面向混合集成電路的數(shù)字化研制目標(biāo)和思路

作者：江敏 中國電子科技集團公司第四十三研究所

通過對混合集成電路產(chǎn)品數(shù)字化研制方面開展了積極的技術(shù)研究與應(yīng)用實踐，探索實施基于模型的混合集成電路全要素、全領(lǐng)域、全過程數(shù)字化研制模式轉(zhuǎn)型。

前言

混合集成電路是電子技術(shù)中的重要組成部分，其發(fā)展趨勢是智能化、高效化、可靠化?；旌霞呻娐肥怯?a target="_blank">半導(dǎo)體集成工藝與薄（厚）膜工藝結(jié)合而制成的集成電路?；旌霞呻娐肥窃诨嫌贸赡し椒ㄖ谱骱衲せ虮∧ぴ捌浠ミB線，并在同一基片上將分立的半導(dǎo)體芯片、單片集成電路或微型元件混合組裝，疊加封裝形成。與分立元件電路相比，混合集成電路以其高密度、高性能、高可靠性和輕重量、小體積等明顯的優(yōu)勢廣泛應(yīng)用于電子裝備系統(tǒng)。

混合集成電路行業(yè)具有典型的品種門類多、組裝密度大、質(zhì)量等級高、定制化程度較高等特點，產(chǎn)品型號研制任務(wù)日益增長，功能性能要求不斷提高，并伴隨功能集成度、專業(yè)融合度、系統(tǒng)復(fù)雜度不斷提升，研發(fā)周期和質(zhì)量要求日趨嚴苛，以及開展研制工作過程中數(shù)字化平臺間的數(shù)據(jù)、流程交互的需求越來越迫切。混合集成電路企業(yè)面臨嚴峻復(fù)雜的發(fā)展環(huán)境，亟需打造數(shù)據(jù)互聯(lián)、模型傳遞和流程貫通的新模式，實現(xiàn)研制任務(wù)各階段高效協(xié)作已成為業(yè)務(wù)急需和創(chuàng)新發(fā)展的必由之路，為全面推進企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型奠定堅實基礎(chǔ)。

1 數(shù)字化研制目標(biāo)和思路

混合集成電路產(chǎn)品數(shù)字化研制目標(biāo)為：在構(gòu)建各類產(chǎn)品研制數(shù)據(jù)庫和知識庫基礎(chǔ)上，對產(chǎn)品研制全壽命過程涉及的產(chǎn)品實體、管理活動和外部空間進行數(shù)字化表達，形成以產(chǎn)品譜系模型、單件產(chǎn)品模型、各類管理評估模型為核心的數(shù)字模型體系，在統(tǒng)一數(shù)字空間開展產(chǎn)品方案論證、設(shè)計研發(fā)、生產(chǎn)制造、試驗鑒定等產(chǎn)品研制管理活動，逐步由物理空間的產(chǎn)品研制活動向數(shù)字空間的轉(zhuǎn)移、拓展和映射，通過在數(shù)字空間并行開展、提前開展甚至是替代開展實體空間的產(chǎn)品研制及應(yīng)用活動，并形成一整套數(shù)字化管理和研制規(guī)范，助力產(chǎn)品研制工作提質(zhì)增效。

混合集成電路產(chǎn)品數(shù)字化研制總體思路是：堅持“模型”是核心、“模型貫穿”是主線、“模型構(gòu)建與仿真驗證”是主要抓手的總體思路。面向產(chǎn)品研制全壽命周期的數(shù)字化建模應(yīng)用，重點開展基于模型驅(qū)動的數(shù)字化研制平臺建設(shè)，增強產(chǎn)品數(shù)字化模型設(shè)計構(gòu)建能力以及在虛擬空間的模型驗證能力，對應(yīng)于產(chǎn)品需求模型、數(shù)字樣機模型的構(gòu)建與驗證，尤其是對數(shù)字樣機模型進行細化分解，并加強模型貫穿與仿真驗證條件建設(shè)，支持在復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境下實現(xiàn)混合集成電路產(chǎn)品應(yīng)用場景遍歷和功能性能的充分驗證評估，切實提升對物理空間的反哺能力，減少基于實物驗證的迭代反復(fù)，有效提升方案論證、設(shè)計研發(fā)、生產(chǎn)制造、試驗鑒定等階段的效能。

