ما يحتاج الأكاديميون إلى معرفته حول تصميم شرائح الصناعة

لقد كنت مصممًا لـ IC (ASIC) خاص بالتطبيقات منذ ما يقرب من ثلاثة عقود. خلال ذلك الوقت، انتقلت خلال المسار الأكاديمي الكامل، من طالب دراسات عليا إلى أستاذ كامل؛ وفي وقت لاحق، انتقلت إلى الصناعة بعد فترة فاشلة في ريادة الأعمال. عندما قمت بالتحول إلى القطاع الخاص في عام 2019، بدأت التركيز على جانب بالغ الأهمية من الصناعة الإلكترونية: الملكية الفكرية للسيليكون.

ما يصل إلى 80 بالمائة من المساحة المادية في الرقائق الأكثر تقدمًا اليوم تشغلها كتل لم يتم تصنيعها لمنتجات معينة أو حتى مصممة من قبل الشركات التي تتعامل مع المستهلك والتي قامت ببنائها. وبدلاً من ذلك، يعتمد صانعو الرقائق بشكل كبير على IP السيليكون الراسخ من شركات مثل Arm، وCadence، وRambus، وSynopsys، والشركة التي أعمل بها، Silicon Creations.

طوال مسيرتي المهنية، قمت بتصميم شرائح لأغراض مختلفة جدًا، بما في ذلك تمكين برنامج البحث في مختبري الأكاديمي وتوسيع محفظة الملكية الفكرية لشركتي. عندما انضممت إلى Silicon Creations، لم تكن لدي أي فكرة عن مدى الاختلاف في تعامل الصناعة مع تصميم الدوائر المتكاملة وواجهت منحنى تعليميًا حادًا. في البداية، بدا أن الكثير من الأبحاث والتدريب الأكاديمي اللذين قضيتهما على مدى عقدين من الزمن لم يترجم مباشرة إلى هذا الدور. كان علي أن أتعلم مهارات جديدة وأن أتبنى عقلية جديدة.

اليوم، يتزايد الطلب على ASICs بسرعة، مدفوعًا بالحاجة إلى شرائح متخصصة في قطاع السيارات وتطبيقات الذكاء الاصطناعي والمزيد. وفقًا لأحد تقديرات السوق، من المتوقع أن ينمو سوق ASIC من 23.4 مليار دولار أمريكي إلى 38.8 مليار دولار بحلول عام 2033، ومن المتوقع أن تصل صناعة أشباه الموصلات ككل إلى 1 تريليون دولار بحلول عام 2030. تحتاج الصناعة إلى المزيد من مصممي الرقائق – ولكن إذا كنت قادمًا من خلفية أكاديمية مثلي، فهناك بعض الأشياء التي ستحتاج إلى معرفتها.

الأهداف المختلفة تؤدي إلى استراتيجيات مختلفة

تبدأ الاختلافات بين الصناعة والقطاع الأكاديمي باختلاف في الهدف. في المجال الأكاديمي، كان هدفي الأساسي هو توليد معرفة جديدة: اقتراح تقنية دوائر جديدة، أو التحقق من صحة بنية غير تقليدية، أو استكشاف حدود الأداء في مجال معين. الشريحة الناجحة هي تلك التي توضح مفهومًا ما. في الصناعة، لا يكفي إثبات أن شيئًا ما يمكن أن ينجح. والهدف هو التأكد من أنها تعمل بشكل موثوق ومتكرر وعلى نطاق واسع. ولا يُقاس النجاح بالحداثة، بل بما إذا كان السيليكون يلبي المواصفات، ويحقق الإنتاجية المتوقعة، ويدعم المنتج التنافسي الذي يتم تسليمه في الموعد المحدد.

