半導(dǎo)體創(chuàng)新的“新三駕馬車”

人工智能驅(qū)動(dòng)的全鏈條效率提升、AI數(shù)字孿生的廣泛應(yīng)用、碳中和對(duì)芯片創(chuàng)新邊界的開拓正在成為推動(dòng)半導(dǎo)體創(chuàng)新的新三駕馬車

半導(dǎo)體行業(yè)正處在尋找新增長(zhǎng)動(dòng)力的十字路口。

“必須承認(rèn)芯片性能每?jī)赡攴环摹柖伞谝龑?dǎo)半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展半個(gè)多世紀(jì)之后，正在放緩腳步，然而技術(shù)創(chuàng)新的步伐并沒有放慢，隨著單芯片擴(kuò)展能力的放緩，半導(dǎo)體行業(yè)正在尋找其他創(chuàng)新方法來保持指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。”

新思科技（Nasdaq: SNPS）總裁兼首席運(yùn)營(yíng)官Sassine Ghazi這樣總結(jié)目前半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，他將于2024年1月1日履新新思科技首席執(zhí)行官。

半導(dǎo)體行業(yè)之所以成為推動(dòng)人類社會(huì)發(fā)展的重要?jiǎng)恿?，得益于芯片性能帶來的生產(chǎn)效率提升，同時(shí)催生出互聯(lián)網(wǎng)這種徹底改變?nèi)祟惿畹男聭?yīng)用。從根本上說，提升芯片性能不是創(chuàng)新的最終目的，提升生產(chǎn)效率，改變?nèi)祟惿畈攀恰?/span>

人工智能、高性能計(jì)算和新能源革命正在成為改變?nèi)祟惿畹年P(guān)鍵，而這些領(lǐng)域都對(duì)芯片提出了更多創(chuàng)新要求，除了性能，更復(fù)雜的功能，更高的安全性，更快速的交付，更低的能耗與成本，都是新時(shí)代芯片的迫切需求，逐漸放緩的摩爾定律已經(jīng)無法滿足這些要求，半導(dǎo)體創(chuàng)新需要新的動(dòng)力。

新思科技是全球市場(chǎng)份額第一的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件EDA公司、全球排名第一的接口IP供應(yīng)商和全球軟件安全企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者。站在芯片產(chǎn)業(yè)鏈的最上游，新思科技在與產(chǎn)業(yè)鏈上各個(gè)公司的合作過程中發(fā)現(xiàn)數(shù)智化和低碳化正在成為未來發(fā)展的趨勢(shì)，新趨勢(shì)下，芯片行業(yè)保持指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的新動(dòng)力將來自三方面：

• 人工智能驅(qū)動(dòng)下的芯片全產(chǎn)業(yè)鏈效率提升

• AI數(shù)字孿生技術(shù)推動(dòng)芯片創(chuàng)新加速落地

• 碳中和時(shí)代芯片創(chuàng)新將擁有更廣闊的邊界

EDA+AI，芯片全產(chǎn)業(yè)鏈效率的倍增器

芯片產(chǎn)業(yè)在過去幾十年的創(chuàng)新模式非常清晰，由于摩爾定律的存在，芯片性能持續(xù)規(guī)律增長(zhǎng)，應(yīng)用開發(fā)者以芯片性能為基準(zhǔn)開發(fā)相關(guān)應(yīng)用。因?yàn)樾酒阅艿脑鏊僖恢鳖I(lǐng)先消費(fèi)者需求的增長(zhǎng)，所以是先有芯片，然后有新的應(yīng)有，繼而消費(fèi)者用到新的電子產(chǎn)品。芯片是發(fā)展鏈條的起點(diǎn)，芯片定義應(yīng)用，芯片與應(yīng)用同頻共振，這種同頻共振推動(dòng)了半導(dǎo)體創(chuàng)新過去幾十年的發(fā)展。

過去數(shù)十年單顆芯片所含晶體管數(shù)量的增長(zhǎng)，圖片來自新思科技官網(wǎng)。

但隨著消費(fèi)者需求被高速增長(zhǎng)的芯片性能逐步激發(fā)，摩爾定律又開始放緩腳步，這種過去幾十年行之有效的增長(zhǎng)模式開始逐漸失效。

但半導(dǎo)體的市場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)并未放慢腳步，萬物互聯(lián)大幅擴(kuò)展芯片應(yīng)用范圍，人工智能創(chuàng)造了旺盛的高性能計(jì)算需求，這些都在推動(dòng)半導(dǎo)體市場(chǎng)進(jìn)入高速增長(zhǎng)期。半導(dǎo)體市場(chǎng)用了60年達(dá)到5000億美元的規(guī)模，而新思科技預(yù)計(jì)下一個(gè)5000億美元只需要7年，即2030年，全球半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模會(huì)達(dá)到1萬億美元。