圖1 混合集成電路數(shù)字化研制模式轉(zhuǎn)型示意圖

2 數(shù)字化研制模式實施策略

圍繞實施數(shù)字化轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略、支撐企業(yè)建設(shè)的目標(biāo)，公司推進構(gòu)建了混合集成電路產(chǎn)品數(shù)字化研制業(yè)務(wù)和管理模式的變革重構(gòu)，從組織機構(gòu)、流程架構(gòu)、共性支撐平臺、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、工作機制等方面堅定不移推進數(shù)字化研制工作。

2.1 成立數(shù)字化工作推進組織機構(gòu)

數(shù)字化研制貫穿產(chǎn)品研制全過程，涉及產(chǎn)品型號、技術(shù)、管理等多個方面，是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程。為切實推進數(shù)字化研制工作落地見效，加快培育數(shù)字化專家，探索建立適應(yīng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型需要的新型數(shù)字化組織，逐步打造一批政治素質(zhì)好、業(yè)務(wù)水平高、創(chuàng)新能力強的高水平技術(shù)團隊。明確各部門主要領(lǐng)導(dǎo)牽頭主抓數(shù)字化研制工作推進責(zé)任體系，及時協(xié)調(diào)解決問題和困難，確保各項工作沿著正確方向前進，為數(shù)字化研制模式轉(zhuǎn)型提供了有力的組織保障。

2.2 構(gòu)建科學(xué)完整的流程架構(gòu)

建立完備的研制流程架構(gòu)，橫向貫通產(chǎn)品研制全生命周期各階段，縱向打通研發(fā)設(shè)計、工藝制造、試驗鑒定、售后服務(wù)等各業(yè)務(wù)域，解決分散割裂、數(shù)據(jù)斷點等問題，實現(xiàn)端到端的貫通，支撐業(yè)務(wù)流程的持續(xù)建設(shè)和優(yōu)化。踐行以客戶為中心的理念，運用流程管理的方法論開展業(yè)務(wù)流程設(shè)計，集成管控基礎(chǔ)要素，實現(xiàn)業(yè)務(wù)流程規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，促使產(chǎn)品獲得市場與客戶的認可。加強業(yè)務(wù)流程和信息化平臺的深入融合，構(gòu)建統(tǒng)一的業(yè)務(wù)架構(gòu)和端到端的業(yè)務(wù)流程，保障各系統(tǒng)間的優(yōu)化整合和集約高效。結(jié)合先進的信息化技術(shù)，驅(qū)動業(yè)務(wù)模式變革與創(chuàng)新，實現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)字化，助力企業(yè)高質(zhì)量、高效率、高效益發(fā)展。

2.3 統(tǒng)籌謀劃共性支撐平臺建設(shè)

共性支撐平臺是面向企業(yè)科研生產(chǎn)和企業(yè)管理的統(tǒng)一支撐平臺，能夠為各類科研生產(chǎn)和企業(yè)管理應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)建提供統(tǒng)一的共性應(yīng)用支撐服務(wù)。為實現(xiàn)資源的高效集約使用，對資源進行最大化共享復(fù)用，積累推廣優(yōu)秀的成果經(jīng)驗，堅持國產(chǎn)替代、安全可控相結(jié)合的基礎(chǔ)上，從公司頂層統(tǒng)籌謀劃專業(yè)軟件工具平臺建設(shè)、數(shù)據(jù)/模型資產(chǎn)等資源，探索設(shè)計共性支撐平臺。聚焦產(chǎn)品論證、設(shè)計研發(fā)、生產(chǎn)制造、試驗鑒定等關(guān)鍵業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)提供統(tǒng)一支撐，一體解決跨專業(yè)、跨部門傳遞模型帶來的障礙，沉淀共性能力和資源，打造共用能力底座，構(gòu)建資源共享體系，促進各領(lǐng)域、各部門協(xié)同發(fā)展，確保數(shù)字化研制工作高效集約推進。

