新思科技：新摩爾定律（SysMoore）仍能支撐性能指數(shù)型增長(zhǎng)

自從戈登·摩爾于1965年提出摩爾定律以來(lái)，主流芯片集成度(性能)與成本變化曲線基本遵循了摩爾定律的指引，即每?jī)赡昙啥忍岣咭槐叮瑯蛹啥犬a(chǎn)品價(jià)格下降一半。

傳統(tǒng)上，主要依靠晶圓制造工藝升級(jí)換代以縮小晶體管尺寸就能指數(shù)型提高集成度、提升芯片性能、降低芯片的功耗與成本。歷經(jīng)數(shù)十年發(fā)展，晶體管工藝尺寸已接近10埃米級(jí)，超大芯片單顆也可集成超百億個(gè)晶體管。在片上系統(tǒng)(SoC)開(kāi)發(fā)理念主導(dǎo)下，開(kāi)發(fā)人員將電子產(chǎn)品電路板上的功能不斷集成到芯片內(nèi)部，芯片越來(lái)越復(fù)雜，帶來(lái)的好處是終端產(chǎn)品功能更豐富，同時(shí)板級(jí)系統(tǒng)構(gòu)成更簡(jiǎn)單。簡(jiǎn)而言之，過(guò)去幾十年中，在摩爾定律指引下，電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主線就是提升芯片集成度和系統(tǒng)規(guī)模，讓人們用同樣的價(jià)格(甚至更低的價(jià)格)享用更多的功能，這就是摩爾定律的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。

但隨著晶圓制造工藝接近物理極限，單靠微縮晶體管工藝尺寸，已經(jīng)難以滿足芯片集成度和系統(tǒng)規(guī)模兩年翻一倍的目標(biāo)，而由于先進(jìn)工藝芯片產(chǎn)線投資及開(kāi)發(fā)成本上升劇烈，晶體管工藝尺寸微縮帶來(lái)的電子產(chǎn)品成本下降的紅利也開(kāi)始削弱。數(shù)十年來(lái)，電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)就是摩爾定律，摩爾定律放緩無(wú)疑將影響到電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度，甚至?xí)w改變電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式，為了延續(xù)摩爾定律，產(chǎn)業(yè)界前赴后繼，想了很多方法，提出了諸如超越摩爾定律(More than Moore)或芯粒(Chiplet)等概念和方法，這些方法和概念，在一定程度上延續(xù)著摩爾定律的生命。當(dāng)然，只有More than Moore和Chiplet還不夠。

在2021新思科技全球用戶大會(huì)(SNUG World 2021)上，新思科技聯(lián)席CEO、創(chuàng)始人Aart de Geus提出“系統(tǒng)摩爾定律(SysMoore)”概念。系統(tǒng)摩爾定律將提升集成度和復(fù)雜度的理念拓展到電子系統(tǒng)的每個(gè)環(huán)節(jié)，從硅晶圓、晶體管、芯片、系統(tǒng)硬件到軟件和服務(wù)，每一個(gè)環(huán)節(jié)都可以為構(gòu)建更復(fù)雜、性能更高、能耗更低而成本更優(yōu)的產(chǎn)品做出貢獻(xiàn)，開(kāi)發(fā)者不再只依賴工藝和架構(gòu)等少數(shù)幾個(gè)維度去實(shí)現(xiàn)性能和復(fù)雜度的指數(shù)型提升，將指標(biāo)分散到不同環(huán)節(jié)去承擔(dān)之后，電子系統(tǒng)性能和功能復(fù)雜度增長(zhǎng)曲線重回指數(shù)型增長(zhǎng)軌跡，新思科技為業(yè)界帶來(lái)千倍開(kāi)發(fā)效率和性能提升的承諾。

近日，在新思科技上海新辦公樓啟用儀式上，新思科技首席運(yùn)營(yíng)官Sassine Ghazi和全球資深副總裁兼中國(guó)董事長(zhǎng)葛群向中國(guó)媒體就SysMoore做出專業(yè)解讀。

半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展新趨勢(shì)

Sassine Ghazi表示，與2005年前后相比，現(xiàn)在半導(dǎo)體生態(tài)發(fā)生了很大變化。

一方面，由于最先進(jìn)工藝晶圓制造生產(chǎn)線的建設(shè)成本不斷抬升——一條最先進(jìn)邏輯工藝生產(chǎn)線，投入資金從幾億美元上升到如今超百億美元——使得眾多廠商退出了先進(jìn)工藝制造競(jìng)賽，在2005年時(shí)，擁有先進(jìn)工藝(130至90納米)晶圓制造產(chǎn)線的廠商有十多家，到2021年，還能持續(xù)進(jìn)行先進(jìn)工藝產(chǎn)線投入的廠商只剩下臺(tái)積電、三星和英特爾三家。

