“一刀切”時代結束 芯片設計有“芯”思路

　　半導體制程工藝這一話題，可以說是久說不膩，世界領先的半導體廠商在這方面的爭奪也是前赴后繼，這種你爭我奪，你來創(chuàng)新我來顛覆的局面對于CPU, FPGA和ASIC芯片來說，就猶如“紅?！币话悖沁@些芯片歷久彌新，狂奔向前的主要驅動力。

　　然而世事無絕對，現在很多應用的發(fā)展程度和性能與工藝制程的關聯度越來越低，已經很難稱之為主要驅動力了。

　　應用對于芯片制程的需求化程度見證了硬件的發(fā)展歷程，背后折射出的是硬件從通用硬件采用定制化軟件，到以較少的硬件能耗加之專門化的差異化硬件實現的特有的功能和極致性能，這一曲折而又繁復的發(fā)展過程。

　　在過去的十年里，這十年幾乎等同于智能手機發(fā)展的十年，值得注意的一個發(fā)展趨勢是，很多的硬件功能都可以通過軟件的迭代加以實現，原本繁雜的硬件性能被更容易更新和修復的軟件所替代，而更加先進的功能則被添加進去。這種近乎“長江后浪推前浪”般的替代趨勢，在如今硬件的發(fā)展中也是顯而易見的。

　　但是用軟件的方式來實現硬件的功能，缺點也很明顯，與傳統的硬件實現功能來說，軟件會比較緩慢，也會消耗更多的能源，而且安全性也比較差。

　　但是由于并不是每一個新的工藝節(jié)點，在功率和性能方面都有非常顯著的提升，芯片制造商們就會在這個時候通過軟件的方式來實現某些性能和功能方面的提升。

　　這種實現方式在很多應用程序中是顯而易見的，尤其明顯的是在數據中心的應用。數據中心對于性能的需求非常巨大。“摩爾定律正在不斷放緩?！蔽④汚zure的基礎設施工程師 Kushagra Vaid表示，“不難發(fā)現CPU的發(fā)布速度正在逐漸放緩。在涉及CPU的時候難免會遇到設計瓶頸。這個時候由于原本的設計已經達到了頂峰，性能方面也受到了挑戰(zhàn)，每個晶體管的成本也在逐漸增加。這就使得人們不得不尋找新的方式來解決問題。而在云計算當中存在著大量的分散的負荷工作，這些工作很難在通用的CPU上高效運行?！?/p>

　　對于云計算這個行業(yè)來說，它不只是依賴硬件也不僅僅是依賴軟件，而是通過軟件定義硬件的方式來實現某些功能，這主要包含以下幾點：

　　首先，這一需求使得客戶比以往都更加接近移動芯片以及硬件設計，芯片制造商將會更多地參與到終端市場當中。這種參與程度比之前任何時候都要高。

　　其次，需要通過硬件軟件的共同設計來實現某一個需求，而不是通過其中的一個。這就使得硬件和軟件必須同時進行改變。

　　第三，云計算的需求更加強掉個性化的設計，而不是普世的硬件設計。

　　最后，云計算市場的需求導致的芯片公司和系統設計公司在策略方面發(fā)生了很大的變化。

　　“基于以上這些因素，很多公司將會在確定他們的軟件需求之后，才會去選擇所需要的處理器?！?ARM的市場發(fā)展高級總監(jiān)Bill Neifert表示?！暗俏覀兛吹降氖沁@些廠商真的思考他們需要的是什么，他們需要實現什么，然后基于這些需求，選擇最終的處理器?！?/p>

　　制約這些選擇的一個主要因素是性能。但是具有諷刺意味的是，對于ARM來說，它的主要特點是低功耗。所以在設計當中，我們會發(fā)現，對于特定應用的處理器來說往往是確定功率的低功耗處理器。Bill Neifert表示表示：“做出這些選擇的人往往不會選擇比較高端的處理器。他們可能比較先進的處理器，然后在處理器的基礎之上，通過修改軟件的方式來實現更好的應用硬件。所以我們現在看到的一個趨勢，就是很多廠商正在使用更小的處理器，然后通過優(yōu)化軟件的方式來實現同時處理多個任務的目的?！?/p>