全球半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模變化趨勢(shì)，圖片來自新思科技官網(wǎng)。

快速增長(zhǎng)的多樣化需求成為芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展鏈條的新起點(diǎn)，開發(fā)應(yīng)用滿足需求，芯片創(chuàng)新滿足應(yīng)用需求，同時(shí)EDA工具的完善讓軟硬件協(xié)同開發(fā)成為可能，芯片產(chǎn)業(yè)開始進(jìn)入應(yīng)用定義芯片的階段。

比如人工智能、萬物互聯(lián)、新能源革命都提出了更多樣化的芯片需求。支持人工智能的GPU、NPU，支持萬物互聯(lián)的低功耗低成本通信芯片、功能芯片等，客戶需要更復(fù)雜的功能、更高能效、更快交付、更低成本，而過去幾十年以性能為指標(biāo)的發(fā)展模式已經(jīng)無法滿足新的需求，必須提升芯片全產(chǎn)業(yè)鏈的效率。

新思科技作為芯片設(shè)計(jì)工具的龍頭企業(yè)，四年前開始將人工智能引入芯片設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，推出了業(yè)界首個(gè)用于芯片設(shè)計(jì)的AI應(yīng)用DSO.ai，被全球多家芯片領(lǐng)軍企業(yè)采用，成功流片超260次，AI在芯片設(shè)計(jì)中的規(guī)?；瘧?yīng)用成為現(xiàn)實(shí)，人工智能成為芯片全產(chǎn)業(yè)鏈效率的倍增器。

2023年初，新思科技將DSO.ai升級(jí)擴(kuò)展為全棧式AI驅(qū)動(dòng)EDA解決方案Synopsys.ai，覆蓋先進(jìn)數(shù)字與模擬芯片的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、測(cè)試和制造環(huán)節(jié)。AI提升了EDA工具的自動(dòng)化程度和質(zhì)量，大幅度減少了芯片設(shè)計(jì)中程序性工作的數(shù)量，完成同樣的工作需要的人力和時(shí)間顯著減少。

全棧式AI驅(qū)動(dòng)EDA解決方案Synopsys.ai，圖片來自新思科技官網(wǎng)。

Sassine對(duì)《財(cái)經(jīng)十一人》表示，“人工智能驅(qū)動(dòng)的芯片設(shè)計(jì)由新思科技首創(chuàng)，我們看到了人工智能提升芯片制造商生產(chǎn)力的潛能。使用我們?nèi)斯ぶ悄蹺DA解決方案的客戶反饋，設(shè)計(jì)時(shí)間從幾個(gè)月縮短到幾周，測(cè)試成本降低20%以上，同時(shí)芯片的性能、功耗更好。”

除了提高效率，人工智能EDA還有一個(gè)關(guān)鍵作用，緩解全球半導(dǎo)體行業(yè)的嚴(yán)重資源短缺。Sassine表示，“據(jù)多家第三方機(jī)構(gòu)評(píng)估，到2030年，工程師和設(shè)計(jì)能力短缺造成的芯片設(shè)計(jì)資源缺口將達(dá)到15%—30%，而人工智能EDA套件將是減輕資源短缺不良影響的關(guān)鍵。”

另外針對(duì)過去數(shù)年困擾半導(dǎo)體行業(yè)的成熟制程產(chǎn)能短缺問題，新思科技也提供了創(chuàng)新方案。Sassine介紹，“新思科技的新方案可以將芯片設(shè)計(jì)從一個(gè)制程節(jié)點(diǎn)遷移到更先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)，同時(shí)不損失質(zhì)量，這樣既能緩解成熟制程結(jié)構(gòu)性產(chǎn)能不足的問題，也能為客戶提供更高效的芯片生產(chǎn)方式以及能效比、性價(jià)比更高的產(chǎn)品?！?/span>

創(chuàng)新加速器——AI數(shù)字孿生

應(yīng)用場(chǎng)景的快速拓展是當(dāng)前芯片創(chuàng)新與過去相比的一個(gè)重要差異，人工智能+萬物互聯(lián)不斷創(chuàng)造出新的應(yīng)用場(chǎng)景，在這些場(chǎng)景下，芯片創(chuàng)新需要不斷試錯(cuò)與嘗試，如果用實(shí)物測(cè)試，將造成大量時(shí)間和資源的浪費(fèi)，所以高仿真度虛擬環(huán)境成為新時(shí)代芯片創(chuàng)新的剛需。

虛擬技術(shù)在芯片創(chuàng)新中早已應(yīng)用，但此前的虛擬技術(shù)存在參數(shù)覆蓋不完整，虛擬條件有限，測(cè)試仿真度低等諸多問題，即便幾年前虛擬技術(shù)發(fā)展到了數(shù)字孿生階段，仿真度也依然無法令人滿意，直到引入人工智能之后，AI數(shù)字孿生才讓高仿真度虛擬環(huán)境成為可能。