وهذا يؤدي إلى تناقض صارخ في تحمل المخاطر. غالبًا ما تندفع التصاميم الأكاديمية عمدًا إلى منطقة غير مثبتة، حيث يمكن حتى للنجاح الجزئي أن يؤدي إلى رؤية قيمة. ومع ذلك، في الصناعة، نقوم بتقليل المخاطر بشكل منهجي. إن تكلفة الفشل تجعل النجاح في استخدام السيليكون لأول مرة متطلبًا أساسيًا – خاصة في العقد التكنولوجية المتقدمة، حيث يمكن لأقنعة الطباعة الحجرية المستخدمة لنقل تصميمات الدوائر إلى رقائق السيليكون وحدها أن تكلف عشرات الملايين من الدولارات. ونتيجة لذلك، فإن تدفقات تصميم الصناعة مبنية على إزالة عدم اليقين من خلال الهوامش المحافظة، والتحقق الشامل، وإعادة الاستخدام الدقيق للحلول التي أثبتت جدواها.

“تستكشف الأوساط الأكاديمية مساحة التصميم، وتتساءل عما هو ممكن، بينما تستغله الصناعة، وتحدد ما هو قابل للتطبيق على نطاق واسع.”

هذا النموذج موجود منذ السبعينيات، عندما تم إنشاء تصميم الرقائق الخاص بالتطبيقات. ومع ذلك، اتسعت الفجوة بين الأوساط الأكاديمية والصناعة منذ منتصف عام 2010، عندما تم اعتماد تقنية FinFET، وهي بنية ثلاثية الأبعاد تستخدم “زعانف” رأسية من السيليكون، على نطاق واسع في الصناعة. كما أصبحت تصميمات الأنظمة معيارية بشكل متزايد مع ظهور الشرائح الصغيرة. أدى هذا إلى تغيير جذري في اقتصاديات وتعقيد تطوير ASIC، مع ارتفاع تكاليف التصميم بمقدار أمر كبير تقريبًا. إن مبادرات مثل برنامج FinFET الجامعي التابع لشركة تايوان لصناعة أشباه الموصلات ومراكز تصميم الرقائق الجديدة التي تمولها الحكومة تسمح الآن لبعض الجامعات ذات الموارد الجيدة بتصميم معماريات أكثر تقدمًا، لكن التكنولوجيا لا تزال بعيدة المنال بالنسبة للعديد من الأكاديميين.

ما يعنيه الانقسام بين الصناعة والأكاديمية في الممارسة العملية

فكر في شركة ناشئة تعمل على تطوير ASIC. قد يتمتع فريقها الهندسي بخبرة عميقة في خوارزمية معينة، أو واجهة استشعار، أو بنية النظام، وهي الميزات التي تحدد ميزتها التنافسية. ولكن من غير المرجح أن تمتلك خبرة عالمية المستوى في كل وظيفة داعمة. إن تطوير كل من هذه الكتل داخليًا سيتطلب وقتًا كبيرًا ورأس مال وموهبة متخصصة. قد يؤدي القيام بذلك إلى تأخير دخول السوق إلى ما هو أبعد من قدرة الشركة الناشئة على الاستمرار.

وحتى شركات أشباه الموصلات الكبيرة تواجه قيودا مماثلة. يتطلب تطوير العقدة المتقدمة تركيزًا مكثفًا. قد يكون من الصعب تبرير تخصيص فريق لإعادة تصميم كتلة واجهة قياسية تم تنفيذها بالفعل في مكان آخر، عندما يكون التمايز على مستوى النظام، مثل قدرة شريحة الاستدلال على تسريع حسابات الشبكة العصبية. إن الوقت الذي يستغرقه نقل شريحة جديدة من الفكرة إلى السوق وتخفيف المخاطر، وليس الاكتفاء الذاتي، هو الذي يحكم معظم القرارات المتعلقة بالتطوير الداخلي مقابل الاستعانة بمصادر خارجية.

إن اقتصاديات تصنيع الدوائر المتكاملة المتقدمة تعزز هذا الواقع. عندما تصل تكلفة تطوير شريحة متطورة إلى مئات الملايين من الدولارات، يصبح تقليل المخاطر ضرورة أساسية للتصميم.

وفي هذا السياق، ظهر السيليكون IP كحل عملي. على غرار الطريقة التي يعتمد بها مطورو البرامج على المكتبات الموجودة مسبقًا بدلاً من كتابة كل وظيفة من الصفر، يقوم مصممو ASIC بترخيص كتل السيليكون المصممة مسبقًا والتي تم التحقق منها مسبقًا – مثل نوى المعالج وواجهات الذاكرة ومحركات الأمان – من بائعي IP المتخصصين للغاية. ويمكن بعد ذلك دمج هذه الكتل في أنظمة أكبر وأكثر تعقيدًا.

