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面向混合集成电路的数字化研制模式研究与实践

2024/5/13    来源:e-works    作者:江敏      
关键字:混合集成电路  数字化研制模式  
通过对混合集成电路产品数字化研制方面开展了积极的技术研究与应用实践,探索实施基于模型的混合集成电路全要素、全领域、全过程数字化研制模式转型。
前言

       混合集成电路是电子技术中的重要组成部分,其发展趋势是智能化、高效化、可靠化。混合集成电路是由半导体集成工艺与薄(厚)膜工艺结合而制成的集成电路。混合集成电路是在基片上用成膜方法制作厚膜或薄膜元件及其互连线,并在同一基片上将分立的半导体芯片、单片集成电路或微型元件混合组装,叠加封装形成。与分立元件电路相比,混合集成电路以其高密度、高性能、高可靠性和轻重量、小体积等明显的优势广泛应用于电子装备系统。

       混合集成电路行业具有典型的品种门类多、组装密度大、质量等级高、定制化程度较高等特点,产品型号研制任务日益增长,功能性能要求不断提高,并伴随功能集成度、专业融合度、系统复杂度不断提升,研发周期和质量要求日趋严苛,以及开展研制工作过程中数字化平台间的数据、流程交互的需求越来越迫切。混合集成电路企业面临严峻复杂的发展环境,亟需打造数据互联、模型传递和流程贯通的新模式,实现研制任务各阶段高效协作已成为业务急需和创新发展的必由之路,为全面推进企业数字化转型奠定坚实基础。

1 数字化研制目标和思路    

       混合集成电路产品数字化研制目标为:在构建各类产品研制数据库和知识库基础上,对产品研制全寿命过程涉及的产品实体、管理活动和外部空间进行数字化表达,形成以产品谱系模型、单件产品模型、各类管理评估模型为核心的数字模型体系,在统一数字空间开展产品方案论证、设计研发、生产制造、试验鉴定等产品研制管理活动,逐步由物理空间的产品研制活动向数字空间的转移、拓展和映射,通过在数字空间并行开展、提前开展甚至是替代开展实体空间的产品研制及应用活动,并形成一整套数字化管理和研制规范,助力产品研制工作提质增效。

       混合集成电路产品数字化研制总体思路是:坚持“模型”是核心、“模型贯穿”是主线、“模型构建与仿真验证”是主要抓手的总体思路。面向产品研制全寿命周期的数字化建模应用,重点开展基于模型驱动的数字化研制平台建设,增强产品数字化模型设计构建能力以及在虚拟空间的模型验证能力,对应于产品需求模型、数字样机模型的构建与验证,尤其是对数字样机模型进行细化分解,并加强模型贯穿与仿真验证条件建设,支持在复杂应用环境下实现混合集成电路产品应用场景遍历和功能性能的充分验证评估,切实提升对物理空间的反哺能力,减少基于实物验证的迭代反复,有效提升方案论证、设计研发、生产制造、试验鉴定等阶段的效能。

混合集成电路数字化研制模式转型示意图

图1 混合集成电路数字化研制模式转型示意图

2 数字化研制模式实施策略

       围绕实施数字化转型战略、支撑企业建设的目标,公司推进构建了混合集成电路产品数字化研制业务和管理模式的变革重构,从组织机构、流程架构、共性支撑平台、标准规范、工作机制等方面坚定不移推进数字化研制工作。

       2.1 成立数字化工作推进组织机构

       数字化研制贯穿产品研制全过程,涉及产品型号、技术、管理等多个方面,是一项复杂的系统工程。为切实推进数字化研制工作落地见效,加快培育数字化专家,探索建立适应数字化转型需要的新型数字化组织,逐步打造一批政治素质好、业务水平高、创新能力强的高水平技术团队。明确各部门主要领导牵头主抓数字化研制工作推进责任体系,及时协调解决问题和困难,确保各项工作沿着正确方向前进,为数字化研制模式转型提供了有力的组织保障。

       2.2 构建科学完整的流程架构

       建立完备的研制流程架构,横向贯通产品研制全生命周期各阶段,纵向打通研发设计、工艺制造、试验鉴定、售后服务等各业务域,解决分散割裂、数据断点等问题,实现端到端的贯通,支撑业务流程的持续建设和优化。践行以客户为中心的理念,运用流程管理的方法论开展业务流程设计,集成管控基础要素,实现业务流程规范化、标准化,促使产品获得市场与客户的认可。加强业务流程和信息化平台的深入融合,构建统一的业务架构和端到端的业务流程,保障各系统间的优化整合和集约高效。结合先进的信息化技术,驱动业务模式变革与创新,实现业务数字化,助力企业高质量、高效率、高效益发展。

