會(huì)玩兒！這些設(shè)計(jì)方法要把芯片“玩兒壞了”

Paul Teich 是 Tirias Research 的首席分析師，他在最近的 DAC 會(huì)議上做了一個(gè)充滿挑釁意味的演講“集成讓設(shè)計(jì)創(chuàng)新的空間更小了嗎?(Is Integration Leaving Less Room for Design Innovation?)”答案并非表面看上去那么簡(jiǎn)單。

“集成過去是增加硅的能力的驅(qū)動(dòng)力，”Teich 說，“漸漸地，它將被用于將一個(gè)完整系統(tǒng)的更多功能都整合到一個(gè)硬件系統(tǒng)之上。”

在 DAC 展館的 Paul Teich

Teich 談到 IP 正變得越來越復(fù)雜。他解釋了用來生產(chǎn)最優(yōu)的內(nèi)存、無線電或邏輯的工藝正變得非常不同，使得我們正從系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)。“對(duì)于 SoC，你要將所有東西都集成到同一個(gè) die 上，所以獲取 IP 是非常重要的。對(duì)于 SiP，重點(diǎn)卻是合作關(guān)系和封裝技術(shù)。我們現(xiàn)在所看到的情況是封裝方面有大量創(chuàng)新，很多人在嘗試合作，以便他們能獲取其他人的當(dāng)前最佳的已知的優(yōu)良 die。每次都嘗試將所有東西都整合到一個(gè) die 上，你會(huì)讓人覺得做系統(tǒng)設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)工程資源方面是一個(gè)失敗的主張。”

在討論了一些知名的 SiP 產(chǎn)品之后，他又談到了在硬件之上構(gòu)建的更高層面的系統(tǒng)和服務(wù)。“我們看看創(chuàng)新的發(fā)展方向，我認(rèn)為它不會(huì)再往系統(tǒng)級(jí)芯片設(shè)計(jì)上的集成有太多發(fā)展，因?yàn)樗姆较蚴欠庋b單個(gè)芯片、排放熱量并且確保你能夠從中收到清晰的無線電信號(hào)。每個(gè)做物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)計(jì)的人都必須記住，IoT 中的 I 意味著產(chǎn)品不是獨(dú)自工作的。當(dāng)你在決定需要將什么東西放進(jìn)你的產(chǎn)品中時(shí)，你要決定一些本地的東西，也要考慮背后提供更深度的背景的云。你需要競(jìng)爭(zhēng)的地方在于每個(gè)人都會(huì)把從你的 IoT 傳感器收集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆粕线M(jìn)行數(shù)據(jù)的收集、分析和得出某種模式層面的結(jié)論。”

所以，這個(gè)行業(yè)的其他人對(duì)此怎么看，他們認(rèn)為創(chuàng)新的發(fā)展方向是什么?Semiconductor Engineering 與硬件和系統(tǒng)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的人談了談——并且發(fā)現(xiàn)在一些不同地方，創(chuàng)新仍然有聲有色。

服務(wù)產(chǎn)品

媒體當(dāng)然會(huì)重點(diǎn)關(guān)注新市場(chǎng)和新收入來源，尤其是那些和云相關(guān)的。服務(wù)已經(jīng)變成了賺錢機(jī)器，而不再是產(chǎn)品。但從芯片層面看，其中每一個(gè)市場(chǎng)都需要定制或半定制的硬件和軟件。而且盡管集成是其中的關(guān)鍵部分，但也基本不會(huì)是千篇一律的設(shè)計(jì)。

“今天，它從應(yīng)用變成了可以影響社會(huì)的事物。”Lanza techVentures 的董事總經(jīng)理 Lucio Lanza 說，“我們正處在這一變化之中。比如，新一代人并不喜歡花時(shí)間在商場(chǎng)周圍散步。簡(jiǎn)直浪費(fèi)時(shí)間。他們不需要在商場(chǎng)認(rèn)識(shí)什么人，他們可以在 Facebook 上認(rèn)識(shí)。”

Joe Costello 在一個(gè) DAC 主旨演講中談到了 Enlighted 最初開發(fā) IoT 邊緣設(shè)備的方式。這家公司這么做的目的是為了了解市場(chǎng)，以便提振收入。今天，這家公司在銷售基于自己所創(chuàng)造的平臺(tái)的服務(wù)。“你必須放棄你公司前五年所創(chuàng)造的大部分東西。你必須將垂直線(vertical)轉(zhuǎn)變成一系列水平線(horizontal)，這樣才能贏得世界，而這非常困難。這就是擴(kuò)展的方式。”