2.4 建設(shè)數(shù)字化工作標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系

數(shù)字化研制標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范是實施混合集成電路產(chǎn)品數(shù)字化研制的基本要求，應(yīng)充分參考或遵循國際標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，建立科學(xué)、合理、規(guī)范的數(shù)字化研制標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，涵蓋基礎(chǔ)、管理、技術(shù)等多個方面。鑒于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范編制周期長、審查程序嚴謹，為滿足產(chǎn)品研制過程中面臨的迫切需求，按照“示范先行、規(guī)范跟進”的推進思路，以試點示范項目為引領(lǐng)，先行開展專用規(guī)范、專屬標(biāo)準(zhǔn)等制度建設(shè)，結(jié)合各類產(chǎn)品研制實際工作情況不斷完善相應(yīng)規(guī)范，最終總固化形成通用標(biāo)準(zhǔn)，以有效積累沉淀數(shù)字化研制成果，并指導(dǎo)設(shè)計、工藝、制造等相關(guān)人員規(guī)范開展研制工作。

2.5 建立健全數(shù)字化研制推進工作機制

數(shù)字化研制模式是一種全面提升業(yè)務(wù)效率、支撐業(yè)務(wù)模式創(chuàng)新的新模式。為全力保障產(chǎn)品數(shù)字化研制工作的順利實施，構(gòu)建“行政指揮線+技術(shù)指揮線”的兩線協(xié)同管理機制，壓實數(shù)字化推進任務(wù)責(zé)任，加強企業(yè)內(nèi)外部智庫團隊、領(lǐng)域?qū)＜彝献?，形成工作合力，確保任務(wù)全面落實。建立健全一盤棋統(tǒng)籌推進工作機制，通過專題工作會、專項研討會、評估考核等方式，形成“過程跟蹤、督促指導(dǎo)、績效考評”的閉環(huán)管理機制，對存在的問題和不足進行動態(tài)識別和精細管控，促進數(shù)字化轉(zhuǎn)型工作有效落地、整體推進、全面發(fā)展。

3 數(shù)字化研制模式轉(zhuǎn)型研究

面向數(shù)字化研制模式轉(zhuǎn)型目標(biāo)，聚焦混合集成電路產(chǎn)品論證、設(shè)計研發(fā)、生產(chǎn)制造、試驗鑒定等研制模式轉(zhuǎn)型方向，開展產(chǎn)品數(shù)字化研制模式轉(zhuǎn)型研究與實踐，遵從共性的新模式開展各階段數(shù)字化活動，持續(xù)提升產(chǎn)品研制數(shù)字化能力水平。

3.1 產(chǎn)品論證數(shù)字化

通過在數(shù)字空間開展虛擬仿真試驗，精準(zhǔn)分析產(chǎn)品方案合理性、經(jīng)濟可行性、技術(shù)成熟度的分析與方案尋優(yōu)，準(zhǔn)確生成產(chǎn)品需求，提升產(chǎn)品立項決策能力，實現(xiàn)低成本，高置信的產(chǎn)品論證方案，著力解決傳統(tǒng)產(chǎn)品方案論證過程中存在的研究不夠充分、產(chǎn)品效能評估不夠準(zhǔn)確、產(chǎn)品設(shè)計指標(biāo)不夠科學(xué)等問題，為后續(xù)研制工作提供準(zhǔn)確輸入。

