关于芯片设计创新的相关研究介绍

Paul Teich 是 Tirias Research 的首席分析师，他在最近的 DAC 会议上做了一个充满挑衅意味的演讲“集成让设计创新的空间更小了吗？（Is Integration Leaving Less Room for Design Innovation?）”答案并非表面看上去那么简单。

“集成过去是增加硅的能力的驱动力，”Teich 说，“渐渐地，它将被用于将一个完整系统的更多功能都整合到一个硬件系统之上。”

在 DAC 展馆的 Paul Teich，照片来自 Jesse Allen

Teich 谈到 IP 正变得越来越复杂。他解释了用来生产最优的内存、无线电或逻辑的工艺正变得非常不同，使得我们正从系统级芯片（SoC）转向系统级封装（SiP）。“对于 SoC，你要将所有东西都集成到同一个 die 上，所以获取 IP 是非常重要的。对于 SiP，重点却是合作关系和封装技术。我们现在所看到的情况是封装方面有大量创新，很多人在尝试合作，以便他们能获取其他人的当前最佳的已知的优良 die。每次都尝试将所有东西都整合到一个 die 上，你会让人觉得做系统设计在设计工程资源方面是一个失败的主张。”

在讨论了一些知名的 SiP 产品之后，他又谈到了在硬件之上构建的更高层面的系统和服务。“我们看看创新的发展方向，我认为它不会再往系统级芯片设计上的集成有太多发展，因为它的方向是封装单个芯片、排放热量并且确保你能够从中收到清晰的无线电信号。每个做物联网（IoT）设计的人都必须记住，IoT 中的 I 意味着产品不是独自工作的。当你在决定需要将什么东西放进你的产品中时，你要决定一些本地的东西，也要考虑背后提供更深度的背景的云。你需要竞争的地方在于每个人都会把从你的 IoT 传感器收集到的数据传输到云上进行数据的收集、分析和得出某种模式层面的结论。”

所以，这个行业的其他人对此怎么看，他们认为创新的发展方向是什么？Semiconductor Engineering 与硬件和系统设计等领域的人谈了谈——并且发现在一些不同地方，创新仍然有声有色。

服务产品

媒体当然会重点关注新市场和新收入来源，尤其是那些和云相关的。服务已经变成了赚钱机器，而不再是产品。但从芯片层面看，其中每一个市场都需要定制或半定制的硬件和软件。而且尽管集成是其中的关键部分，但也基本不会是千篇一律的设计。

“今天，它从应用变成了可以影响社会的事物。”Lanza techVentures 的董事总经理 Lucio Lanza 说，“我们正处在这一变化之中。比如，新一代人并不喜欢花时间在商场周围散步。简直浪费时间。他们不需要在商场认识什么人，他们可以在 Facebook 上认识。”

Joe Costello 在一个 DAC 主旨演讲中谈到了 Enlighted 最初开发 IoT 边缘设备的方式。这家公司这么做的目的是为了了解市场，以便提振收入。今天，这家公司在销售基于自己所创造的平台的服务。“你必须放弃你公司前五年所创造的大部分东西。你必须将垂直线（vertical）转变成一系列水平线（horizontal），这样才能赢得世界，而这非常困难。这就是扩展的方式。”

Lanza 完全认同这一点：“我可以预见，一旦你有了数字化的数据集合并且有了网络，你就可以将事物水平化。现在你已经有了可以在其上构建很多事物的平台，接下来就是要试图找到这些水平面中的哪个垂直领域会向上发展并获得成功。”

水平线的概念一直在随时间改变。“在那之上有很多层软件以及服务。”OneSpin Solutions 的 Dave Kelf 说，“更底层的软件变得越来越像硬件。因为这变成了一个更大的问题，所以更底层的模块开始商业化，服务于更高层的模块。而在最高层上，还有很多东西可以创新。”

开发一款垂直线进行测试、推广成水平线、再让新的垂直线从中涌现，这样的周期循环是技术创新的核心。集成和技术进步让我们可以构建更大的平台，所有这些都会带来越来越多的创新。技术创新的速度并没有放缓。

但其中可能存在价值脱节。Kelf 说：“如果你是一家硬件 IP 公司，并且开发出了一些精巧的 IoT 模块，那赚钱的唯一方法是让其他人使用这些模块来创造应用。在更高的层面上，创造出的任何服务都能生钱；所以在硬件本身上，你可能会有规模经济和缺乏实际价值的问题。”

Sonics 首席技术官 Drew Wingard 认同这一看法。“在过去硬件为王的时代，系统公司赚的钱仍然比硬件公司多得多。系统公司通过围绕硬件开发而增加价值，而那些做硬件的家伙从来没享受到那些做系统的所得到的那种利润。”