　　需要明白的是，軟件的效率是非常重要的，因為對于任何一個處理器來說，沒有一個處理器能夠同時運載一百種以上的程序。很多情況下，同時處理三、四個程序就可以了。

　　這一觀點在整個半導體行業(yè)的發(fā)展中得到了很好的反映?！澳銜吹皆诓煌膽卯斨?，會采用不同性能和不同工作負載的芯片?！眓etspeed的系統市場營銷和業(yè)務發(fā)展副總裁Anush Mohandass表示。

　　未來也將會出現更多的芯片用于圖像處理、SQL和機器學習。對于不同的應用不同的工作負載來說，芯片廠商將會采用不同的芯片，或者是根據這些特殊的應用來設計或者定制一些芯片。

　　更多的市場，更多的選擇

以上這些市場變化的基礎是半導體市場正發(fā)生著巨大變化。因為根據我們以往的經驗可以看出，沒有任何一個新的平臺能夠只使用單一的處理器來設計和驅動數以億級的芯片銷售。在手機芯片市場也是如此，蘋果和三星已經占領了高端的智能手機市場。而在中低端市場則有更多的智能手機公司，諸如華為、oppo、vivo、小米等等，這些公司都采用了不同的手機芯片。

　　圖一、智能手機廠商的市場占有率 來源：Statista

　　這并不意味著半導體需求在不斷的萎縮，事實上也并非如此。近年來的數據顯示，半導體市場的發(fā)展特別強勁。

　　但是我們也應該能夠注意到。沒有任何一個新的平臺能夠滋生出像智能手機市場那么多的芯片設計量。那么對于設計量低于智能手機的新的市場來說，是否采用新的工藝節(jié)點，其影響就不是那么明顯了。

　　所以最近的一個趨勢是，IEEE正在試圖，不去設計一個簡單的半導體發(fā)展路線圖，而是分解成涵蓋了更多的發(fā)展領域的技術藍圖。目前來說，未來半導體的重點發(fā)展領域包括大數據分析、特征識別、自動駕駛、虛擬和增強顯示等等。

　　“現在更多的是用應用驅動我們創(chuàng)造出更多的產品和技術?！盜EEE的Tom Conte認為，“越來越多的市場開始設計更加詳細的發(fā)展路線圖?！彼赋隽艘粋€例子，比如說在日本，日本正在開發(fā)自己的應用驅動半導體路線圖，他們稱之為日本的系統和設備發(fā)展路線圖。

　　這種詳細的發(fā)展路線圖對于不同的應用來說非常重要，也將會極大地推動這些新的應用的發(fā)展。

　　“對于諸如移動和基礎設施應用來說，就必須強調性能?！盋adence的總裁兼首席執(zhí)行官Lip Bu Tan表示?！霸谶@些領域，工藝制程將會從現在的10納米發(fā)展到7納米甚至到以后的5納米。但是這些領域也會面臨一些挑戰(zhàn)，性能、功耗和價格也會隨著工藝的提高而提升，發(fā)展速度也會逐漸放緩，成本也一定會上升。所以在之前的一段時間，我們能夠發(fā)現很多公司都在懷疑是否需要從16納米過渡到7納米，因為他們沒有看到這一工藝帶來的巨大的性能和功率的提升，到底能否提升他們的業(yè)績?；蛘呤翘^一些節(jié)點。相反呢?促進這些芯片公司選擇更高的制造工藝的是新的產品和新的應用什么時候到來。這些新的產品和應用在發(fā)開發(fā)周期性能和功率上到底有哪些具體的需求?？梢哉f對于這些公司來說，實現相同目標，可以采用多種的方式。”