Lanza 完全認(rèn)同這一點(diǎn)：“我可以預(yù)見，一旦你有了數(shù)字化的數(shù)據(jù)集合并且有了網(wǎng)絡(luò)，你就可以將事物水平化?，F(xiàn)在你已經(jīng)有了可以在其上構(gòu)建很多事物的平臺(tái)，接下來就是要試圖找到這些水平面中的哪個(gè)垂直領(lǐng)域會(huì)向上發(fā)展并獲得成功。”

水平線的概念一直在隨時(shí)間改變。“在那之上有很多層軟件以及服務(wù)。”OneSpin Solutions 的 Dave Kelf 說，“更底層的軟件變得越來越像硬件。因?yàn)檫@變成了一個(gè)更大的問題，所以更底層的模塊開始商業(yè)化，服務(wù)于更高層的模塊。而在最高層上，還有很多東西可以創(chuàng)新。”

開發(fā)一款垂直線進(jìn)行測(cè)試、推廣成水平線、再讓新的垂直線從中涌現(xiàn)，這樣的周期循環(huán)是技術(shù)創(chuàng)新的核心。集成和技術(shù)進(jìn)步讓我們可以構(gòu)建更大的平臺(tái)，所有這些都會(huì)帶來越來越多的創(chuàng)新。技術(shù)創(chuàng)新的速度并沒有放緩。

但其中可能存在價(jià)值脫節(jié)。Kelf 說：“如果你是一家硬件 IP 公司，并且開發(fā)出了一些精巧的 IoT 模塊，那賺錢的唯一方法是讓其他人使用這些模塊來創(chuàng)造應(yīng)用。在更高的層面上，創(chuàng)造出的任何服務(wù)都能生錢;所以在硬件本身上，你可能會(huì)有規(guī)模經(jīng)濟(jì)和缺乏實(shí)際價(jià)值的問題。”

Sonics 首席技術(shù)官 Drew Wingard 認(rèn)同這一看法。“在過去硬件為王的時(shí)代，系統(tǒng)公司賺的錢仍然比硬件公司多得多。系統(tǒng)公司通過圍繞硬件開發(fā)而增加價(jià)值，而那些做硬件的家伙從來沒享受到那些做系統(tǒng)的所得到的那種利潤(rùn)。”

系統(tǒng)選擇

很多人將系統(tǒng)看作是水平線平臺(tái)，但即使這方面也還是存在許多選擇，最終的決定會(huì)產(chǎn)生非常廣泛的影響。“一位行業(yè)高管曾給我分享了一項(xiàng)最近的研究，說是集中式處理而不在邊緣處理的系統(tǒng)具有最優(yōu)的功率效率和性能。”Uniquify, Inc. 營(yíng)銷副總裁 Graham Bell 說，“邊緣的本地處理需要自己的軟件棧。通過消除邊緣的軟件棧并將所有輸入發(fā)送到中央處理器，就可以實(shí)現(xiàn)更加高效的封閉系統(tǒng)。這種方法更為特定于應(yīng)用，因此需要實(shí)現(xiàn)更加定制化的創(chuàng)新。”

這肯定不是現(xiàn)今市場(chǎng)中許多或一些高度成功的產(chǎn)品背后都有的觀點(diǎn)。Lanza 說：“停下來思考一下，如果我們要將計(jì)算機(jī)應(yīng)用到更多社會(huì)方面，計(jì)算機(jī)很可能就必須學(xué)習(xí)更多軟性的維度，而不只是計(jì)算機(jī)速度。為了學(xué)習(xí)，CPU 必須更快嗎?不是的。上次我看人類的時(shí)候，我們的大腦里也還沒有超快的計(jì)算機(jī)。”

我們現(xiàn)在可能依賴于集中式計(jì)算，但那只是因?yàn)槲覀冞€在等待創(chuàng)造新的水平線，而它會(huì)將計(jì)算能力投放到更小型的設(shè)備中;而且這可能不會(huì)遵循我們過去遵循的路徑。Kelf 補(bǔ)充說：“我們不能依賴同樣的硬件設(shè)計(jì)然后進(jìn)行擴(kuò)展。我們知道出現(xiàn)了一些新方法，我們無法再繼續(xù)保持一樣的設(shè)計(jì)。我們需要思考用來解決難題的新硬件結(jié)構(gòu)，而不只是依賴于性能。”

