半導(dǎo)體設(shè)計的起點正在改變。過去的做法相當(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?，F(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開始強調(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，以至于開發(fā)定制解決方案沒有利潤可言。比如，汽車中的駕駛輔助技術(shù)在一兩年之前才變成汽車行業(yè)的優(yōu)先發(fā)展方向——那時候特斯拉憑借一款可以自動駕駛的汽車震驚了汽車行業(yè)。而且過去幾年中云計算也實現(xiàn)了顯著的增長（見圖 1），改變了整個數(shù)據(jù)流程，讓傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心相形見絀。

圖1：基于云的存儲和處理的增長預(yù)期。來自 SEMI/Cisco VNI Global IP Traffic Forecast

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

圖 2：增強現(xiàn)實市場增長，來自：Grand View Research

西門子旗下 Mentor 的總裁兼 CEO Wally Rhines 說：“我們可以看到，針對細分市場的設(shè)計多了很多。在標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品和定制產(chǎn)品中針對細分市場進行開發(fā)會改變市場格局，因為它們更能適應(yīng)特定的行業(yè)。。這么做的好處是能在特定細分市場中占據(jù)更高的市場份額，也能給半導(dǎo)體公司帶來更高的利潤。產(chǎn)品基礎(chǔ)越多樣化，你就越不可能實現(xiàn)35% 到 40% 的營業(yè)利潤。

其中一些細分市場（尤其是涉及安全的細分市場）有自己的認證要求。其它細分市場則是全新的而且還在發(fā)展過程中，所以使用占主導(dǎo)地位的現(xiàn)成部件構(gòu)建的設(shè)計可能不會取得成功。第一批智能手表就證明了這一點，它們曾在幾年前如洪水般涌入了消費電子市場。但是，因為這些設(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)致很多消費者覺得它們用起來太麻煩了，根本算不上是有用的工具。

“不同的市場有不同的起點?！?a target="_blank">ARM 市場開發(fā)高級總監(jiān) Bill Neifert 說，“隨著汽車電子越來越重要，開發(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。這些公司的需求不同于汽車行業(yè)外的公司，其中對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仍然能使用標(biāo)準(zhǔn)的程序設(shè)計。在最前沿總是會有創(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，所以它們需要更快的速度或更低的功耗。IoT 對此有很大的推動作用。但如果你試圖使用通用處理器，那會讓你的成本超出可接受的范圍。”

另一種方法是開發(fā)更定制化的解決方案，但那也有自己的局限性。很多新市場的經(jīng)濟模式并不支持定制化設(shè)計。尤其是有的市場中，消費者選擇購買的首要考慮因素是設(shè)備的價格；還有的市場需要快速推出產(chǎn)品，這需要更多的工程資源和不同的設(shè)計方法。

Cadence 的 IP Group 的產(chǎn)品營銷組總監(jiān) Marc Greenberg 說：“設(shè)計師聚集到了兩方面。一方面，可用晶體管數(shù)量在增長，使用先進工藝完成新設(shè)計步驟的需求也在增長。另一方面，市場窗口還是一樣。最終結(jié)果是人們試圖在設(shè)計周期中越來越早地實現(xiàn)基于標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)存和接口 IP。不久之前，沒有多少芯片開發(fā)經(jīng)驗的新公司還通常不會嘗試在先進節(jié)點上開發(fā)芯片或使用最新的片外接口標(biāo)準(zhǔn)。今天，年輕公司同時嘗試先進節(jié)點設(shè)計和新標(biāo)準(zhǔn)的情況已經(jīng)很普遍了?！?/p>

工藝節(jié)點問題

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

“IP 的選擇正變得越來越復(fù)雜，因為對于很多設(shè)計或重新設(shè)計而言，IP 還沒有得到檢驗或還沒在設(shè)計中使用過?！盋lioSoft 營銷副總裁 Ranjit Adhikary 說，“對于很多這樣的公司而言，真正的關(guān)鍵因素是上市時間。這關(guān)乎它們將使用哪個節(jié)點。但如果內(nèi)部自己開發(fā) IP 而不是選擇第三方 IP，那么他們的 IP 選擇可能會受限。使用商業(yè) IP 會增加成本。有些公司可能會先使用商業(yè) IP 攻占市場，然后再通過自己開發(fā) IP 來降低成本。”

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

“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工藝節(jié)點?！盨ynopsys 產(chǎn)品營銷總監(jiān) Mary Ann White 說，“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，但沒有低功耗。在那之后，難度就更大了。”

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

“當(dāng)你研究一個設(shè)計時，你必須確定它的 IP 是不是可用的?！眅Silicon 的 IP 營銷總監(jiān) Lisa Minwell 說，“有什么限制因素？這可能取決于你的目標(biāo)市場。所以如果這是一種網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，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。你必須要有實實在在可用的 IP?！?/p>

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

還要將其與先進封裝選擇結(jié)合起來考慮，因為并非所有 IP 都適合 fan-out 或 2.5D 設(shè)計，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。在一些市場中，芯片制造商已經(jīng)開始根據(jù)電子管道進行設(shè)計，并據(jù)此開發(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)事情都是從引腳開始的?！盇rterisIP CTO Ty Garibay 說，“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?？單一一個市場可能會有某種特定類型的數(shù)據(jù)。然后你可能會有空閑的處理能力，或者你會用掉一些額外的 CPU 周期來處理你不知道的事情。”

