模拟大牛谈模拟工程师身价及发展方向

有人说,技术的进展将会让模拟工程师不断被淘汰;但也有人说,优秀且经验丰富的模拟工程师永远都会被需要,而且现在有供不应求的现象。

在产业界花了几年的时间鼓励理工科系学生锁定软体与数字电子技术后,却有人说「报应」马上要来了──据了解,许多模拟混合讯号设计职缺长期悬置,有些资深工程师甚至没办法退休,因为找不到接班人。

这在某一方面或许要怪这些年模拟转数字化风潮,造就了这一代工程师只会说程式语言、对电路结构却不熟练;在另一方面,可能是因为系统单晶片(SoC)的问世,IC设计业者很容易就能取得各种功能IP,再加上IC设计工具软体发达,市场对模拟工程师的需求本来就不高。

「我很愿意为我所能贡献的领域付出五年甚至更长的时间,但它没有了;」本来在NS(现已并入TI)担任首席模拟设计工程师的Edison Fong,在2009年丢了工作,去一家后来卖给微软(Microsoft)的新创公司待了两年,接着又转任系统酬载(systems payload)工程师:「那是我做过最糟的工作;在我申请提早退休之前,被要求一个星期得工作80个小时。」

在过去的一年半,Fong在美国加州大学的圣克鲁兹分校(UC Santa Cruz)担任客座顾问,并从一些天线的专利取得收入;他觉得他的遭遇已经比一些朋友好得多,有人甚至不得不完全退出所熟悉的技术领域,或者得离家到遥远的中国等地工作。

但在此同时,北美的模拟工程师职缺却乏人问津,那些职缺大多需要工程师同时具备数字与模拟技术经验,而且需在元件层级(device level)工作。

在加拿大国家研究院(National Research Council of Canada)的碳化矽上氮化镓(GaN on SiC)研究专案负责客户关系业务的Brian Kennedy开玩笑表示:「如果具备正确的技术专长,我们的客户甚至愿意聘请80岁的模拟工程师,无论性别。」而且在加拿大工作可享受医疗免费。

Kennedy的客户来自产业各层面,有跨国公司也有新创公司,都是专精于以先进半导体材料生产客制化晶圆片;他指出,具备模拟技术专长、且在晶圆层级有工作经验的模拟工程师,现在可说拥有镀金身价:「厂商愿意重金聘请那些具备高度特殊技能的人才,但相信我,能具备这类知识技能的工程师通常都得经历一段艰辛的学习过程,基本上就像学黑魔法一样。」

他表示,一个能胜任元件层级工作的优秀模拟设计工程师,每设计一颗客制化晶片的酬劳可达5,000美元至2.5万美元。不过有晶圆层级工作经验,又具备数字、模拟混讯号技能的工程师,跟只具备模拟设计经验的工程师又不可同日而语。

Glen Chenier是一位跳槽过各种不同类型公司的模拟工程师,在某一段时间他所具备的离散逻辑设计技能非常抢手:「但现在你找工作会发现,人家要请的都是混 合讯号,而且都是晶片设计。」他说他从未有过元件层级的工作经验:「为大公司工作的时候,通常会被盯得很紧,而且也不会被调动工作地点或职务。」

Chenier曾经转职过两次,每次都是跟模拟有关的工作,而且做到工作没有为止;他定居在美国西雅图,不想再重头开始一个可能在五年内就炒他鱿鱼的工作。但在他居住的区域,模拟工程师其实并不多。

在失业了好一段时间之后,Chenier最后去一家维修二手电信设备的公司负责反向工程:「这个工作很棒,因为拥有很强的电路设计背景,我能很容易从别人的设计中找出所有的连结、推导出各功能区块,并重新画出电路图。」唯一的缺点是,这家公司付的薪水只有他当模拟工程师时的一半不到。