نطاق التصميم والتحقق والآفاق الزمنية

ومع استخدام السيليكون IP، أصبحت الصناعة قادرة على توسيع نطاق تصميماتها. تميل الجهود الأكاديمية إلى التركيز على الابتكار على مستوى الكتلة: على سبيل المثال، بنية جديدة لمحول تناظري إلى رقمي أو مضخم صوت منخفض الضوضاء للغاية. عادةً ما تتخلص هذه التصميمات من العديد من التعقيدات المرتبطة بجلب الشريحة إلى السوق، مثل قيود التغليف، والموثوقية على المدى الطويل، وإنتاجية التصنيع.

في الصناعة، يتحول التركيز إلى التكامل على مستوى النظام. تشتمل الأنظمة الحديثة على الرقائق، أو SoCs، على عشرات أو حتى مئات الكتل الوظيفية. تصبح إدارة سلامة الإشارة والتوقيت وتفاعل البرامج الثابتة والتحقق من صحة النظام أمرًا بالغ الأهمية مثل تصميم أي كتلة فردية.

كما تتباين فلسفة التحقق بشكل حاد. في الأوساط الأكاديمية، الهدف من التحقق هو إثبات أن المفهوم يعمل في ظل ظروف اسمية، والتي قد لا تعكس دائمًا كيفية أدائه في التطبيقات الحقيقية. حتى لو كان جزء صغير فقط من الرقائق المصنعة من رقاقة متعددة المشاريع يعمل بشكل صحيح، فقد يظل التصميم يعتبر ناجحًا إذا أثبت صحة الفكرة الأساسية.

في مختبري الأكاديمي على سبيل المثال، اعتدنا أن نتلقى 40 شريحة من خدمة النماذج الأولية لشركة TSMC وبدأنا في اختبارها على دفعات من خمس شرائح. إذا أثبتت الشرائح الخمس أو العشرة الأولى فعاليتها، نكون قد جمعنا بالفعل ما يكفي من البيانات للنشر. وإذا فشل بعضها، لم يكن مطلوبا منا أن نذكر ذلك عند نشر النتائج.

في الصناعة، يعتبر التحقق شاملا وحاسما وغالبا ما يهيمن على الجدول الزمني للتطوير. يتم قياس الأعطال بأجزاء في المليون، وحتى الحالات الشاذة النادرة يتم تحليلها وتوثيقها بعناية لتحديد الأسباب الجذرية ومنع تكرارها. عندما بدأت في Silicon Creations، فوجئت بمستوى التفاصيل والتدقيق الذي تواجهه التصاميم.

وتعزز الاختلافات في الآفاق الزمنية والقيود الاقتصادية كلاً من هذه التناقضات. تعمل المشاريع الأكاديمية وفق جداول زمنية مرنة تتماشى مع دورات البحث والتمويل. إذا فاتني الموعد النهائي، كان علي فقط الانتظار للدورة التالية. تعتمد مشاريع الصناعة على جداول زمنية ثابتة للمنتجات ونوافذ السوق، وتستهدف في كثير من الأحيان العقد الرائدة المكلفة لتحقيق الأداء التنافسي والطاقة وكفاءة المساحة. يمكن أن يؤدي عدم الالتزام بالموعد النهائي إلى إبطال قيمة التصميم بأكمله وقد يكون له عواقب مالية كبيرة على طول سلسلة التوريد بأكملها.

في جوهر الأمر، تستكشف الأوساط الأكاديمية مساحة التصميم، وتتساءل عما هو ممكن، في حين تستغله الصناعة، وتحدد ما هو قابل للتطبيق على نطاق واسع. وكلاهما لا غنى عنهما، لكنهما يعملان وفق تعريفات مختلفة جوهرياً للنجاح. ومع استمرار نمو تعقيد ASIC، سيكون فهم كلا المنظورين ضروريًا للجيل القادم من المهندسين الذين يتنقلون في مشهد أشباه الموصلات المتطور.

تظهر هذه المقالة في إصدار الطباعة لشهر يونيو 2026.