系统选择

很多人将系统看作是水平线平台，但即使这方面也还是存在许多选择，最终的决定会产生非常广泛的影响。“一位行业高管曾给我分享了一项最近的研究，说是集中式处理而不在边缘处理的系统具有最优的功率效率和性能。”Uniquify, Inc. 营销副总裁 Graham Bell 说，“边缘的本地处理需要自己的软件栈。通过消除边缘的软件栈并将所有输入发送到中央处理器，就可以实现更加高效的封闭系统。这种方法更为特定于应用，因此需要实现更加定制化的创新。”

这肯定不是现今市场中许多或一些高度成功的产品背后都有的观点。Lanza 说：“停下来思考一下，如果我们要将计算机应用到更多社会方面，计算机很可能就必须学习更多软性的维度，而不只是计算机速度。为了学习，CPU 必须更快吗？不是的。上次我看人类的时候，我们的大脑里也还没有超快的计算机。”

我们现在可能依赖于集中式计算，但那只是因为我们还在等待创造新的水平线，而它会将计算能力投放到更小型的设备中；而且这可能不会遵循我们过去遵循的路径。Kelf 补充说：“我们不能依赖同样的硬件设计然后进行扩展。我们知道出现了一些新方法，我们无法再继续保持一样的设计。我们需要思考用来解决难题的新硬件结构，而不只是依赖于性能。”

硬件与系统和服务越来越远了吗？“集成的水平越高，半导体从业者就离硬件系统的极限越近，而他们就必须越来多地考虑软件在硬件上做的工作。”Wingard 说，“这意味着芯片开发者将越来越像硬件系统设计者，但这并不会改变形势。硬件系统设计者并没有掌握全部力量，而是实际的系统公司决定使用硬件系统来做什么以及它们需要哪种软件、它们将运行什么应用或它们可以销售怎样的服务。这些服务和硬件之间的层级数量实际上正在减少。”

创新的新方向

尽管摩尔定律可能正在放缓，但这不可能会使芯片设计领域的进步和创新停滞。摩尔定律减速的威胁带来了其它领域的创新，比如封装领域。“有可能系统设计的下一次演进将会发生在基于基底的多芯片系统（substrate-based multi-chip system）领域，其中一些芯片是 10/7nm 而另一些则是 26/16nm。”Cadence 设计 IP 的营销总监 Tom Wong 说，“由于智能手机的外形尺寸、性能和低功耗需求，我们已经见证了 POP（封装体叠层技术）和低成本 2.5D interposer 的大规模应用。而在数据中心的和企业领域，我们看到了对非常高端的 2.5D interposer 技术的应用，另外 3D 封装也被用到了网络应用的高性能内存子系统上。”

还有很多可能，我们也许只看到了冰山一角。Bell 说：“系统级封装为纳入其它系统 IP 提供了另一个维度，其中比如说 MEMS、传感器、无源器件、RF 和内存。比起使用前沿工艺强迫将所有 IP 都放在芯片上，这个解决方案有更低的成本和更高的效率。每个 IP 都可以使用对其特定应用而言完美的硅工艺节点。这一类的异构集成促进了大量不同的可能应用的定制化和创新。”

芯片内的创新

芯片内部还有很多实现创新和差异化的空间。“SoC 架构、硬件/软件分区、设计方法和封装都是创新的康庄大道。”Mobiveil CEO Ravi Thummarukudy 说，“性能、功率和成本也能提供很好的差异化。”

事实上，一些人认为新一波创新浪潮才刚刚开始。“正如牧村浪潮（Makimoto’s Wave）预测的那样，半导体业务在标准产品（ASSP）和定制产品（ASCP）之间循环。”Cadence 的 Wong 说，“最近我们已经见证了应用处理器从来自 SoC 提供商的‘标准解决方案’变成了来自主要消费电子设备制造商的‘定制解决方案’。创新从专门的供应商转移到了 OEM，因为它们也建立了自己内部的设计团队。随着公司变得垂直，也正在发生一些重新聚合。这只是另一个循环周期的开始。”

“如果我们通过组合 IP 来开发芯片，这就能避开硬件创新吗？”Wingard 问道，“我认为这不过是换了一种决定方式——即不是使用晶体管，而是使用被称为标准单元（standard cell）的基本元素来构建数字组件。这并不会损害创新。这仅仅意味着你可以使用更高层的构建模块进行开发了。所以基于 IP 的设计方法允许芯片设计者更好地选择系统，以便更好地进行优化，因为他们不必在细节上耗费太多时间。”

当今的设计具有大量交互式元素。“设计者可以使用预验证过的子系统，这让他们可以专注于最终应用，而不是在搭建基本基础设施和功能上耗费大量时间。”SoC Solutions 总裁 Jim Bruister 说，“创新和差异化在于使最终应用有用的独特功能（定制 IP），比如一种特殊的传感器、特殊的无线电或甚至特殊的安全算法。”