另一方面，先進(jìn)工藝制造成本上升推動(dòng)了無(wú)晶圓模式(即晶圓制造代工與芯片設(shè)計(jì)分開(kāi))持續(xù)繁榮，而芯片設(shè)計(jì)參與者主體也從芯片設(shè)計(jì)公司，延伸到了互聯(lián)網(wǎng)巨頭。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)的百度、阿里和騰訊，國(guó)外的微軟、谷歌和亞馬遜等都紛紛宣布自研芯片。

雖然成本越來(lái)越高，但最先進(jìn)工藝并不缺用戶。Sassine Ghazi指出，在汽車(自動(dòng)駕駛)、人工智能和超大數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域，技術(shù)人員對(duì)先進(jìn)工藝的追求不遺余力。這三個(gè)方向技術(shù)復(fù)雜度高、處理數(shù)據(jù)量大，而且市場(chǎng)空間廣闊，因此參與者眾。廠商若想在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出，就離不開(kāi)產(chǎn)品差異化，而芯片的功能與性能差異是產(chǎn)品差異化的基礎(chǔ)，如Sassine Ghazi所說(shuō)：“要想取得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，廠商需要從芯片級(jí)構(gòu)建專有應(yīng)用架構(gòu)(Domain Specific Architecture)，這就是越來(lái)越多人開(kāi)始向硅產(chǎn)業(yè)(半導(dǎo)體)進(jìn)行投資的原因。”

就這樣，定制化芯片(特別是系統(tǒng)級(jí)芯片SoC)決定了電子系統(tǒng)差異化程度，做產(chǎn)品的系統(tǒng)公司如果想在競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出，就很有必要修煉起芯片設(shè)計(jì)技能。于是，系統(tǒng)公司在半導(dǎo)體技術(shù)上的投入越來(lái)越大，大型系統(tǒng)公司在芯片技術(shù)上的積累越來(lái)越雄厚，成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)顯著趨勢(shì)。

芯片摩爾定律放緩，系統(tǒng)摩爾定律正當(dāng)時(shí)

Sassine Ghazi解釋，傳統(tǒng)摩爾定律就是不斷增加單芯片集成晶體管的數(shù)量，但集成度越高，芯片規(guī)模越大，需要考慮的參數(shù)越多，開(kāi)發(fā)成本就越高，最終導(dǎo)致摩爾定律接近失效。摩爾定律的放緩主要體現(xiàn)在三個(gè)方面遇到瓶頸，一個(gè)是芯片的設(shè)計(jì)收斂與性能指標(biāo)越來(lái)越難預(yù)測(cè)評(píng)估(Predictability)，一個(gè)是成本高昂難以承受(Affordability)，還有一個(gè)是開(kāi)發(fā)難度大幅增加(Ease of design)。

但換個(gè)角度看，芯片向工藝制程要的紅利可以分解為三個(gè)：降低功耗、增強(qiáng)性能和降低成本，即業(yè)內(nèi)術(shù)語(yǔ)PPA(Power、Performance、Area)。當(dāng)提升單芯片晶體管數(shù)量難以滿足電子產(chǎn)品升級(jí)換代對(duì)PPA的要求時(shí)，新摩爾定律(SysMoore，試譯為“系統(tǒng)摩爾定律”)從系統(tǒng)層面找出路，雖然硅晶圓、晶體管、芯片、系統(tǒng)硬件和軟件每一個(gè)環(huán)節(jié)本身在限定開(kāi)發(fā)時(shí)間內(nèi)的PPA提升幅度有限，但不同環(huán)節(jié)銜接處的PPA提升空間巨大，將不同環(huán)節(jié)的技術(shù)紅利與環(huán)節(jié)銜接處的技術(shù)紅利組合起來(lái)，可以打破當(dāng)前摩爾定律遇到的瓶頸?！皬膯渭兲嵘w管數(shù)量的層面延伸開(kāi)，站在系統(tǒng)的高度去優(yōu)化，我們就能走出泥潭?！盨assine Ghazi說(shuō)，SysMoore能讓電子產(chǎn)業(yè)重回指數(shù)型發(fā)展道路

打開(kāi)千倍技術(shù)紅利空間

新摩爾定律SysMoore并不是要推翻傳統(tǒng)摩爾定律，而是引入更多方法為摩爾定律續(xù)命。Sassine Ghazi表示，基于集成度去考核晶體管規(guī)模體量的摩爾定律是SysMoore的基礎(chǔ)，也是電子企業(yè)賺取利潤(rùn)的前提，仍是電子系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工作的重點(diǎn)和起點(diǎn)。但在SysMoore時(shí)代，系統(tǒng)能耗指標(biāo)變得更重要，開(kāi)發(fā)者要在提高能效比上做更多工作。

