微波的理念和知识，而射频微波工程师又往往缺乏数字设计的理念和知识。

杜吉伟介绍说：“我们发现，只有基础理论扎实了，才又可能使用好诸如Eesof等在内的高速电路或射频微波设计仿真软件，在验证和测试阶段，我们也发现，数字设计工程师由于对S参数等射频微波概念不是很熟悉，导致大多数人习惯于使用时域分析工具，而对频域分析工具敬而远之，而真正能发现问题本质的往往是频域分析工具，和仿真软件结合最好的也是频域分析工具，而且高端的数字验证分析测试工具也往往要从频域的角度、传输线理论角度去分析理解，才能够正确有效地使用。”

工程师要提高高速设计的整体水平，一方面，要舍得对高端仿真分析验证测试工具的投入，工具不合适，单纯靠经验和猜测在高速设计领域很难走得很远；另一方面，对数字设计工程师进行射频微波知识培训是非常重要的，同时射频微波分析验证测试工具的使用也是一个必然的趋势，所以数字工程师不应该由于不熟悉而畏惧或拒绝使用。

本次调查显示，58%的回复者所在公司计划出口他们设计的产品，比去年上升可了两个百分点，这其中又有56%是出口美国市场，欧洲、日本、台湾地区、香港特区等排在其后。随着中国希望走入各种认证体系非常严格的国际市场，产品的整体质量、性能要远高于从前，必须满足严格的辐射、噪声和节能环保等方面的规范。这对研发过程提出了更高的要求，包括元器件的筛选、严格的环境试验、指标的容裕量检验及可靠性检验等。

夏新电子的许永乐举例说，美国的UL认证就比国内的3C认证要严格得多。因此，他们购买了一定的测试测量设备，聘请了有关专家进行指导，还招聘了专门的EMI/EMC人才。

另外，在很多应用开发中，由高速带来的热设计挑战也日益突出，特别是体积越来越小的手持设备。热设计对中国工程师提出很大考验，因为他们很少象国际领先公司一样拥有专门的热分析专家或实验室和丰富的热分析工具。

芯片、电路板在实际运行过程中的散热比规格书上描述得往往高出很多，厂商提供的热分析图对开发者来说远远不够。对此，联想的李众庆说：“要尽量选择低功耗的芯片。另外，热设计模型要估算得好。实际运行的测试非常重要，将决定散热仿真做得好坏与否。”

Memec Insight的郑耀昌则提倡“绿色设计”，与国际接轨，建议中国电子企业要好好考虑如何提高整个系统的电源效率，并减少不必要的花哨功能，从而降低整体功率，达到节省电力资源和减少散热的双重目的。