半導(dǎo)體設(shè)計(jì)的起點(diǎn)正在改變。過(guò)去的做法相當(dāng)直接：根據(jù)功耗或性能選擇處理器，然后確定需要多少片上和片外內(nèi)存。現(xiàn)在，情況已經(jīng)復(fù)雜了許多。

發(fā)生這種情況的部分原因是市場(chǎng)開(kāi)始強(qiáng)調(diào)使用特定于應(yīng)用的硬件和軟件解決方案，這些方案之前非常不成熟甚至從未存在過(guò)，以至于開(kāi)發(fā)定制解決方案沒(méi)有利潤(rùn)可言。比如，汽車(chē)中的駕駛輔助技術(shù)在一兩年之前才變成汽車(chē)行業(yè)的優(yōu)先發(fā)展方向——那時(shí)候特斯拉憑借一款可以自動(dòng)駕駛的汽車(chē)震驚了汽車(chē)行業(yè)。而且過(guò)去幾年中云計(jì)算也實(shí)現(xiàn)了顯著的增長(zhǎng)(見(jiàn)圖 1)，改變了整個(gè)數(shù)據(jù)流程，讓傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心相形見(jiàn)絀。

機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能也在迅猛發(fā)展，這是一類(lèi)使用垂直市場(chǎng)算法的水平市場(chǎng)解決方案。IoT/IIot 也在穩(wěn)步增長(zhǎng)，另外還有虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)。這些因素加在一起，特定于市場(chǎng)的解決方案就成了行業(yè)關(guān)注的重心。在許多這些細(xì)分市場(chǎng)中，選擇某款處理器或內(nèi)存并不如滿足某個(gè)市場(chǎng)甚至某個(gè)市場(chǎng)的一部分的獨(dú)特需求更重要。

西門(mén)子旗下 Mentor 的總裁兼 CEO Wally Rhines 說(shuō)：“我們可以看到，針對(duì)細(xì)分市場(chǎng)的設(shè)計(jì)多了很多。在標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品和定制產(chǎn)品中針對(duì)細(xì)分市場(chǎng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)會(huì)改變市場(chǎng)格局，因?yàn)樗鼈兏苓m應(yīng)特定的行業(yè)。。這么做的好處是能在特定細(xì)分市場(chǎng)中占據(jù)更高的市場(chǎng)份額，也能給半導(dǎo)體公司帶來(lái)更高的利潤(rùn)。產(chǎn)品基礎(chǔ)越多樣化，你就越不可能實(shí)現(xiàn)35% 到 40% 的營(yíng)業(yè)利潤(rùn)。

其中一些細(xì)分市場(chǎng)(尤其是涉及安全的細(xì)分市場(chǎng))有自己的認(rèn)證要求。其它細(xì)分市場(chǎng)則是全新的而且還在發(fā)展過(guò)程中，所以使用占主導(dǎo)地位的現(xiàn)成部件構(gòu)建的設(shè)計(jì)可能不會(huì)取得成功。第一批智能手表就證明了這一點(diǎn)，它們?cè)趲啄昵叭绾樗阌咳肓讼M(fèi)電子市場(chǎng)。但是，因?yàn)檫@些設(shè)備采用的是通用的現(xiàn)成部件，所以這些手表的電池壽命非常有限，導(dǎo)致很多消費(fèi)者覺(jué)得它們用起來(lái)太麻煩了，根本算不上是有用的工具。

“不同的市場(chǎng)有不同的起點(diǎn)。”ARM 市場(chǎng)開(kāi)發(fā)高級(jí)總監(jiān) Bill Neifert 說(shuō)，“隨著汽車(chē)電子越來(lái)越重要，開(kāi)發(fā)這種技術(shù)的公司也在加大力度發(fā)展它們的方法，以趕上其它市場(chǎng)。這些公司的需求不同于汽車(chē)行業(yè)外的公司，其中對(duì)定制加速器有很大的需求——要在滿足它們的確切需求的同時(shí)仍然能使用標(biāo)準(zhǔn)的程序設(shè)計(jì)。在最前沿總是會(huì)有創(chuàng)新，但大多數(shù)公司并不在最前沿。大多數(shù)公司的目標(biāo)是利潤(rùn)，所以它們需要更快的速度或更低的功耗。IoT 對(duì)此有很大的推動(dòng)作用。但如果你試圖使用通用處理器，那會(huì)讓你的成本超出可接受的范圍。”