AI數(shù)字孿生在人工智能、萬物互聯(lián)和新能源革命等領(lǐng)域都有充分應(yīng)用，而其中應(yīng)用價(jià)值最突出的是新能源相關(guān)行業(yè)，這些行業(yè)與現(xiàn)實(shí)連接緊密，環(huán)境影響更大更復(fù)雜，智能汽車，風(fēng)能、光伏，都是數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用的最前沿。

以智能汽車為例，汽車對(duì)半導(dǎo)體的需求在近幾年呈爆炸式增長(zhǎng)，而且汽車芯片創(chuàng)新呈現(xiàn)“數(shù)量多、種類多、功能多”的三多特征，使得汽車芯片開發(fā)堪稱當(dāng)前芯片創(chuàng)新中最復(fù)雜的場(chǎng)景。

“打開當(dāng)今高端汽車的引擎蓋，你會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)由 80 多個(gè)電子控制單元 (ECU)，上億行軟件代碼以及各種傳感器組成的數(shù)字平臺(tái)。對(duì)于汽車制造商來說，電氣化、網(wǎng)聯(lián)化和自動(dòng)化的急劇融合使汽車設(shè)計(jì)過程變得超級(jí)復(fù)雜?！盨assine這樣評(píng)價(jià)汽車半導(dǎo)體的發(fā)展現(xiàn)狀。

智能汽車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能復(fù)雜到什么程度，以軟件代碼量為例，當(dāng)前智能汽車運(yùn)行的軟件代碼量約為1億行，而到2030年，這個(gè)數(shù)字將增加到3億行，作為對(duì)比，深耕軟件行業(yè)多年的新思科技，整個(gè)公司的代碼量目前大約有3億行。

汽車成為數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用的前沿，圖片來自新思科技官網(wǎng)。

“為了應(yīng)對(duì)當(dāng)今軟件定義汽車的復(fù)雜性，我們的虛擬ECU技術(shù)將測(cè)試和驗(yàn)證流程從原型車和實(shí)物測(cè)試平臺(tái)轉(zhuǎn)移到虛擬環(huán)境。這種驗(yàn)證方法能夠顯著提高測(cè)試仿真度，提高安全性，降低風(fēng)險(xiǎn)并在早期發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，從而減少開發(fā)時(shí)間和成本?！盨assine這樣介紹新思科技的數(shù)字孿生系統(tǒng)。

而來自汽車芯片開發(fā)者的反饋也證明新的開發(fā)工具顯著提升了整車開發(fā)效率?，F(xiàn)在新的智能汽車開發(fā)周期已經(jīng)縮短到3年以內(nèi)，比傳統(tǒng)燃油車的開發(fā)周期縮短一半以上，其中，數(shù)字孿生技術(shù)提供的高仿真虛擬環(huán)境成為提升開發(fā)效率的關(guān)鍵。

特別是在整車開發(fā)環(huán)節(jié)，AI數(shù)字孿生堪稱“****”。由于多個(gè)子系統(tǒng)都需要測(cè)試，傳統(tǒng)測(cè)試方法是制造多臺(tái)原型車，然后同步測(cè)試。在測(cè)試過程中，任何一個(gè)測(cè)試團(tuán)隊(duì)進(jìn)行重大調(diào)試后都需要暫停所有測(cè)試，將所有測(cè)試車輛同步調(diào)試后才可以繼續(xù)進(jìn)行測(cè)試。

而現(xiàn)在可以提前幾個(gè)月在整車數(shù)字孿生體上進(jìn)行模擬測(cè)試，相當(dāng)于提前多開一個(gè)賬號(hào)，優(yōu)勢(shì)堪比“****”，節(jié)省了時(shí)間，搶出了效率，降低了成本。在原型車驗(yàn)證模擬測(cè)試結(jié)果的過程中，還可以不斷比對(duì)模擬測(cè)試和驗(yàn)證的數(shù)據(jù)，優(yōu)化數(shù)字孿生仿真度，進(jìn)一步提升模擬測(cè)試可靠性，形成良性循環(huán)，提升整車開發(fā)效率。

和智能汽車相似，人工智能、高性能計(jì)算、多芯片封裝等高復(fù)雜度的系統(tǒng)設(shè)計(jì)都需要數(shù)字孿生技術(shù)的支持，除了可以顯著加速芯片創(chuàng)新的落地，同時(shí)在數(shù)字孿生環(huán)境中還可以進(jìn)行低成本試錯(cuò)，探索更多的創(chuàng)新可能性。

