“一刀切”時(shí)代結束 芯片設計有“芯”思路

　　半導體制程工藝這一話(huà)題，可以說(shuō)是久說(shuō)不膩，世界領(lǐng)先的半導體廠(chǎng)商在這方面的爭奪也是前赴后繼，這種你爭我?jiàn)Z，你來(lái)創(chuàng )新我來(lái)顛覆的局面對于CPU, FPGA和ASIC芯片來(lái)說(shuō)，就猶如“紅?！币话?，是這些芯片歷久彌新，狂奔向前的主要驅動(dòng)力。

　　然而世事無(wú)絕對，現在很多應用的發(fā)展程度和性能與工藝制程的關(guān)聯(lián)度越來(lái)越低，已經(jīng)很難稱(chēng)之為主要驅動(dòng)力了。

　　應用對于芯片制程的需求化程度見(jiàn)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(zhuān)門(mén)化的差異化硬件實(shí)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(guò)程。

　　在過(guò)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(gè)發(fā)展趨勢是，很多的硬件功能都可以通過(guò)軟件的迭代加以實(shí)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(jìn)的功能則被添加進(jìn)去。這種近乎“長(cháng)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(jiàn)的。

　　但是用軟件的方式來(lái)實(shí)現硬件的功能，缺點(diǎn)也很明顯，與傳統的硬件實(shí)現功能來(lái)說(shuō)，軟件會(huì )比較緩慢，也會(huì )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(gè)新的工藝節點(diǎn)，在功率和性能方面都有非常顯著(zhù)的提升，芯片制造商們就會(huì )在這個(gè)時(shí)候通過(guò)軟件的方式來(lái)實(shí)現某些性能和功能方面的提升。

　　這種實(shí)現方式在很多應用程序中是顯而易見(jiàn)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?！澳柖烧诓粩喾啪??！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(shí)候難免會(huì )遇到設計瓶頸。這個(gè)時(shí)候由于原本的設計已經(jīng)達到了頂峰，性能方面也受到了挑戰，每個(gè)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(lái)解決問(wèn)題。而在云計算當中存在著(zhù)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(gè)行業(yè)來(lái)說(shuō)，它不只是依賴(lài)硬件也不僅僅是依賴(lài)軟件，而是通過(guò)軟件定義硬件的方式來(lái)實(shí)現某些功能，這主要包含以下幾點(diǎn)：

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

　　其次，需要通過(guò)硬件軟件的共同設計來(lái)實(shí)現某一個(gè)需求，而不是通過(guò)其中的一個(gè)。這就使得硬件和軟件必須同時(shí)進(jìn)行改變。

　　第三，云計算的需求更加強掉個(gè)性化的設計，而不是普世的硬件設計。

　　最后，云計算市場(chǎng)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(huì )在確定他們的軟件需求之后，才會(huì )去選擇所需要的處理器?！?ARM的市場(chǎng)發(fā)展高級總監Bill Neifert表示?！暗俏覀兛吹降氖沁@些廠(chǎng)商真的思考他們需要的是什么，他們需要實(shí)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(gè)主要因素是性能。但是具有諷刺意味的是，對于A(yíng)RM來(lái)說(shuō)，它的主要特點(diǎn)是低功耗。所以在設計當中，我們會(huì )發(fā)現，對于特定應用的處理器來(lái)說(shuō)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(huì )選擇比較高端的處理器。他們可能比較先進(jìn)的處理器，然后在處理器的基礎之上，通過(guò)修改軟件的方式來(lái)實(shí)現更好的應用硬件。所以我們現在看到的一個(gè)趨勢，就是很多廠(chǎng)商正在使用更小的處理器，然后通過(guò)優(yōu)化軟件的方式來(lái)實(shí)現同時(shí)處理多個(gè)任務(wù)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(gè)處理器來(lái)說(shuō)，沒(méi)有一個(gè)處理器能夠同時(shí)運載一百種以上的程序。很多情況下，同時(shí)處理三、四個(gè)程序就可以了。

　　這一觀(guān)點(diǎn)在整個(gè)半導體行業(yè)的發(fā)展中得到了很好的反映?！澳銜?huì )看到在不同的應用當中，會(huì )采用不同性能和不同工作負載的芯片?！眓etspeed的系統市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)和業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁Anush Mohandass表示。