探索推進產(chǎn)品論證由定性向定量轉(zhuǎn)變?，F(xiàn)有的產(chǎn)品論證方式基于同類實體產(chǎn)品設(shè)計經(jīng)驗開展，性能指標(biāo)與技術(shù)路線不能充分優(yōu)選，反復(fù)論證、效率低下。數(shù)字化產(chǎn)品論證方式具備成本低、周期短、性能指標(biāo)與功能模塊充分優(yōu)化，技術(shù)路線論證充分等優(yōu)勢。在立項方案階段，面向產(chǎn)品研制合同、技術(shù)協(xié)議、用戶研制需求等外部輸入，開展電路需求、結(jié)構(gòu)需求、可靠性需求等需求模型建模工作，梳理得到定量的電性能、引出端、外形尺寸、環(huán)境要求、安裝方式、檢驗試驗需求等參數(shù)要求，形成準(zhǔn)確的產(chǎn)品研制任務(wù)需求目錄。利用建模設(shè)計工具繼承已有的架構(gòu)設(shè)計結(jié)果，綜合產(chǎn)品需求目錄，開展模型化概念方案設(shè)計，通過功能劃分、指標(biāo)審校，實現(xiàn)場景化、體系化的定量優(yōu)化設(shè)計。通過對接用戶側(cè)綜合仿真平臺，開展模型推演仿真，實現(xiàn)對概念方案設(shè)計結(jié)果驗證，確保產(chǎn)品滿足配套裝備的應(yīng)用需求，并實現(xiàn)體系貢獻度的最大化。

3.2 設(shè)計研發(fā)數(shù)字化

圍繞模型構(gòu)建、數(shù)據(jù)驅(qū)動的研發(fā)模式轉(zhuǎn)型，依托數(shù)字化設(shè)計平臺工具，構(gòu)建數(shù)字樣機模型，通過多領(lǐng)域間模型要素傳遞，實現(xiàn)整體設(shè)計快速分解，各功能模塊設(shè)計的準(zhǔn)確集成，大幅提升迭代效率。通過多學(xué)科間模型要素傳遞，支撐多專業(yè)聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計，進一步提升產(chǎn)品效費比，從而解決當(dāng)前產(chǎn)品設(shè)計過程中存在的設(shè)計迭代效率不高，設(shè)計優(yōu)化不全面等問題，實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計從局部最優(yōu)向整體最優(yōu)轉(zhuǎn)變。

探索推進設(shè)計研發(fā)由文檔傳遞向模型協(xié)同轉(zhuǎn)變。現(xiàn)有的產(chǎn)品設(shè)計往往基于文檔開展，各種文檔編制、流轉(zhuǎn)、審閱耗時長易出錯，導(dǎo)致溝通效率低下，設(shè)計差錯率居高不下；基于文檔的設(shè)計往往囿于設(shè)計師重點關(guān)注的若干專業(yè)開展，尚未完整覆蓋產(chǎn)品研發(fā)涉及的各個學(xué)科領(lǐng)域及多學(xué)科交叉領(lǐng)域，難以實現(xiàn)指標(biāo)的綜合優(yōu)化；基于文檔的設(shè)計難以做到設(shè)計復(fù)用、知識復(fù)用，設(shè)計效率提升難度較大。數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)具有交互效率高、技術(shù)指標(biāo)全局優(yōu)化、知識復(fù)用率高、設(shè)計規(guī)則約束作用大等優(yōu)勢。數(shù)字化研發(fā)模式下，重點開展產(chǎn)品電路設(shè)計、版圖設(shè)計、可靠性設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及投產(chǎn)準(zhǔn)備。采用電學(xué)參數(shù)級仿真模型細化為六大標(biāo)準(zhǔn)單元IP模型及其它元器件模型，由濾波電路、功率轉(zhuǎn)換、高頻變壓器、輸出整流、控制驅(qū)動、輸出反饋等電路模塊承載產(chǎn)品具體參數(shù)信息及電特性。通過電路產(chǎn)品及六大標(biāo)準(zhǔn)單元協(xié)同技術(shù)論證、方案設(shè)計、詳細設(shè)計，形成產(chǎn)品的多專業(yè)設(shè)計方案，同步開展基于模型的多專業(yè)設(shè)計驗證，迭代優(yōu)化設(shè)計指標(biāo)；對模型數(shù)據(jù)實施管理、歸檔，形成企業(yè)級模型庫，實現(xiàn)模型復(fù)用，全面提升后續(xù)同類產(chǎn)品的設(shè)計效率。