硬件與系統(tǒng)和服務(wù)越來越遠(yuǎn)了嗎?“集成的水平越高，半導(dǎo)體從業(yè)者就離硬件系統(tǒng)的極限越近，而他們就必須越來多地考慮軟件在硬件上做的工作。”Wingard 說，“這意味著芯片開發(fā)者將越來越像硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)者，但這并不會(huì)改變形勢(shì)。硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)者并沒有掌握全部力量，而是實(shí)際的系統(tǒng)公司決定使用硬件系統(tǒng)來做什么以及它們需要哪種軟件、它們將運(yùn)行什么應(yīng)用或它們可以銷售怎樣的服務(wù)。這些服務(wù)和硬件之間的層級(jí)數(shù)量實(shí)際上正在減少。”

創(chuàng)新的新方向

盡管摩爾定律可能正在放緩，但這不可能會(huì)使芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域的進(jìn)步和創(chuàng)新停滯。摩爾定律減速的威脅帶來了其它領(lǐng)域的創(chuàng)新，比如封裝領(lǐng)域。“有可能系統(tǒng)設(shè)計(jì)的下一次演進(jìn)將會(huì)發(fā)生在基于基底的多芯片系統(tǒng)(substrate-based multi-chip system)領(lǐng)域，其中一些芯片是 10/7nm 而另一些則是 26/16nm。”Cadence 設(shè)計(jì) IP 的營(yíng)銷總監(jiān) Tom Wong 說，“由于智能手機(jī)的外形尺寸、性能和低功耗需求，我們已經(jīng)見證了 POP(封裝體疊層技術(shù))和低成本 2.5D interposer 的大規(guī)模應(yīng)用。而在數(shù)據(jù)中心的和企業(yè)領(lǐng)域，我們看到了對(duì)非常高端的 2.5D interposer 技術(shù)的應(yīng)用，另外 3D 封裝也被用到了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的高性能內(nèi)存子系統(tǒng)上。”

還有很多可能，我們也許只看到了冰山一角。Bell 說：“系統(tǒng)級(jí)封裝為納入其它系統(tǒng) IP 提供了另一個(gè)維度，其中比如說 MEMS、傳感器、無源器件、RF 和內(nèi)存。比起使用前沿工藝強(qiáng)迫將所有 IP 都放在芯片上，這個(gè)解決方案有更低的成本和更高的效率。每個(gè) IP 都可以使用對(duì)其特定應(yīng)用而言完美的硅工藝節(jié)點(diǎn)。這一類的異構(gòu)集成促進(jìn)了大量不同的可能應(yīng)用的定制化和創(chuàng)新。”

芯片內(nèi)的創(chuàng)新

芯片內(nèi)部還有很多實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新和差異化的空間。“SoC 架構(gòu)、硬件/軟件分區(qū)、設(shè)計(jì)方法和封裝都是創(chuàng)新的康莊大道。”Mobiveil CEO Ravi Thummarukudy 說，“性能、功率和成本也能提供很好的差異化。”

事實(shí)上，一些人認(rèn)為新一波創(chuàng)新浪潮才剛剛開始。“正如牧村浪潮(Makimoto’s Wave)預(yù)測(cè)的那樣，半導(dǎo)體業(yè)務(wù)在標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(ASSP)和定制產(chǎn)品(ASCP)之間循環(huán)。”Cadence 的 Wong 說，“最近我們已經(jīng)見證了應(yīng)用處理器從來自 SoC 提供商的‘標(biāo)準(zhǔn)解決方案’變成了來自主要消費(fèi)電子設(shè)備制造商的‘定制解決方案’。創(chuàng)新從專門的供應(yīng)商轉(zhuǎn)移到了 OEM，因?yàn)樗鼈円步⒘俗约簝?nèi)部的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)。隨著公司變得垂直，也正在發(fā)生一些重新聚合。這只是另一個(gè)循環(huán)周期的開始。”