另一種方法是開(kāi)發(fā)更定制化的解決方案，但那也有自己的局限性。很多新市場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)模式并不支持定制化設(shè)計(jì)。尤其是有的市場(chǎng)中，消費(fèi)者選擇購(gòu)買(mǎi)的首要考慮因素是設(shè)備的價(jià)格;還有的市場(chǎng)需要快速推出產(chǎn)品，這需要更多的工程資源和不同的設(shè)計(jì)方法。

Cadence 的 IP Group 的產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)組總監(jiān) Marc Greenberg 說(shuō)：“設(shè)計(jì)師聚集到了兩方面。一方面，可用晶體管數(shù)量在增長(zhǎng)，使用先進(jìn)工藝完成新設(shè)計(jì)步驟的需求也在增長(zhǎng)。另一方面，市場(chǎng)窗口還是一樣。最終結(jié)果是人們?cè)噲D在設(shè)計(jì)周期中越來(lái)越早地實(shí)現(xiàn)基于標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)存和接口 IP。不久之前，沒(méi)有多少芯片開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)的新公司還通常不會(huì)嘗試在先進(jìn)節(jié)點(diǎn)上開(kāi)發(fā)芯片或使用最新的片外接口標(biāo)準(zhǔn)。今天，年輕公司同時(shí)嘗試先進(jìn)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和新標(biāo)準(zhǔn)的情況已經(jīng)很普遍了。”

工藝節(jié)點(diǎn)問(wèn)題

這應(yīng)該是商業(yè) IP 大展身手的地方。這會(huì)逐漸發(fā)展，而且并不簡(jiǎn)單。

“IP 的選擇正變得越來(lái)越復(fù)雜，因?yàn)閷?duì)于很多設(shè)計(jì)或重新設(shè)計(jì)而言，IP 還沒(méi)有得到檢驗(yàn)或還沒(méi)在設(shè)計(jì)中使用過(guò)。”ClioSoft 營(yíng)銷(xiāo)副總裁 Ranjit Adhikary 說(shuō)，“對(duì)于很多這樣的公司而言，真正的關(guān)鍵因素是上市時(shí)間。這關(guān)乎它們將使用哪個(gè)節(jié)點(diǎn)。但如果內(nèi)部自己開(kāi)發(fā) IP 而不是選擇第三方 IP，那么他們的 IP 選擇可能會(huì)受限。使用商業(yè) IP 會(huì)增加成本。有些公司可能會(huì)先使用商業(yè) IP 攻占市場(chǎng)，然后再通過(guò)自己開(kāi)發(fā) IP 來(lái)降低成本。”

這個(gè)決策還可以更加復(fù)雜。比如，兩種 10nm 工藝的代工廠工藝可能就會(huì)有很大的不同，使得同一個(gè) IP 模塊的表征看起來(lái)就相當(dāng)不一樣。而且在某個(gè)節(jié)點(diǎn)效果最好的方法可能并不是另一個(gè)節(jié)點(diǎn)的最佳選擇。

“在功率和性能的權(quán)衡上，你可以有很多選擇，但必須符合你使用的每個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)。”Synopsys 產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)總監(jiān) Mary Ann White 說(shuō)，“所以你總是要有基礎(chǔ) IP，其中包含內(nèi)存。而且這是由標(biāo)準(zhǔn)單元組成的，可能有很高的密度或很高的性能，但沒(méi)有低功耗。在那之后，難度就更大了。”

而且可能還根本沒(méi)有可用的 IP，這種情況正越來(lái)越多。代工廠正在爭(zhēng)先恐后為新市場(chǎng)提供新工藝，不管是新節(jié)點(diǎn)還是已有節(jié)點(diǎn)都是如此，從而迫使 IP 供應(yīng)商選擇該向哪里投入資源。對(duì)于希望使用最新節(jié)點(diǎn)的新設(shè)計(jì)而取得領(lǐng)先的公司而言，這是一個(gè)大難題。