其它公司也觀察到了這種情況。 NetSpeed Systems 營銷和業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁 Anush Mohandass 說他在六個月前第一次看到這種轉(zhuǎn)變的征兆，那時候一家大型客戶是從互連方面開始設(shè)計的，之后才開始考慮工藝。

Mohandass 說：“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)時我還是很驚訝，因為我們之前沒見過這種。第一次出現(xiàn)這種事時，我們還以為這是一個例外。但自那以后，這差不多已經(jīng)變成了一種模式，尤其是在汽車和超大容量存儲領(lǐng)域。實際上，我們正見證著設(shè)計方式從以 CPU 為中心轉(zhuǎn)向以內(nèi)存為中心。為此你要給出藍圖，闡述你移動數(shù)據(jù)的方式以及系統(tǒng)響應(yīng)所需的時間。找到這些答案是很關(guān)鍵的，因為它決定了傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)所需的時間?！?/p>

安全性至關(guān)重要的市場

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

在航空電子方面，大公司的解決方案是開發(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)點或工藝上得到驗證。Aldec 營銷總監(jiān) Louie de Luna 說“有一些不同的方法。一是逆向工程 IP、進行更多測試并提供更多文檔，以便其滿足標(biāo)準(zhǔn)。大型航空電子公司就正在這樣做。它們不會購買商業(yè) IP。它們做自己的 IP。但我們現(xiàn)在也看到有一個趨勢：IP 供應(yīng)商開始提供滿足 DO-254 標(biāo)準(zhǔn)的 IP?！?/p>

商用航空電子 IP 分成三大類：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，開發(fā) IP 的附加成本并不顯著。汽車電子則完全不一樣。

“我們看到新細分市場中這種轉(zhuǎn)變越來越多，比如汽車、超大容量存儲和 5G。”NetSpeed 的 Mohandass 說，“這些都是沒有太多傳統(tǒng)的新興細分市場，而且人們認為誰先進入這些市場，誰就將贏得這些市場?！?/p>

未知因素

對芯片制造商而言，緊跟所有這些市場絕非易事。一些細分市場很新，汽車行業(yè)等已有市場又在快速變化，所以顛覆時有發(fā)生。協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)幾乎在一直不斷地演進，這意味著今天開始的芯片設(shè)計可能在到達市場的時候就已經(jīng)過期了。

這一直都是前沿設(shè)計的壞處之一，但問題還在擴散。其中之一是很多新市場并不需要先進節(jié)點的技術(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)點創(chuàng)造的模擬器件。

有一些解決這個問題的方法。一是為芯片增加余量，以應(yīng)對任何變化。二是為設(shè)計加入可定制的編程性，嵌入式 FPGA 市場已經(jīng)采取了這種方法。

“如果你專注于 5G，那么其數(shù)字前端可能會隨時間發(fā)生很大變化?！?a target="_blank">Achronix 營銷副總裁 Steve Mensor 說，“你知道有什么功能，但你不知道這些過濾器，因為它們?nèi)赃€在開發(fā)中。唯一能有效應(yīng)對這種情況的方法是使用 FPGA。在機器學(xué)習(xí)領(lǐng)域也是一樣。你知道其中會有大量矩陣乘法運算，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變成什么樣。但如果你有一個卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并且要做一個 17×17 的乘法器，那可能就有點過頭了。也許你只需要一個 8×8 的。這能讓你顯著減小尺寸和降低功率。”

另一個問題是如何找到最佳的方法。因為解決一個問題的可能方法非常多，也有解決老問題的新方法出現(xiàn)。ArterisIP 的 Garibay 說：“在自動駕駛和人工智能等市場，我們看到出現(xiàn)了很多新玩家，已有玩家也在提供新方法。新的次級市場正在發(fā)展。IP 組合也在快速變化，而且現(xiàn)在也在向通用市場提供。問題是它們?nèi)绾文芘c工具鏈相適應(yīng)。”

這是非常明顯的，即使對于過去一直被認為是標(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)讓位給連接到外部內(nèi)存的 16 位和 32 位器件。這種外部內(nèi)存即是之前的 MCU 和 CPU 之間微分器（differentiator）。

Neifert 說：“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。這能提供很強的處理能力和額外的編程選擇。開發(fā) MCU 器件的人越來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，還有安全性問題。你希望客戶能不受安全威脅地運行他們自己的軟件。那也需要新工具，因為不使用新工具而增加這些功能是毫無價值的。你需要軟件建模功能、編譯器和調(diào)試器?！?/p>

總結(jié)

現(xiàn)在整個半導(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入市場的方式和對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)漸漸認識到，贏得一個市場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)點上越來越謹慎，它們希望確保有足夠多的利潤，從而收回他們投入的資源，因為現(xiàn)在每一種產(chǎn)品都很不一樣，不能簡單地就從一種代工廠工藝轉(zhuǎn)換成另一種。

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

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