但产业界对于具备混合讯号设计经验的优秀模拟工程师之需求与可提供薪资,是同步持续成长的。在工程与人才招募服务业者Ranstad US负责的嵌入式产业客户的解决方案经理Henry Wintz表示,产业的混合讯号工程师人才需求跟几年前比多了三倍,而且薪资水准大幅跳跃。

Wintz表示,现在要找到一个模拟/混合讯号工程师所需平均时间,会比找一个嵌入式软体设计师要长得多:「通常在一个嵌入式软体工程师职缺开放的第一天内,我们很快就能收到3~5个适合的应征者履历,但混合讯号工程师职缺往往等上2~3天还看不到一个合格应征者。」

这有一部分原因是合格的模拟/混合讯号工程师人才本来就少,而且这类职缺的技能需求会比嵌入式软体工程师独特得多;Wintz表示:「我个人观察,在45个工程师中往往只有1个人是够资格应征该类职缺的。」

Wintz表示,混合讯号设计工作的一个挑战是,工程师得有五年以上的工作经验也许才能胜任,而且通常是得跟着资深模拟工程师前辈一对一学习,才能累积丰富的模拟知识经验,能理解电路设计中任何一个微小的差异。

有些工程师认为,模拟工程师人才不仅面临减少的问题,部分雇主对工程师的期待也越来越高,甚至有些不切实际。

「我的工程师朋友跟我说,他们看到对模拟工程师的征才条件,几乎需要具备所有模拟相关专长;」曾是模拟工程师,目前在Atmel担任创意作家的Paul Rako表示:「然后他们又加上“必须懂VHDL”数字程式语言。什么?这像是两个完全不同的世界;如果你试着要塞满所有这些资讯,你的脑袋会爆炸!」

Ranstad的Wintz 坦承,他有数家客户的模拟工程师职缺已经悬置一年以上:「这让我知道是他们开出的条件太严苛,而且他们要求应征者具备太多技能,基本在这个星球上找不到没有受过特定训练与客户经验就够资格的人。」

在凌力尔特(Linear Technology)(现已并入ADI)担任设计工程师的Barry Harvey也认为,那些企业主总是会在招募模拟设计工程师时抱着不切实际的期待:「如果你的公司想打造需要真正罕见技术经验的产品,该怎么做?当然,你是无法在短时间之内就找到一个专家的,而大多数的主管都不能好好规划或等待,因此他们只是直接开始找人或是拟一个不那么完美的条件草稿。」

他指出,他在到Linear之前待过的每一家公司都想做模拟数字转换器(ADC),但没有一家找到过正确的人才:「射频设计也是像那样,除非你能找到一个训练有素的大学毕业生,但问题是,通常具备RF经验的人不是已经被别家公司好好供着,就是退休了;现在很少有公司像Linear这样,有一套连续性的团队接班以及长期性人才养成计划。」

那,到底该怎么办呢?有鉴于优良模拟设计技巧得从工作中学习、师法资深前辈,产业界该如何确保能有稳定的人才供应来源可支援未来所需?

很多人相信,在职训练,特别是在模拟技术领域,是确保经验能一代代传承的最佳方式;其附带的好处是能持续进修,特别是在这个技术变化快速的领域,能有助于较资深的员工避免与时代脱节。但员工训练──尤其是针对资深员工──并非每家企业优先重视的项目。

对此Chenier表示,他在模拟技术被弃之若敝屣的时候,几乎一直在该领域工作;他所犯的最大错误就是太专注在模拟设计与针对数字讯号完整性的PCB设计,因为擅长于此所以非常忙碌,都没有时间学习程式语言等新东西。

他指出:「因为没有需要,所以当然没有激励我去学习的动机;我应该要坚持接受至少一点点有关数字FPGA或VHDL的交叉训练,但通常那些领域都会有其他大型团队负责,而模拟工程师只有唯一一个。」