       2.3 统筹谋划共性支撑平台建设

       共性支撑平台是面向企业科研生产和企业管理的统一支撑平台,能够为各类科研生产和企业管理应用系统构建提供统一的共性应用支撑服务。为实现资源的高效集约使用,对资源进行最大化共享复用,积累推广优秀的成果经验,坚持国产替代、安全可控相结合的基础上,从公司顶层统筹谋划专业软件工具平台建设、数据/模型资产等资源,探索设计共性支撑平台。聚焦产品论证、设计研发、生产制造、试验鉴定等关键业务环节提供统一支撑,一体解决跨专业、跨部门传递模型带来的障碍,沉淀共性能力和资源,打造共用能力底座,构建资源共享体系,促进各领域、各部门协同发展,确保数字化研制工作高效集约推进。

       2.4 建设数字化工作标准规范体系

       数字化研制标准规范是实施混合集成电路产品数字化研制的基本要求,应充分参考或遵循国际标准、国家标准、行业标准,建立科学、合理、规范的数字化研制标准规范体系,涵盖基础、管理、技术等多个方面。鉴于标准规范编制周期长、审查程序严谨,为满足产品研制过程中面临的迫切需求,按照“示范先行、规范跟进”的推进思路,以试点示范项目为引领,先行开展专用规范、专属标准等制度建设,结合各类产品研制实际工作情况不断完善相应规范,最终总固化形成通用标准,以有效积累沉淀数字化研制成果,并指导设计、工艺、制造等相关人员规范开展研制工作。

       2.5 建立健全数字化研制推进工作机制

       数字化研制模式是一种全面提升业务效率、支撑业务模式创新的新模式。为全力保障产品数字化研制工作的顺利实施,构建“行政指挥线+技术指挥线”的两线协同管理机制,压实数字化推进任务责任,加强企业内外部智库团队、领域专家通力合作,形成工作合力,确保任务全面落实。建立健全一盘棋统筹推进工作机制,通过专题工作会、专项研讨会、评估考核等方式,形成“过程跟踪、督促指导、绩效考评”的闭环管理机制,对存在的问题和不足进行动态识别和精细管控,促进数字化转型工作有效落地、整体推进、全面发展。

3 数字化研制模式转型研究

       面向数字化研制模式转型目标,聚焦混合集成电路产品论证、设计研发、生产制造、试验鉴定等研制模式转型方向,开展产品数字化研制模式转型研究与实践,遵从共性的新模式开展各阶段数字化活动,持续提升产品研制数字化能力水平。

       3.1 产品论证数字化

       通过在数字空间开展虚拟仿真试验,精准分析产品方案合理性、经济可行性、技术成熟度的分析与方案寻优,准确生成产品需求,提升产品立项决策能力,实现低成本,高置信的产品论证方案,着力解决传统产品方案论证过程中存在的研究不够充分、产品效能评估不够准确、产品设计指标不够科学等问题,为后续研制工作提供准确输入。

       探索推进产品论证由定性向定量转变。现有的产品论证方式基于同类实体产品设计经验开展,性能指标与技术路线不能充分优选,反复论证、效率低下。数字化产品论证方式具备成本低、周期短、性能指标与功能模块充分优化,技术路线论证充分等优势。在立项方案阶段,面向产品研制合同、技术协议、用户研制需求等外部输入,开展电路需求、结构需求、可靠性需求等需求模型建模工作,梳理得到定量的电性能、引出端、外形尺寸、环境要求、安装方式、检验试验需求等参数要求,形成准确的产品研制任务需求目录。利用建模设计工具继承已有的架构设计结果,综合产品需求目录,开展模型化概念方案设计,通过功能划分、指标审校,实现场景化、体系化的定量优化设计。通过对接用户侧综合仿真平台,开展模型推演仿真,实现对概念方案设计结果验证,确保产品满足配套装备的应用需求,并实现体系贡献度的最大化。

       3.2 设计研发数字化

       围绕模型构建、数据驱动的研发模式转型,依托数字化设计平台工具,构建数字样机模型,通过多领域间模型要素传递,实现整体设计快速分解,各功能模块设计的准确集成,大幅提升迭代效率。通过多学科间模型要素传递,支撑多专业联合优化设计,进一步提升产品效费比,从而解决当前产品设计过程中存在的设计迭代效率不高,设计优化不全面等问题,实现产品设计从局部最优向整体最优转变。

       探索推进设计研发由文档传递向模型协同转变。现有的产品设计往往基于文档开展,各种文档编制、流转、审阅耗时长易出错,导致沟通效率低下,设计差错率居高不下;基于文档的设计往往囿于设计师重点关注的若干专业开展,尚未完整覆盖产品研发涉及的各个学科领域及多学科交叉领域,难以实现指标的综合优化;基于文档的设计难以做到设计复用、知识复用,设计效率提升难度较大。数字化产品设计研发具有交互效率高、技术指标全局优化、知识复用率高、设计规则约束作用大等优势。数字化研发模式下,重点开展产品电路设计、版图设计、可靠性设计、结构设计以及投产准备。采用电学参数级仿真模型细化为六大标准单元IP模型及其它元器件模型,由滤波电路、功率转换、高频变压器、输出整流、控制驱动、输出反馈等电路模块承载产品具体参数信息及电特性。通过电路产品及六大标准单元协同技术论证、方案设计、详细设计,形成产品的多专业设计方案,同步开展基于模型的多专业设计验证,迭代优化设计指标;对模型数据实施管理、归档,形成企业级模型库,实现模型复用,全面提升后续同类产品的设计效率。