3.3 生產(chǎn)制造數(shù)字化

生產(chǎn)制造階段主要開展工藝設(shè)計、物料齊套、自制件生產(chǎn)與整件產(chǎn)品微組裝等，形成實體產(chǎn)品，為內(nèi)部檢驗試驗、外部試驗鑒定做準(zhǔn)備。通過將數(shù)字空間的產(chǎn)品模型與生產(chǎn)要素相關(guān)聯(lián)，大幅提升產(chǎn)品制造效率。依托數(shù)字化制造平臺，開展全三維全數(shù)字工藝設(shè)計，打通工藝、結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)傳遞堵點，實現(xiàn)工藝設(shè)計的迭代提升，支持變批量混合生產(chǎn)，有效縮短微組裝周期，解決當(dāng)前產(chǎn)品制造過程中存在的工藝優(yōu)化不深入、產(chǎn)線建設(shè)周期長等問題，促進產(chǎn)品制造的周期縮短與質(zhì)量提升。

探索推進生產(chǎn)制造由人工主導(dǎo)向智能主導(dǎo)轉(zhuǎn)變。現(xiàn)有的生產(chǎn)制造依賴于人工操作和手工控制，導(dǎo)致生產(chǎn)過程效率低下。數(shù)字化生產(chǎn)制造具有生產(chǎn)效率高、成本低、靈活性高、一致性優(yōu)等諸多特點。數(shù)字化生產(chǎn)制造模式下，建立產(chǎn)品工藝器件的高精度模型，實現(xiàn)電路產(chǎn)品工藝設(shè)計環(huán)節(jié)的數(shù)字化仿真評估。通過車間管理系統(tǒng)、高級排程、物流配送、設(shè)備監(jiān)控等數(shù)字化平臺工具，實現(xiàn)高效排程調(diào)度、精準(zhǔn)配送物料、制造自動執(zhí)行、工藝流程優(yōu)化；通過自動操作、控制，有效提升生產(chǎn)效率，降低返工返修率，節(jié)約生產(chǎn)成本；采用模塊化、柔性化生產(chǎn)系統(tǒng)，可更好適應(yīng)不同的產(chǎn)品類型與規(guī)格，提升生產(chǎn)的靈活性；通過信息系統(tǒng)集成，實現(xiàn)不同工序環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)共享，提高生產(chǎn)管理效率；采用自動化手段降低人員參與的風(fēng)險，保證產(chǎn)品質(zhì)量一致性。

3.4 試驗鑒定數(shù)字化

試驗鑒定階段重點開展試驗計劃、試驗任務(wù)、試驗資源、綜合信息和試驗數(shù)據(jù)的集中管理、交互共享、合理使用，確保試驗數(shù)據(jù)的完整性和安全性，為完成定型、用戶驗收和產(chǎn)品交付做好準(zhǔn)備。通過將在數(shù)字空間構(gòu)建產(chǎn)品模型檢驗試驗環(huán)境，通過虛擬環(huán)境、產(chǎn)品要素的快速迭代，洞悉產(chǎn)品的真實能力，推動產(chǎn)品的性能優(yōu)化與質(zhì)量提升，滿足產(chǎn)品數(shù)字化試驗鑒定需求。試驗人員宜采取虛實結(jié)合的檢驗試驗方法，綜合利用仿真驗證平臺、仿真算法、實測數(shù)據(jù)，構(gòu)建高逼真度的虛擬試驗環(huán)境，通過數(shù)實迭代保證數(shù)字域模型能夠真實反映產(chǎn)品實體能力，以數(shù)實動態(tài)演化促進數(shù)字域等效實體域，窮舉遍歷產(chǎn)品使用的各種邊界條件，著重解決產(chǎn)品試驗驗證主要采用實物試驗手段，存在試驗效率低、成本高、安全隱患大等問題，打破現(xiàn)實大規(guī)模體系化應(yīng)用場景模擬試驗的局限。