IP 集成也有多个层面的问题。“选择一种 IP 的过程需要 ASIC 集成商考虑所有与系统相关的硬件和软件分区的问题和挑战。”Open-Silicon 业务发展和 IP 解决方案高级总监 Elias Lozano 说，“一个 IP 不能被看作是单片 RTL 或 Hard IP 模块，而应被看作是解决片上/片外封装难题以及芯片内部难题的组件。这个 IP 会如何影响功率、多电压域和新优化的时钟方案？难点不在于这个 IP，而在于需要理解所有这些问题的领域专家（人力资本）；有了他们才能为他们的应用提出创造性的且有成本效益的解决方案。”

Wingard 说：“我从不相信提供集成技术能抹杀人的创新能力。我希望通过让组合更简单，我能增强他们的创新能力。”

另外还有成本因素。Thummarukudy 说：“开发一个标准 IP 模块的成本大约是从第三方拿授权的 3 到 5 倍。如果仅需 30% 的成本就能获得一个经过验证的成熟模块，还自己去设计开发，那就在经济上是不合理的。”

架构也很重要，不久前就有证明。“苹果第一款真正的设计震撼了这个市场，因为他们让 GPU 的区域达到了 CPU 区域的四倍。”Wingard 说，“这是一个变革性的举措。应用处理器一直以来都是 50 平方毫米大小，因为诺基亚曾经说他们只想在上面投入 X 美元，而且使用这么多钱也只能开发出这样的。苹果开发了一款大 2.5 倍的。他们做了不同的选择，而世界格局再也没回到从前。”

模块内的创新

在模块层面也有创新的空间。“IP 处于价值链的底层，所以我看到在 IP 层面上出现了越来越多的创新机会。”Savage 说，“此外，IP 公司正在为它们的客户提供定制 IP 服务，让它们可以增加一些差异化。通常这种定制都是由它们的客户（系统公司）推动的。”

即使最基本的模块也在改变。Lanza 声称：“一切都是关于内存。这是基本单位。将内存和它们的内容快速地连接起来。这就是我们大脑的工作方式，这需要出现在计算机中。内存技术比其它任何技术都发展得快。”

标准也在不断演变。“USB 标准在不断演进，为了优化成本，你现在只需要单一的标准和单一的连接器就能支持多种模式，比如 DisplayPort 和 HDMI，而且可以在芯片中高效地选择它们。” Synopsys 解决方案组营销副总裁 John Koeter 说，“这只是在标准上持续创新的一个案例。”

“所有的设计 IP 并不是平等的。”Bell 说，“比如说，考虑一下 DDR 接口 IP。尽管市场中已有很多玩家，但仅有一家拥有具备 16 项专利的创新架构。这能给系统提供更好的性能、更小的尺寸、更低的功耗和更大的可靠性。”

另外还有一些有趣的方式也许可以让低级的模块成为高水平的收入来源。Koeter 补充说：“我们有一款产品是信任/安全模块的硬件根基。它为启动你的设备和在网上授权提供了一个安全的硬件基础。这个安全的受信任的执行环境支持空中下载更新，所以可以安全地升级。这就带来了一个可为用户提供服务的安全区域，比如可用于密钥配置、或视频流媒体和移动银行等终端用户服务。我们通过合作关系看到了一条发展路径，让我们不仅能受益于每块芯片的销售，而且还能得益于这些芯片中发生的每一笔交易。”

工具、方法和流程

创新所必需的工具也在变化。“尽管仍然高度依赖于‘芯片’，我们这个行业正在快速远离 EDA 为王的‘以芯片为中心’时代，迈向以系统为中心设计的新时代。”ESD Alliance 的执行董事 Bob Smith 说，“预计将看到会有更多创业公司通过利用日益流行的 IP 作为构建模块来解决系统设计的自动化问题。”

当前的验证流程已经给 IP 集成带来了阻碍。“比如那些基于新兴的 Portable Stimulus 标准的验证工具让 IP 组装流程变得更加简单。”Breker Verification Systems 首席执行官 Adnan Hamid 说，“它既有助于 IP 组装问题，也能确保系统级的功能能以一种有效的方式得到验证。工程开发团队现在可以将更多时间花在芯片设计的创新方面。”

结论

技术有两个作用。现有的技术基础可以创造新市场，而且这些平台会随时间演进。硬件行业可能不知道实现了什么东西。PC、智能手机和最近被一些人称为 IoT 的连接传感器节点的通信基础设施就是这样。半导体行业创造了这些平台，即使新应用很稀少。

技术带来的第二个机会是：一旦一个市场得以确立并足够稳健，技术就能实现优化，让产品更小、更便宜、更低功耗。这需要市场的成功。

“它们两者之间存在一个良性循环。”Wingard 说，“有时候技术能真正使能。在你得到特定的技术组合并且进行了足够的优化以实现市场之前，是不会有什么经济模式和使用模式的。”

Wong 补充说：“在当今的复杂系统中，创新可以发生在系统中、软件中、架构中、硬件加速中或封装中。”