“當(dāng)你研究一個(gè)設(shè)計(jì)時(shí)，你必須確定它的 IP 是不是可用的。”eSilicon 的 IP 營(yíng)銷(xiāo)總監(jiān) Lisa Minwell 說(shuō)，“有什么限制因素?這可能取決于你的目標(biāo)市場(chǎng)。所以如果這是一種網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，又有什么限制因素呢?我們一直在奮力工作，好讓我們能控制這一點(diǎn)。你必須要有實(shí)實(shí)在在可用的 IP。”

整個(gè)行業(yè)都贊同這一觀點(diǎn)。Flex Logix 的 CEO Geoff Tate 說(shuō)：“如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)變化足夠大，幾個(gè)工程師可能需要六個(gè)月才能做出一個(gè)可輸出的產(chǎn)品。但對(duì)于大多數(shù) IP 而言，輸出時(shí)間要重要得多。我們使用了數(shù)字設(shè)計(jì)規(guī)則，所以輸出時(shí)間要短一點(diǎn)。但我們確實(shí)看到客戶在其它 IP 上出現(xiàn)問(wèn)題。舉個(gè)例子，假設(shè)你正在開(kāi)發(fā)一種鎖相環(huán)(phase-lock loop)，成本非常高，你需要一或兩個(gè)客戶才能收回成本。做這件事的唯一方法是堅(jiān)持使用 16/14nm 和 7nm 這樣的主節(jié)點(diǎn)，(而盡量跳過(guò)) 10nm、12nm 和 22nm 這些中間節(jié)點(diǎn)。”

還要將其與先進(jìn)封裝選擇結(jié)合起來(lái)考慮，因?yàn)椴⒎撬?IP 都適合 fan-out 或 2.5D 設(shè)計(jì)，所以選擇合適的可用 IP 是很困難的。

基礎(chǔ)設(shè)施

IP 不是唯一的起點(diǎn)。在一些市場(chǎng)中，芯片制造商已經(jīng)開(kāi)始根據(jù)電子管道進(jìn)行設(shè)計(jì)，并據(jù)此開(kāi)發(fā)架構(gòu)了。

“除非他們明確想做一款通用處理器，否則大多數(shù)事情都是從引腳開(kāi)始的。”ArterisIP CTO Ty Garibay 說(shuō)，“所以他們可能需要‘這么多’帶寬或第 4 代 PCIe 或 DDR3、4 或 5。然后你在上面還需要多少不同的信道以及你從哪里得到這些 PHY?這還可以往內(nèi)部繼續(xù)深入。你有‘這么多’數(shù)據(jù)。你在哪里處理這些數(shù)據(jù)?你是否需要 GPU 或?qū)Ｓ眉铀倨?單一一個(gè)市場(chǎng)可能會(huì)有某種特定類(lèi)型的數(shù)據(jù)。然后你可能會(huì)有空閑的處理能力，或者你會(huì)用掉一些額外的 CPU 周期來(lái)處理你不知道的事情。”

其它公司也觀察到了這種情況。 NetSpeed Systems 營(yíng)銷(xiāo)和業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁 Anush Mohandass 說(shuō)他在六個(gè)月前第一次看到這種轉(zhuǎn)變的征兆，那時(shí)候一家大型客戶是從互連方面開(kāi)始設(shè)計(jì)的，之后才開(kāi)始考慮工藝。

Mohandass 說(shuō)：“你后退一步思考一下，這是有道理的。你需要知道帶寬和延遲需求，這樣你就可以規(guī)劃不同元素之間的路徑。但當(dāng)時(shí)我還是很驚訝，因?yàn)槲覀冎皼](méi)見(jiàn)過(guò)這種。第一次出現(xiàn)這種事時(shí)，我們還以為這是一個(gè)例外。但自那以后，這差不多已經(jīng)變成了一種模式，尤其是在汽車(chē)和超大容量存儲(chǔ)領(lǐng)域。實(shí)際上，我們正見(jiàn)證著設(shè)計(jì)方式從以 CPU 為中心轉(zhuǎn)向以內(nèi)存為中心。為此你要給出藍(lán)圖，闡述你移動(dòng)數(shù)據(jù)的方式以及系統(tǒng)響應(yīng)所需的時(shí)間。找到這些答案是很關(guān)鍵的，因?yàn)樗鼪Q定了傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)所需的時(shí)間。”