有部分模拟工程师相信,那种不好好训练或是留住模拟技术专家的公司,会一直陷入找不到人才的困境或干脆放弃;Harvey表示:「现在仍活跃的一群到了90岁绝对不会再工作了,当你年纪越大技术越专精,但你就也不会想再忍受某些公司运作的方式。」

如果产业界忽略了培养下一代模拟工程师这个问题,产品的创新可能会遇到障碍;「我们可能会看到大多数是新产品的开发,但不是新技术。」Harvey举例解释,Widlar能隙与可写入式CD能算是创新技术,但后来的Brokaw能隙与可写入式DVD,就只能说是产品的升级。

【如何学习模拟IC设计】

众所周知,模拟电路难学,以最普遍的晶体管来说,我们分析它的时候必须首先分析直流偏置,其次在分析交流输出电压。可以说,确定工作点就是一项相当麻烦的工作(实际中来说),晶体管的参数多、参数的离散性也较大。但值得我们注意的是,模拟电路构建了电子行业的基础,至今为止,电子技术已经发展到如此高的水平。但如果我们观察各种电子电路的发展,我们会发现:几乎所有的电子技术都离不开放大技术。即使是数字芯片内部,其基本单元都是互补型源极接地放大电路。模拟电子技术的重要性时不我待。

模拟电路再怎么说,关键的是多学多做,做出片子就自然懂得哪些知识点需要掌握了。这里就主要谈谈学习模拟电路要求的四个知识部分,要成为模拟电路的设计者,我们必须掌握其最基本的以下四个组成部分:

(1)晶体管元件的设计

它是指半导体工程学方面的知识,任何设计的IC芯片都将最终回归于它,一般都是从薛定谔波动方程式开始引出的(比较复杂),但与实际具体设计电路直接联系不大,而我们又不能缺少这部分,是理论基础。

(2)晶体管电路的设计

要从事模拟电路设计事实上必须掌握晶体管电路的基本知识,推荐一边学习一边实验、仿真,PSPICE之类的都可以,通一个就行,同时要注意多想多动手。时间长了自然能掌握晶体管电路的设计技术,这里面的学习,我们就开始掌握经验。晶体管、FET是构建整个电路的基础,这里学通了,诸多IC的原理图就很直观了。

(3)功能模块的设计

功能模块主要以各种各样的运放为基础,包括AD、 DA、PLL、稳压源等等,它们都主要是由晶体管构成的,功能模块设计工程中都会将元器件适当的理想化。这部分的学习是十分重要的。一般都是从这里开始学习模拟电路,这部分相对来说比较易懂,也是模拟电路学习的切入点。

(4)系统设计

这部分就需要相当的高度,需要虑方方面面。

其实,说实在的,真正做过一两块片子就差不多能通大半部分。 关键是试验、动手。

复旦攻读微电子专业模拟芯片设计方向研究生开始到现在五年工作经验,已经整整八年了,其间聆听过很多国内外专家的指点。最近,应朋友之邀,写一点心得体会和大家共享。

我记得本科刚毕业时,由于本人打算研究传感器的,后来阴差阳错进了复旦逸夫楼专用集成电路与系统国家重点实验室做研究生。现在想来这个实验室名字大有深意,只是当时惘然。

电路和系统,看上去是两个概念, 两个层次。 我同学有读电子学与信息系统方向研究生的,那时候知道他们是“系统”的,而我们呢,是做模拟“电路”设计的,自然要偏向电路。而模拟芯片设计初学者对奇思淫巧的电路总是很崇拜,尤其是这个领域的最权威的杂志JSSC(IEEE Journal of solid state circuits), 以前非常喜欢看,当时立志看完近二十年的文章,打通奇经八脉,总是憧憬啥时候咱也灌水一篇, 那时候国内在此杂志发的文章凤毛麟角, 就是在国外读博士,能够在上面发一篇也属优秀了。