碳中和打開芯片創(chuàng)新的新邊界

過去數(shù)十年，每一位半導(dǎo)體從業(yè)者的努力目標(biāo)都十分明確，尋找各種辦法讓摩爾定律繼續(xù)下去，極限性能是每一位半導(dǎo)體從業(yè)者的終極追求。但摩爾定律放慢腳步之后，芯片創(chuàng)新必須找到新的發(fā)力目標(biāo)，碳中和或?qū)⒊蔀殚_拓芯片創(chuàng)新邊界的重要?jiǎng)恿Α?/span>

首先為了達(dá)成碳中和目標(biāo)，芯片本身的能效需要提升，Sassine對(duì)《財(cái)經(jīng)十一人》說，“功耗、性能和面積是芯片設(shè)計(jì)的三個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，當(dāng)前功耗正成為人工智能、高性能計(jì)算和智能汽車等先進(jìn)技術(shù)的最終限制因素，所有這些創(chuàng)新都受到能耗的限制。再加上人們?nèi)找骊P(guān)注能耗對(duì)氣候的影響，降低芯片功耗正在成為半導(dǎo)體行業(yè)的關(guān)鍵考慮因素。”

新思科技全球資深副總裁、新思中國(guó)董事長(zhǎng)兼總裁葛群以當(dāng)前熱門的ChatGPT的訓(xùn)練數(shù)據(jù)為例，解釋先進(jìn)芯片的能耗水平：GPT-3訓(xùn)練參數(shù)有1750億個(gè)，單次訓(xùn)練耗電量高達(dá)1287兆瓦時(shí)，相當(dāng)于約25萬中國(guó)家庭一天的用電量。而下一代GTP-5，參數(shù)量將達(dá)到GTP-3的100倍，計(jì)算量飆升至200到400倍，訓(xùn)練一次消耗的電量可能是GPT-3的上百倍，數(shù)字驚人。

普通消費(fèi)者對(duì)芯片能效的重視也在與日俱增，過去芯片評(píng)測(cè)往往只突出性能，主頻、跑分、幀率是主要指標(biāo)。而現(xiàn)在的評(píng)測(cè)中，功耗曲線、能效比曲線正在成為消費(fèi)者關(guān)注的重要內(nèi)容。

算力的背后是電力，低碳綠色正在成為半導(dǎo)體行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)。而為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，新思科技推出了端到端低功耗EDA和IP解決方案，可覆蓋架構(gòu)、RTL、實(shí)施到簽核的完整流程，其Synopsys.ai解決方案借助人工智能技術(shù)可縮短25%的設(shè)計(jì)周期，降低30%的能耗，并將芯片功耗額外降低25%。

端到端節(jié)能降耗解決方案，圖片來自新思科技官網(wǎng)。

除了提升芯片能效，降低能耗，新思科技還在探索將芯片科學(xué)知識(shí)與方法應(yīng)用于更廣闊的場(chǎng)景。葛群認(rèn)為：“要實(shí)現(xiàn)碳中和，關(guān)鍵是‘電力脫碳’，一方面要改變能源結(jié)構(gòu)，提升清潔能源占比；另一方面要做好重點(diǎn)領(lǐng)域的節(jié)能減排。這兩方面都需要依靠半導(dǎo)體創(chuàng)新的力量。”

高效調(diào)配能源是過去幾十年芯片開發(fā)者一直研究的重點(diǎn)，也是芯片創(chuàng)新可以為碳中和做出更大貢獻(xiàn)的方向，開發(fā)更先進(jìn)、更節(jié)能的芯片，賦能千行百業(yè)的數(shù)字化進(jìn)程；通過“算力脫碳”助力節(jié)能減排；同時(shí)積極參與能源網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，利用芯片科學(xué)的知識(shí)和方法幫助新能源更好地融入能源系統(tǒng)，從根本上助力“電力脫碳”。

一面以提升能效為目標(biāo)促進(jìn)芯片創(chuàng)新，一面擴(kuò)大芯片科學(xué)方法在其他碳中和領(lǐng)域的應(yīng)用，碳中和正在打開芯片創(chuàng)新的新邊界。

不論是EDA+AI提升芯片創(chuàng)新的效率，還是數(shù)字孿生技術(shù)加速芯片創(chuàng)新落地，抑或碳中和打開了芯片創(chuàng)新的新邊界，創(chuàng)新一直都是半導(dǎo)體行業(yè)前進(jìn)的核心驅(qū)動(dòng)力。過去創(chuàng)新的方向是循著摩爾定律的方向孜孜不倦地追求極限性能，而現(xiàn)在創(chuàng)新的方向趨于多樣化，邊界不斷拓展，芯片會(huì)滲入生活每個(gè)角落，芯片科學(xué)過去幾十年積累的知識(shí)與方法將延展到更多領(lǐng)域，尋找新的“摩爾定律”，為人類社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展做出更大貢獻(xiàn)。