安全性至關(guān)重要的市場(chǎng)

汽車(chē)、航空、工業(yè)和醫(yī)療行業(yè)還有額外的問(wèn)題。這些行業(yè)不僅需要可用的 IP，還需要這些 IP 得到市場(chǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的檢驗(yàn)。

在航空電子方面，大公司的解決方案是開(kāi)發(fā)它們自己的 IP，而不是等待商業(yè)上現(xiàn)成的(COTS) IP 在特定的節(jié)點(diǎn)或工藝上得到驗(yàn)證。Aldec 營(yíng)銷(xiāo)總監(jiān) Louie de Luna 說(shuō)“有一些不同的方法。一是逆向工程 IP、進(jìn)行更多測(cè)試并提供更多文檔，以便其滿足標(biāo)準(zhǔn)。大型航空電子公司就正在這樣做。它們不會(huì)購(gòu)買(mǎi)商業(yè) IP。它們做自己的 IP。但我們現(xiàn)在也看到有一個(gè)趨勢(shì)：IP 供應(yīng)商開(kāi)始提供滿足 DO-254 標(biāo)準(zhǔn)的 IP。”

商用航空電子 IP 分成三大類(lèi)：軟核(soft IP)，即可綜合的(synthesizable)的 HDL 源代碼;固核(firm IP)，基本上就是需要安置和路由的網(wǎng)表;硬核(hard IP)，比如帶有嵌入式 ARM 核的 FPGA。所有這些都需要大量文檔。但航空電子的產(chǎn)品周期平均為 2 到 5 年，開(kāi)發(fā) IP 的附加成本并不顯著。汽車(chē)電子則完全不一樣。

“我們看到新細(xì)分市場(chǎng)中這種轉(zhuǎn)變?cè)絹?lái)越多，比如汽車(chē)、超大容量存儲(chǔ)和 5G。”NetSpeed 的 Mohandass 說(shuō)，“這些都是沒(méi)有太多傳統(tǒng)的新興細(xì)分市場(chǎng)，而且人們認(rèn)為誰(shuí)先進(jìn)入這些市場(chǎng)，誰(shuí)就將贏得這些市場(chǎng)。”

未知因素

對(duì)芯片制造商而言，緊跟所有這些市場(chǎng)絕非易事。一些細(xì)分市場(chǎng)很新，汽車(chē)行業(yè)等已有市場(chǎng)又在快速變化，所以顛覆時(shí)有發(fā)生。協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)幾乎在一直不斷地演進(jìn)，這意味著今天開(kāi)始的芯片設(shè)計(jì)可能在到達(dá)市場(chǎng)的時(shí)候就已經(jīng)過(guò)期了。

這一直都是前沿設(shè)計(jì)的壞處之一，但問(wèn)題還在擴(kuò)散。其中之一是很多新市場(chǎng)并不需要先進(jìn)節(jié)點(diǎn)的技術(shù)。此外，很多這些設(shè)備都在更大的系統(tǒng)互相連接在一起，所以協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)的變化并不限于 finFET 層面的工藝。它們甚至?xí)绊懯褂酶f節(jié)點(diǎn)創(chuàng)造的模擬器件。

有一些解決這個(gè)問(wèn)題的方法。一是為芯片增加余量，以應(yīng)對(duì)任何變化。二是為設(shè)計(jì)加入可定制的編程性，嵌入式 FPGA 市場(chǎng)已經(jīng)采取了這種方法。