读研时,我导师是郑增钰教授,李联老师当时已经退休,逸夫楼邀请李老师每个礼拜过来指导。郑老师治学严谨,女中豪杰。李老师在模拟电路方面属于国内先驱人物,现在在很多公司被聘请为专家或顾问。 李老师在87年写的一本(运算放大器设计);即使现在看来也是经典之作。李老师和郑老师是同班同学,所以很要好,我自然相对于我同学能够幸运地得到李老师的指点。

李老师和郑老师给我的培养方案是:先从运算放大器学起。所以我记得我刚开始从小电流源开始设计。那时候感觉设计就是靠仿真调整参数。但是我却永远记住了李老师语重心长的话:运放是基础,运放设计弄好了,其他的也就容易了。当时不大理解,我同学的课题都是AD/DA,锁相环等“高端”的东东,而李老师和郑老师却要我做“原始”的模块,我仅有的在(固体电子学) (国内的垃圾杂志)发过的一篇论文就是轨到轨(rail-to-rail)放大器。 做的过程中很郁闷,非常羡慕我同学的项目,但是感觉李老师和郑老师讲的总有他们道理,所以我就专门看JSSC运放方面的文章,基本上近20多年的全看了。

当时以为很懂这个了,后来工作后才发现其实还没懂。 所谓懂,是要真正融会贯通,否则塞在脑袋里的知识再多,也是死的。但是运算放大器是模拟电路的基石,只有根基扎实方能枝繁叶茂,两位老师的良苦用心工作以后才明白。总的来说,在复旦,我感触最深的就是郑老师的严谨治学之风和李老师的这句话。

硕士毕业,去找工作,当时有几个offer。 我师兄孙立平, 李老师的关门弟子,推荐我去新涛科技,他说里面有个常仲元,鲁汶天主教大学博士,很厉害。我听从师兄建议就去了。新涛当时已经被IDT以8500万美金收购了,成为国内第一家成功的芯片公司。面试我的是公司创始人之一的总经理Howard. C. Yang(杨崇和)。 Howard是Oregon State University 的博士,锁相环专家。面试时他当时要我画了一个两级放大器带Miller补偿的, 我很熟练。他说你面有个零点,我很奇怪,从没听过,云里雾里,后来才知道这个是Howard在国际上首先提出来的, 等效模型中有个电阻,他自己命名为杨氏电阻。 当时出于礼貌,不断点头。不过他们还是很满意,反正就这样进去了。我呢,面试的惟一的遗憾是没见到常仲元,大概他出差了。

进入新涛后,下了决心准备术业有专攻。因为本科和研究生时喜欢物理,数学和哲学,花了些精力在这些上面。工作后就得真刀真枪的干了。每天上班仿真之余和下班后,就狂看英文原版书。第一本就是现在流行的Razavi的那本书。读了三遍。感觉大有收获。那时候在新涛,初生牛犊不怕虎,应该来说,我还是做得很出色的,因此得到常总的赏识,被他评价为公司内最有potential的人。偶尔常总会过来指点一把,别人很羡慕。其实我就记住了常总有次聊天时给我讲的心得, 他大意是说做模拟电路设计有三个境界:第一是会手算,意思是说pensile-to-paper, 电路其实应该手算的,仿真只是证明手算的结果。第二是,算后要思考,把电路变成一个直观的东西。 第三就是创造电路。

我大体上按照这三部曲进行的。Razavi的那本书后面的习题我仔细算了。公司的项目中,我也力图首先以手算为主, 放大器的那些参数,都是首先计算再和仿真结果对比。久而久之,我手计算的能力大大提高,一些小信号分析计算,感觉非常顺手。这里讲一个小插曲,有一次在一个项目中,一个保护回路AC仿真总不稳定,调来调去,总不行,这儿加电容,那儿加电阻,试了几下都不行,就找常总了。因为这个回路很大,所以感觉是瞎子摸象。常总一过来三下五除二就摆平了, 他仔细看了,然后就导出一个公式,找出了主极点和带宽表达式。通过这件事,我对常总佩服得五体投地, 同时也知道直观的威力。所以后来看书时,都会仔细推导书中的公式,然后再直观思考信号流, 不直观不罢手。一年多下来, 对放大器终于能够透彻理解了,感觉学通了, 通之后发现一通百通。最后总结:放大器有两个难点,一个是频率响应,一个是反馈。
其实所谓电路直观,就是用从反馈的角度来思考电路。每次分析了一些书上或者JSSC上的“怪异”电路后,都会感叹:反馈呀,反馈!然后把分析的心得写在paper上面。