探索推進試驗鑒定由產(chǎn)品實物驗證向虛實融合驗證轉(zhuǎn)變?，F(xiàn)有的試驗鑒定往往采用基于實物的測試驗證，周期長、成本高，難以全面摸清產(chǎn)品指標(biāo)性能底數(shù)?；趯嵨锏脑囼灧绞酵Y源受限，造成次數(shù)有限，較難遍歷產(chǎn)品使用邊界條件。試驗過程中存在高低溫、強電壓、抗輻照、機械沖擊等環(huán)境因素，給參試人員帶來一定的安全風(fēng)險。數(shù)字化試驗鑒定具有成本低、周期短、結(jié)果更可信以及安全性更好等諸多優(yōu)勢。數(shù)字化試驗鑒定模式下，采用虛實結(jié)合的半實物驗證手段，面向?qū)嶋H應(yīng)用領(lǐng)域構(gòu)建各種典型使用場景，在數(shù)字樣機基礎(chǔ)上形成數(shù)字實體模型，基于產(chǎn)品應(yīng)用場景開展功能指標(biāo)評估和性能邊界考核，充分驗證產(chǎn)品在復(fù)雜環(huán)境下的運行狀態(tài)。通過在數(shù)字空間構(gòu)建虛擬的試驗場景，大幅減少試驗所需的人力和物力；通過復(fù)雜試驗環(huán)境配置、邊界條件遍歷與大樣本模擬試驗，摸清產(chǎn)品各項指標(biāo)底數(shù)，提升試驗結(jié)果的可信度；通過建立專業(yè)的試驗數(shù)據(jù)采集工具進行數(shù)據(jù)自動采集、處理與分析，提高試驗鑒定效率，降低試驗鑒定成本。

4 數(shù)字化研制模式轉(zhuǎn)型展望

通過對混合集成電路產(chǎn)品數(shù)字化研制方面開展了積極的技術(shù)研究與應(yīng)用實踐，探索實施基于模型的混合集成電路全要素、全領(lǐng)域、全過程數(shù)字化研制模式轉(zhuǎn)型。經(jīng)過前期的研究與實踐已取得初步實效，但整體數(shù)字化轉(zhuǎn)型速度和成效尚無法滿足全面推廣一體化全數(shù)字化設(shè)計與制造模式的發(fā)展要求。數(shù)字化研制支撐條件機制不完備，阻礙了企業(yè)數(shù)字化能力快速提升。后續(xù)，將重點關(guān)注數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展方向，積極開展理論研究與工程實踐，推進多學(xué)科集成仿真技術(shù)研究，進一步擴展產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計范圍。深化技術(shù)發(fā)展聯(lián)盟、產(chǎn)業(yè)生態(tài)等領(lǐng)域協(xié)作聯(lián)合，積極推進領(lǐng)域間數(shù)字化成果交流學(xué)習(xí)，促進資源要素互補，推動聯(lián)合資源開發(fā)，輔助提升業(yè)務(wù)能力，實現(xiàn)數(shù)字化技術(shù)與產(chǎn)品研制工作的深度融合，為數(shù)字化研制模式轉(zhuǎn)型升級和企業(yè)跨越式發(fā)展提供堅實保障。

審核編輯：黃飛