　　未來(lái)也將會(huì )出現更多的芯片用于圖像處理、SQL和機器學(xué)習。對于不同的應用不同的工作負載來(lái)說(shuō)，芯片廠(chǎng)商將會(huì )采用不同的芯片，或者是根據這些特殊的應用來(lái)設計或者定制一些芯片。

　　更多的市場(chǎng)，更多的選擇

以上這些市場(chǎng)變化的基礎是半導體市場(chǎng)正發(fā)生著(zhù)巨大變化。因為根據我們以往的經(jīng)驗可以看出，沒(méi)有任何一個(gè)新的平臺能夠只使用單一的處理器來(lái)設計和驅動(dòng)數以?xún)|級的芯片銷(xiāo)售。在手機芯片市場(chǎng)也是如此，蘋(píng)果和三星已經(jīng)占領(lǐng)了高端的智能手機市場(chǎng)。而在中低端市場(chǎng)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(chǎng)商的市場(chǎng)占有率 來(lái)源：Statista

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

　　但是我們也應該能夠注意到。沒(méi)有任何一個(gè)新的平臺能夠滋生出像智能手機市場(chǎng)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(chǎng)來(lái)說(shuō)，是否采用新的工藝節點(diǎn)，其影響就不是那么明顯了。

　　所以最近的一個(gè)趨勢是，IEEE正在試圖，不去設計一個(gè)簡(jiǎn)單的半導體發(fā)展路線(xiàn)圖，而是分解成涵蓋了更多的發(fā)展領(lǐng)域的技術(shù)藍圖。目前來(lái)說(shuō)，未來(lái)半導體的重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域包括大數據分析、特征識別、自動(dòng)駕駛、虛擬和增強顯示等等。

　　“現在更多的是用應用驅動(dòng)我們創(chuàng )造出更多的產(chǎn)品和技術(shù)?！盜EEE的Tom Conte認為，“越來(lái)越多的市場(chǎng)開(kāi)始設計更加詳細的發(fā)展路線(xiàn)圖?！彼赋隽艘粋€(gè)例子，比如說(shuō)在日本，日本正在開(kāi)發(fā)自己的應用驅動(dòng)半導體路線(xiàn)圖，他們稱(chēng)之為日本的系統和設備發(fā)展路線(xiàn)圖。

　　這種詳細的發(fā)展路線(xiàn)圖對于不同的應用來(lái)說(shuō)非常重要，也將會(huì )極大地推動(dòng)這些新的應用的發(fā)展。

　　“對于諸如移動(dòng)和基礎設施應用來(lái)說(shuō)，就必須強調性能?！盋adence的總裁兼首席執行官Lip Bu Tan表示?！霸谶@些領(lǐng)域，工藝制程將會(huì )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(lǐng)域也會(huì )面臨一些挑戰，性能、功耗和價(jià)格也會(huì )隨著(zhù)工藝的提高而提升，發(fā)展速度也會(huì )逐漸放緩，成本也一定會(huì )上升。所以在之前的一段時(shí)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(guò)渡到7納米，因為他們沒(méi)有看到這一工藝帶來(lái)的巨大的性能和功率的提升，到底能否提升他們的業(yè)績(jì)?；蛘呤翘^(guò)一些節點(diǎn)。相反呢?促進(jìn)這些芯片公司選擇更高的制造工藝的是新的產(chǎn)品和新的應用什么時(shí)候到來(lái)。這些新的產(chǎn)品和應用在發(fā)開(kāi)發(fā)周期性能和功率上到底有哪些具體的需求?？梢哉f(shuō)對于這些公司來(lái)說(shuō)，實(shí)現相同目標，可以采用多種的方式?！?/p>

　　IP的限制

　　另一方面，我們也應當明白，如果需要開(kāi)發(fā)下一個(gè)節點(diǎn)。IP的可用性也是需要處理的一個(gè)問(wèn)題。

　　開(kāi)發(fā)新的技術(shù)節點(diǎn)往往意味著(zhù)需要開(kāi)發(fā)新的IP。對于芯片廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)，在最先進(jìn)的工藝節點(diǎn)上開(kāi)發(fā)IP成本是非常昂貴的，而結果往往是不確定的，其風(fēng)險是非常高的。有時(shí)候實(shí)現同一個(gè)目標，其過(guò)程可能是完全不同的，比如說(shuō)為了實(shí)現某一個(gè)工藝，它所采用的IP也可能是不同的。