立體封裝、異質(zhì)集成的2.5/3D多裸片(Die)設(shè)計(jì)是當(dāng)前成熟的超越摩爾定律(More than Moore)實(shí)現(xiàn)方法，也是SysMoore的重要支撐，實(shí)現(xiàn)2.5/3D多裸片設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是IP化開(kāi)發(fā)，新思科技的IP為2.5/3D多裸片設(shè)計(jì)和Chiplet等新型封裝技術(shù)普及打通了道路。

隨著電子系統(tǒng)復(fù)雜度的提升，芯片的運(yùn)行狀況和可靠性對(duì)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)成本影響巨大，在超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心和汽車行業(yè)尤其明顯，這些行業(yè)一旦出現(xiàn)故障往往會(huì)造成極大的損失。因此，對(duì)芯片全生命周期進(jìn)行狀態(tài)管理和監(jiān)控成為關(guān)鍵行業(yè)應(yīng)用的一個(gè)趨勢(shì)，在SysMoore時(shí)代，這一點(diǎn)也將被加強(qiáng)。

Sassine Ghazi強(qiáng)調(diào)，在SysMoore時(shí)代，要提高硬實(shí)力，更要重視軟實(shí)力。一方面，開(kāi)發(fā)工作中軟件占比越來(lái)越高，必須重視云技術(shù)的杠桿作用，而人工智能將在軟硬件開(kāi)發(fā)的各個(gè)環(huán)節(jié)都發(fā)揮重要作用。此外，隨著軟件占比增加，開(kāi)發(fā)者必須重視軟件質(zhì)量，軟件的可信度與安全性都將是成熟產(chǎn)品的重要考核指標(biāo)。

打個(gè)比方，SysMoore類似現(xiàn)代物流業(yè)，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)組合高鐵、公路、空運(yùn)、海運(yùn)以及最后三公里快遞員的電動(dòng)貨運(yùn)小車等運(yùn)輸手段，充分利用不同運(yùn)輸方法的優(yōu)勢(shì)，縮小上下游銜接的冗余時(shí)間，極大程度上解放了運(yùn)輸潛能，和SysMoore一樣，高效物流具備杠桿作用，其對(duì)社會(huì)的貢獻(xiàn)并非局限于物流業(yè)本身，而是影響到社會(huì)經(jīng)濟(jì)的方方面面。

Sassine Ghazi說(shuō)：“新思科技對(duì)行業(yè)承諾，我們有志于用SysMoore完整解決方案幫助客戶把生產(chǎn)率提高一千倍?！?/p>

新思科技的SysMoore

系統(tǒng)摩爾定律SysMoore并不是新思專屬，但首倡SysMoore的新思科技已經(jīng)為行業(yè)接受SysMoore開(kāi)發(fā)理念做好了準(zhǔn)備。作為電子系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具鏈產(chǎn)品最豐富的公司，新思科技的解決方案貫穿從硅晶圓到軟件的全流程，除了前述傳統(tǒng)工具、3D IC和硅生命周期管理(SLM)等，Sassine Ghazi還重點(diǎn)介紹了融合設(shè)計(jì)平臺(tái)(Fusion EDA)、設(shè)計(jì)與空間優(yōu)化AI工具DSO和軟硬件原型驗(yàn)證等開(kāi)發(fā)工具和技術(shù)理念。

新思科技全球資深副總裁兼中國(guó)董事長(zhǎng)葛群則指出，SysMoore時(shí)代，新思科技瞄準(zhǔn)兩個(gè)發(fā)展方向，一個(gè)是解決半導(dǎo)體工藝建模和抽象難題，能夠讓從業(yè)者更好地控制、使用不同的半導(dǎo)體工藝;另一個(gè)是降低開(kāi)發(fā)門檻，讓更多人參與到半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)當(dāng)中來(lái)，滿足信息技術(shù)規(guī)模不斷擴(kuò)大的需求。

Sassine Ghazi表示，針對(duì)當(dāng)前行業(yè)痛點(diǎn)，新思科技能提供全方位一體化的解決方案，以幫助客戶破解系統(tǒng)復(fù)雜性指數(shù)型上升的難題。而在當(dāng)前社會(huì)數(shù)字化轉(zhuǎn)型過(guò)程中，提出SysMoore更有特殊意義。

葛群表示，中國(guó)具備全球最齊全的工業(yè)門類，通過(guò)數(shù)字化改造提高生產(chǎn)力和生產(chǎn)效率的需求很迫切，但將傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行數(shù)字化改造所面臨的挑戰(zhàn)，比數(shù)字化技術(shù)本身面臨的挑戰(zhàn)要大很多。葛群說(shuō)：“依靠SysMoore理念，把芯片技術(shù)和電子技術(shù)在具體行業(yè)中落地，幫助中國(guó)進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)型，就是新思接下來(lái)最主要做的工作?！?/p>