　　IP的限制

　　另一方面，我們也應當明白，如果需要開發(fā)下一個節(jié)點。IP的可用性也是需要處理的一個問題。

　　開發(fā)新的技術節(jié)點往往意味著需要開發(fā)新的IP。對于芯片廠商來說，在最先進的工藝節(jié)點上開發(fā)IP成本是非常昂貴的，而結果往往是不確定的，其風險是非常高的。有時候實現同一個目標，其過程可能是完全不同的，比如說為了實現某一個工藝，它所采用的IP也可能是不同的。

　　另一方面，在設計的過程中，最先進的節(jié)點的設計過程往往是非常復雜的。

　　“你需要一些超高性能的IP，無論是模塊還是接口，你也需要弄清楚什么是合格的。” eSilicon的營銷副總裁Mike Gianfagna表示?！斑@是決定是否擴大規(guī)模其中一部分。你必須要證明這個IP可以使用，但是現實往往是殘酷的，這種想法過于完美，在現實當中你會發(fā)現，當我們需要從一個節(jié)點過渡到下一個工藝節(jié)點的時候，你必須在各個方面都進行優(yōu)化和改良，比如說你需要對電源和信號的完整性及優(yōu)化?！?/p>

　　這就使得IP管理異常的困難。”解決IP問題只是其中一部分。“ClioSoft營銷副總裁Ranjit Adhikary表示。各種IP的集成，也會帶來不同的問題。比如說在10納米和7納米工藝上可能很多IP都已經被考慮了，但是不同版本的IP也可能會帶來問題，所以說在這過程中我們需要對不同版本的IP進行比較。

　　復雜性和不確定性

　　在微控制器的世界里，也必須面對這些問題。我們在將不同IP整合的過程中，就會產生這樣或那樣的的集成和子系統，這時候所要面對的就不是單子個IP。

　　“現在的微控制器一般都會建立不同類型的連接，構建不同類型的可擴展系統?！盇ldec的硬件部門總經理Zibi Zalewski表示。“而最終微控制器的配置是根據目標市場和客戶的需求決定的。系統的可伸縮性。使得在規(guī)模和復雜程度上都不同以往?！?/p>

　　此外，一個項目的復雜性并不完全由硬件方面決定，硬件也不再是主要的決定因素，軟件方面有可能會給整個項目帶來極大的風險和復雜性。因為項目不僅僅涉及到晶體管的數量，同時也涉及很多軟件方面的東西。

　　對于每一個新的工藝節(jié)點來說，都存在著大量的不確定性。很多芯片廠商在進行研發(fā)的時候都承認這是工作中最大的挑戰(zhàn)之一。但是也有很多事情正在改變。

　　首先，每一個新的工藝節(jié)點都會造成很多因素發(fā)生變化。這就使得越來越多的事情容易出錯。

　　其次，市場本身也在不斷發(fā)生的變化。很多新的領域都在不斷產生，新的領域可能與以往的PC、智能手機、平板電腦等等發(fā)展的路徑完全不同。能否適應這些新的發(fā)展趨勢也是一個很大的問題。比如說，最新的汽車的發(fā)展，就與智能手機不同。因為他們不需要支持發(fā)短信或者搜索這些功能。

　　落后的代價往往是非常昂貴的。所以當時軟件被設計出來的時候就是用來解決這一問題的，它能夠更快的更新迭代，也能夠發(fā)揮非常重要的作用，因為軟件的更改比硬件要容易得多，這也是為什么FPGA越來越受到歡迎的原因之一，因為FPGA可以更改軟件。

　　可以更改軟件，這一點尤其重要，因為未來的半導體市場發(fā)展領域很多都是迅速變化的，如自動駕駛汽車、醫(yī)療、工業(yè)電子以及人工智能?！斑@些新的市場往往需要不同的協議和接口，如此多的協議和接口會帶來很多問題?！盇chronix的系統架構師Kent Orthner表示。如何解決這些問題呢?通過軟件的方式來簡化整個過程就是很好的方法。所以現在很多公司都希望通過可編程性來解決類似的問題，比如說將軟件寫入汽車，通過算法的更新來實現新的功能。