　　另一方面，在設計的過(guò)程中，最先進(jìn)的節點(diǎn)的設計過(guò)程往往是非常復雜的。

　　“你需要一些超高性能的IP，無(wú)論是模塊還是接口，你也需要弄清楚什么是合格的?！?eSilicon的營(yíng)銷(xiāo)副總裁Mike Gianfagna表示?！斑@是決定是否擴大規模其中一部分。你必須要證明這個(gè)IP可以使用，但是現實(shí)往往是殘酷的，這種想法過(guò)于完美，在現實(shí)當中你會(huì )發(fā)現，當我們需要從一個(gè)節點(diǎn)過(guò)渡到下一個(gè)工藝節點(diǎn)的時(shí)候，你必須在各個(gè)方面都進(jìn)行優(yōu)化和改良，比如說(shuō)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?！苯鉀QIP問(wèn)題只是其中一部分?！癈lioSoft營(yíng)銷(xiāo)副總裁Ranjit Adhikary表示。各種IP的集成，也會(huì )帶來(lái)不同的問(wèn)題。比如說(shuō)在10納米和7納米工藝上可能很多IP都已經(jīng)被考慮了，但是不同版本的IP也可能會(huì )帶來(lái)問(wèn)題，所以說(shuō)在這過(guò)程中我們需要對不同版本的IP進(jìn)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(wèn)題。我們在將不同IP整合的過(guò)程中，就會(huì )產(chǎn)生這樣或那樣的的集成和子系統，這時(shí)候所要面對的就不是單子個(gè)IP。

　　“現在的微控制器一般都會(huì )建立不同類(lèi)型的連接，構建不同類(lèi)型的可擴展系統?！盇ldec的硬件部門(mén)總經(jīng)理Zibi Zalewski表示?！岸罱K微控制器的配置是根據目標市場(chǎng)和客戶(hù)的需求決定的。系統的可伸縮性。使得在規模和復雜程度上都不同以往?！?/p>

　　此外，一個(gè)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(huì )給整個(gè)項目帶來(lái)極大的風(fēng)險和復雜性。因為項目不僅僅涉及到晶體管的數量，同時(shí)也涉及很多軟件方面的東西。

　　對于每一個(gè)新的工藝節點(diǎn)來(lái)說(shuō)，都存在著(zhù)大量的不確定性。很多芯片廠(chǎng)商在進(jìn)行研發(fā)的時(shí)候都承認這是工作中最大的挑戰之一。但是也有很多事情正在改變。

　　首先，每一個(gè)新的工藝節點(diǎn)都會(huì )造成很多因素發(fā)生變化。這就使得越來(lái)越多的事情容易出錯。

　　其次，市場(chǎng)本身也在不斷發(fā)生的變化。很多新的領(lǐng)域都在不斷產(chǎn)生，新的領(lǐng)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(gè)很大的問(wèn)題。比如說(shuō)，最新的汽車(chē)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(jià)往往是非常昂貴的。所以當時(shí)軟件被設計出來(lái)的時(shí)候就是用來(lái)解決這一問(wèn)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(lái)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(diǎn)尤其重要，因為未來(lái)的半導體市場(chǎng)發(fā)展領(lǐng)域很多都是迅速變化的，如自動(dòng)駕駛汽車(chē)、醫療、工業(yè)電子以及人工智能?！斑@些新的市場(chǎng)往往需要不同的協(xié)議和接口，如此多的協(xié)議和接口會(huì )帶來(lái)很多問(wèn)題?！盇chronix的系統架構師Kent Orthner表示。如何解決這些問(wèn)題呢?通過(guò)軟件的方式來(lái)簡(jiǎn)化整個(gè)過(guò)程就是很好的方法。所以現在很多公司都希望通過(guò)可編程性來(lái)解決類(lèi)似的問(wèn)題，比如說(shuō)將軟件寫(xiě)入汽車(chē)，通過(guò)算法的更新來(lái)實(shí)現新的功能。