“如果我們通過組合 IP 來開發(fā)芯片，這就能避開硬件創(chuàng)新嗎?”Wingard 問道，“我認(rèn)為這不過是換了一種決定方式——即不是使用晶體管，而是使用被稱為標(biāo)準(zhǔn)單元(standard cell)的基本元素來構(gòu)建數(shù)字組件。這并不會(huì)損害創(chuàng)新。這僅僅意味著你可以使用更高層的構(gòu)建模塊進(jìn)行開發(fā)了。所以基于 IP 的設(shè)計(jì)方法允許芯片設(shè)計(jì)者更好地選擇系統(tǒng)，以便更好地進(jìn)行優(yōu)化，因?yàn)樗麄儾槐卦诩?xì)節(jié)上耗費(fèi)太多時(shí)間。”

當(dāng)今的設(shè)計(jì)具有大量交互式元素。“設(shè)計(jì)者可以使用預(yù)驗(yàn)證過的子系統(tǒng)，這讓他們可以專注于最終應(yīng)用，而不是在搭建基本基礎(chǔ)設(shè)施和功能上耗費(fèi)大量時(shí)間。”SoC Solutions 總裁 Jim Bruister 說，“創(chuàng)新和差異化在于使最終應(yīng)用有用的獨(dú)特功能(定制 IP)，比如一種特殊的傳感器、特殊的無線電或甚至特殊的安全算法。”

IP 集成也有多個(gè)層面的問題。“選擇一種 IP 的過程需要 ASIC 集成商考慮所有與系統(tǒng)相關(guān)的硬件和軟件分區(qū)的問題和挑戰(zhàn)。”Open-Silicon 業(yè)務(wù)發(fā)展和 IP 解決方案高級(jí)總監(jiān) Elias Lozano 說，“一個(gè) IP 不能被看作是單片 RTL 或 Hard IP 模塊，而應(yīng)被看作是解決片上/片外封裝難題以及芯片內(nèi)部難題的組件。這個(gè) IP 會(huì)如何影響功率、多電壓域和新優(yōu)化的時(shí)鐘方案?難點(diǎn)不在于這個(gè) IP，而在于需要理解所有這些問題的領(lǐng)域?qū)＜?人力資本);有了他們才能為他們的應(yīng)用提出創(chuàng)造性的且有成本效益的解決方案。”

Wingard 說：“我從不相信提供集成技術(shù)能抹殺人的創(chuàng)新能力。我希望通過讓組合更簡(jiǎn)單，我能增強(qiáng)他們的創(chuàng)新能力。”

另外還有成本因素。Thummarukudy 說：“開發(fā)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn) IP 模塊的成本大約是從第三方拿授權(quán)的 3 到 5 倍。如果僅需 30% 的成本就能獲得一個(gè)經(jīng)過驗(yàn)證的成熟模塊，還自己去設(shè)計(jì)開發(fā)，那就在經(jīng)濟(jì)上是不合理的。”

架構(gòu)也很重要，不久前就有證明。“蘋果第一款真正的設(shè)計(jì)震撼了這個(gè)市場(chǎng)，因?yàn)樗麄冏?GPU 的區(qū)域達(dá)到了 CPU 區(qū)域的四倍。”Wingard 說，“這是一個(gè)變革性的舉措。應(yīng)用處理器一直以來都是 50 平方毫米大小，因?yàn)橹Z基亞曾經(jīng)說他們只想在上面投入 X 美元，而且使用這么多錢也只能開發(fā)出這樣的。蘋果開發(fā)了一款大 2.5 倍的。他們做了不同的選擇，而世界格局再也沒回到從前。”

模塊內(nèi)的創(chuàng)新

在模塊層面也有創(chuàng)新的空間。“IP 處于價(jià)值鏈的底層，所以我看到在 IP 層面上出現(xiàn)了越來越多的創(chuàng)新機(jī)會(huì)。”Savage 說，“此外，IP 公司正在為它們的客戶提供定制 IP 服務(wù)，讓它們可以增加一些差異化。通常這種定制都是由它們的客戶(系統(tǒng)公司)推動(dòng)的。”

即使最基本的模塊也在改變。Lanza 聲稱：“一切都是關(guān)于內(nèi)存。這是基本單位。將內(nèi)存和它們的內(nèi)容快速地連接起來。這就是我們大腦的工作方式，這需要出現(xiàn)在計(jì)算機(jī)中。內(nèi)存技術(shù)比其它任何技術(shù)都發(fā)展得快。”