“如果你專注于 5G，那么其數(shù)字前端可能會(huì)隨時(shí)間發(fā)生很大變化。”Achronix 營(yíng)銷(xiāo)副總裁 Steve Mensor 說(shuō)，“你知道有什么功能，但你不知道這些過(guò)濾器，因?yàn)樗鼈內(nèi)赃€在開(kāi)發(fā)中。唯一能有效應(yīng)對(duì)這種情況的方法是使用 FPGA。在機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域也是一樣。你知道其中會(huì)有大量矩陣乘法運(yùn)算，但你不知道神經(jīng)元權(quán)重的規(guī)格。在此之上，算法也在變化，而且你不知道算法會(huì)變成什么樣。但如果你有一個(gè)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并且要做一個(gè) 17×17 的乘法器，那可能就有點(diǎn)過(guò)頭了。也許你只需要一個(gè) 8×8 的。這能讓你顯著減小尺寸和降低功率。”

另一個(gè)問(wèn)題是如何找到最佳的方法。因?yàn)榻鉀Q一個(gè)問(wèn)題的可能方法非常多，也有解決老問(wèn)題的新方法出現(xiàn)。ArterisIP 的 Garibay 說(shuō)：“在自動(dòng)駕駛和人工智能等市場(chǎng)，我們看到出現(xiàn)了很多新玩家，已有玩家也在提供新方法。新的次級(jí)市場(chǎng)正在發(fā)展。IP 組合也在快速變化，而且現(xiàn)在也在向通用市場(chǎng)提供。問(wèn)題是它們?nèi)绾文芘c工具鏈相適應(yīng)。”

這是非常明顯的，即使對(duì)于過(guò)去一直被認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)部件的微控制器也是一樣。之前的帶有片上內(nèi)存的 8 位執(zhí)行器(actuator)已經(jīng)讓位給連接到外部?jī)?nèi)存的 16 位和 32 位器件。這種外部?jī)?nèi)存即是之前的 MCU 和 CPU 之間微分器(differentiator)。

Neifert 說(shuō)：“如果你和 FPGA 公司談?wù)勊麄兪褂每删幊?SoC 的方式，那就可能是嵌入式 CPU 或者可能用在定制 MCU 中。這能提供很強(qiáng)的處理能力和額外的編程選擇。開(kāi)發(fā) MCU 器件的人越來(lái)越將其看作是帶有自己的生態(tài)系統(tǒng)的 CPU。這種發(fā)展的一大推動(dòng)力是希望能讓終端客戶在上面安裝更多軟件。在此之上，還有安全性問(wèn)題。你希望客戶能不受安全威脅地運(yùn)行他們自己的軟件。那也需要新工具，因?yàn)椴皇褂眯鹿ぞ叨黾舆@些功能是毫無(wú)價(jià)值的。你需要軟件建模功能、編譯器和調(diào)試器。”

總結(jié)

現(xiàn)在整個(gè)半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)都在發(fā)生改變，這些改變表明芯片制造商進(jìn)入市場(chǎng)的方式和對(duì)他們而言重要的因素都在發(fā)生根本性轉(zhuǎn)變。其中有以下幾大力量：

行業(yè)漸漸認(rèn)識(shí)到，贏得一個(gè)市場(chǎng)的最好方法并不一定要使用最快或最有功率效率的通用處理器。這促使行業(yè)轉(zhuǎn)向更加異構(gòu)的處理、先進(jìn)封裝以及關(guān)注采用什么方式在什么地方處理不斷增多的數(shù)據(jù)。

IP 供應(yīng)商在選擇工藝節(jié)點(diǎn)上越來(lái)越謹(jǐn)慎，它們希望確保有足夠多的利潤(rùn)，從而收回他們投入的資源，因?yàn)楝F(xiàn)在每一種產(chǎn)品都很不一樣，不能簡(jiǎn)單地就從一種代工廠工藝轉(zhuǎn)換成另一種。

在終端市場(chǎng)也有很多不確定性，架構(gòu)師正在重新思考如果設(shè)計(jì)需要為協(xié)議或標(biāo)準(zhǔn)變化或市場(chǎng)需求而進(jìn)行調(diào)整，怎樣才能給設(shè)計(jì)帶來(lái)的影響最小。

總而言之，這些都代表了公司的設(shè)計(jì)方法的重大轉(zhuǎn)變，并且它們最終會(huì)對(duì)工具、IP 選擇和設(shè)計(jì)的架構(gòu)本身產(chǎn)生重大的影響。