学通一个领域后再学其他相关领域会有某种“加速”作用。 常总的方式是每次做一个新项目时,让下面人先研究研究。我在离开新涛前,做了一个锁相环。 我以前没做过,然后就把我同学的硕士论文,以及书和很多paper弄来研究,研究了一个半月,常总过来问我:锁相环的3dB带宽弄懂了吧? 我笑答:早就弄懂了。

我强大的运放的频率响应知识用在锁相环上,小菜了。我这时已经去研究高深的相位噪声和jitter了。之后不久,一份30多页的英文研究报告发出来,常总大加赞赏!。 后来在COMMIT时,有个项目是修改一个RF Transceiver芯片, 使之从WCDMA到TD-SCDMA。里面有个基带模拟滤波器。我以前从没接触过滤波器,就花了两个月时间,看了三本英文原版书,第一本有900多页,和N多paper, 一下子对整个滤波器领域,开关电容的,GmC的,Active RC的都懂了。提出修改方案时, 由于我运放根基扎实,看文章时对于滤波器信号流很容易懂,所以很短时间就能一个人提出芯片电路原理分析和修改方案。最后报告写出来(也是我的又一个得意之作),送给TI. TI那边对这边一下子肃然起敬,Conference call时, 他们首先说这份报告是“Great job!”,我英文没听懂,Julian对我夸大拇指,说“他们对你评价很高呢”。后来去Dallas, TI那边对我们很尊敬, 我做报告时,很多人来听。总之,现在知道,凡事情,基础很重要,基础扎实学其他的很容易切入, 并且越学越快。

我是02年11月去的COMMIT,当时面试我的也是我现在公司老板Julian。 Julian问我:你觉得SOC (system on chip)设计的环节在哪儿? 我说:应该是模拟电路吧,这个比较难一些。Julian说错了,是系统。我当时很不以为然, 觉得模拟电路工程师应该花精力在分析和设计电路上。 Julian后来自己run了现在这公司On-Bright,把我也带来, 同时也从TI拉了两个,有一个是方博士。我呢,给Julian推荐了朱博士。这一两年,我和朱博士对方博士佩服得五体投地。方博士是TI***里面的顶级高手, 做产品能力超强。On-Bright现在做电源芯片,我和朱博士做了近两年,知道了系统的重要性。

芯片设计最终一定要走向系统, 这个是芯片设计的第四重境界。电路如同砖瓦,系统如同大厦。芯片设计工程师一定要从系统角度考虑问题,否则就是只见树木,不见森林。电源芯片中,放大器,比较器都是最最普通的, 其难点在于对系统的透彻理解。在On-Bright,我真正见识了做产品,从定义到设计,再到debug, 芯片测试和系统测试,最后到RTP (release to production)。 Julian把TI的先进产品开发流程和项目管理方式引入On-Bright,我和朱博士算是大开眼界,也知道了做产品的艰辛。

产品和学术是两片天地,学术可以天马行空,做出一个样品就OK了。产品开发是一个系统工程,牵涉到方方面面的工作。

模拟电路的设计是工程师们最头疼、但也是最致命的设计部分,尽管目前数字电路、大规模集成电路的发展非常迅猛,但是模拟电路的设计仍是不可避免的,有时也是 数字电路无法取代的,例如 RF射频电路的设计!这里将模拟电路设计中应该注意的问题总结如下,有些纯属经验之谈,还望大家多多补充、多多批评指正!...