標(biāo)準(zhǔn)也在不斷演變。“USB 標(biāo)準(zhǔn)在不斷演進(jìn)，為了優(yōu)化成本，你現(xiàn)在只需要單一的標(biāo)準(zhǔn)和單一的連接器就能支持多種模式，比如 DisplayPort 和 HDMI，而且可以在芯片中高效地選擇它們。” Synopsys 解決方案組營(yíng)銷副總裁 John Koeter 說，“這只是在標(biāo)準(zhǔn)上持續(xù)創(chuàng)新的一個(gè)案例。”

“所有的設(shè)計(jì) IP 并不是平等的。”Bell 說，“比如說，考慮一下 DDR 接口 IP。盡管市場(chǎng)中已有很多玩家，但僅有一家擁有具備 16 項(xiàng)專利的創(chuàng)新架構(gòu)。這能給系統(tǒng)提供更好的性能、更小的尺寸、更低的功耗和更大的可靠性。”

另外還有一些有趣的方式也許可以讓低級(jí)的模塊成為高水平的收入來源。Koeter 補(bǔ)充說：“我們有一款產(chǎn)品是信任/安全模塊的硬件根基。它為啟動(dòng)你的設(shè)備和在網(wǎng)上授權(quán)提供了一個(gè)安全的硬件基礎(chǔ)。這個(gè)安全的受信任的執(zhí)行環(huán)境支持空中下載更新，所以可以安全地升級(jí)。這就帶來了一個(gè)可為用戶提供服務(wù)的安全區(qū)域，比如可用于密鑰配置、或視頻流媒體和移動(dòng)銀行等終端用戶服務(wù)。我們通過合作關(guān)系看到了一條發(fā)展路徑，讓我們不僅能受益于每塊芯片的銷售，而且還能得益于這些芯片中發(fā)生的每一筆交易。”

工具、方法和流程

創(chuàng)新所必需的工具也在變化。“盡管仍然高度依賴于‘芯片’，我們這個(gè)行業(yè)正在快速遠(yuǎn)離 EDA 為王的‘以芯片為中心’時(shí)代，邁向以系統(tǒng)為中心設(shè)計(jì)的新時(shí)代。”ESD Alliance 的執(zhí)行董事 Bob Smith 說，“預(yù)計(jì)將看到會(huì)有更多創(chuàng)業(yè)公司通過利用日益流行的 IP 作為構(gòu)建模塊來解決系統(tǒng)設(shè)計(jì)的自動(dòng)化問題。”

當(dāng)前的驗(yàn)證流程已經(jīng)給 IP 集成帶來了阻礙。“比如那些基于新興的 Portable Stimulus 標(biāo)準(zhǔn)的驗(yàn)證工具讓 IP 組裝流程變得更加簡(jiǎn)單。”Breker Verification Systems 首席執(zhí)行官 Adnan Hamid 說，“它既有助于 IP 組裝問題，也能確保系統(tǒng)級(jí)的功能能以一種有效的方式得到驗(yàn)證。工程開發(fā)團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在可以將更多時(shí)間花在芯片設(shè)計(jì)的創(chuàng)新方面。”

結(jié)論

技術(shù)有兩個(gè)作用?，F(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)可以創(chuàng)造新市場(chǎng)，而且這些平臺(tái)會(huì)隨時(shí)間演進(jìn)。硬件行業(yè)可能不知道實(shí)現(xiàn)了什么東西。PC、智能手機(jī)和最近被一些人稱為 IoT 的連接傳感器節(jié)點(diǎn)的通信基礎(chǔ)設(shè)施就是這樣。半導(dǎo)體行業(yè)創(chuàng)造了這些平臺(tái)，即使新應(yīng)用很稀少。

技術(shù)帶來的第二個(gè)機(jī)會(huì)是：一旦一個(gè)市場(chǎng)得以確立并足夠穩(wěn)健，技術(shù)就能實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，讓產(chǎn)品更小、更便宜、更低功耗。這需要市場(chǎng)的成功。

“它們兩者之間存在一個(gè)良性循環(huán)。”Wingard 說，“有時(shí)候技術(shù)能真正使能。在你得到特定的技術(shù)組合并且進(jìn)行了足夠的優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)之前，是不會(huì)有什么經(jīng)濟(jì)模式和使用模式的。”

Wong 補(bǔ)充說：“在當(dāng)今的復(fù)雜系統(tǒng)中，創(chuàng)新可以發(fā)生在系統(tǒng)中、軟件中、架構(gòu)中、硬件加速中或封裝中。”

限制我們的，只有我們的想象力。