       3.3 生产制造数字化

       生产制造阶段主要开展工艺设计、物料齐套、自制件生产与整件产品微组装等,形成实体产品,为内部检验试验、外部试验鉴定做准备。通过将数字空间的产品模型与生产要素相关联,大幅提升产品制造效率。依托数字化制造平台,开展全三维全数字工艺设计,打通工艺、结构数据传递堵点,实现工艺设计的迭代提升,支持变批量混合生产,有效缩短微组装周期,解决当前产品制造过程中存在的工艺优化不深入、产线建设周期长等问题,促进产品制造的周期缩短与质量提升。

       探索推进生产制造由人工主导向智能主导转变。现有的生产制造依赖于人工操作和手工控制,导致生产过程效率低下。数字化生产制造具有生产效率高、成本低、灵活性高、一致性优等诸多特点。数字化生产制造模式下,建立产品工艺器件的高精度模型,实现电路产品工艺设计环节的数字化仿真评估。通过车间管理系统、高级排程、物流配送、设备监控等数字化平台工具,实现高效排程调度、精准配送物料、制造自动执行、工艺流程优化;通过自动操作、控制,有效提升生产效率,降低返工返修率,节约生产成本;采用模块化、柔性化生产系统,可更好适应不同的产品类型与规格,提升生产的灵活性;通过信息系统集成,实现不同工序环节的数据共享,提高生产管理效率;采用自动化手段降低人员参与的风险,保证产品质量一致性。

       3.4 试验鉴定数字化

       试验鉴定阶段重点开展试验计划、试验任务、试验资源、综合信息和试验数据的集中管理、交互共享、合理使用,确保试验数据的完整性和安全性,为完成定型、用户验收和产品交付做好准备。通过将在数字空间构建产品模型检验试验环境,通过虚拟环境、产品要素的快速迭代,洞悉产品的真实能力,推动产品的性能优化与质量提升,满足产品数字化试验鉴定需求。试验人员宜采取虚实结合的检验试验方法,综合利用仿真验证平台、仿真算法、实测数据,构建高逼真度的虚拟试验环境,通过数实迭代保证数字域模型能够真实反映产品实体能力,以数实动态演化促进数字域等效实体域,穷举遍历产品使用的各种边界条件,着重解决产品试验验证主要采用实物试验手段,存在试验效率低、成本高、安全隐患大等问题,打破现实大规模体系化应用场景模拟试验的局限。

       探索推进试验鉴定由产品实物验证向虚实融合验证转变。现有的试验鉴定往往采用基于实物的测试验证,周期长、成本高,难以全面摸清产品指标性能底数。基于实物的试验方式往往资源受限,造成次数有限,较难遍历产品使用边界条件。试验过程中存在高低温、强电压、抗辐照、机械冲击等环境因素,给参试人员带来一定的安全风险。数字化试验鉴定具有成本低、周期短、结果更可信以及安全性更好等诸多优势。数字化试验鉴定模式下,采用虚实结合的半实物验证手段,面向实际应用领域构建各种典型使用场景,在数字样机基础上形成数字实体模型,基于产品应用场景开展功能指标评估和性能边界考核,充分验证产品在复杂环境下的运行状态。通过在数字空间构建虚拟的试验场景,大幅减少试验所需的人力和物力;通过复杂试验环境配置、边界条件遍历与大样本模拟试验,摸清产品各项指标底数,提升试验结果的可信度;通过建立专业的试验数据采集工具进行数据自动采集、处理与分析,提高试验鉴定效率,降低试验鉴定成本。

4 数字化研制模式转型展望

       通过对混合集成电路产品数字化研制方面开展了积极的技术研究与应用实践,探索实施基于模型的混合集成电路全要素、全领域、全过程数字化研制模式转型。经过前期的研究与实践已取得初步实效,但整体数字化转型速度和成效尚无法满足全面推广一体化全数字化设计与制造模式的发展要求。数字化研制支撑条件机制不完备,阻碍了企业数字化能力快速提升。后续,将重点关注数字化技术的发展方向,积极开展理论研究与工程实践,推进多学科集成仿真技术研究,进一步扩展产品协同设计范围。深化技术发展联盟、产业生态等领域协作联合,积极推进领域间数字化成果交流学习,促进资源要素互补,推动联合资源开发,辅助提升业务能力,实现数字化技术与产品研制工作的深度融合,为数字化研制模式转型升级和企业跨越式发展提供坚实保障。
责任编辑:程玥
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