半導體創(chuàng )新的“新三駕馬車(chē)”

人工智能驅動(dòng)的全鏈條效率提升、AI數字孿生的廣泛應用、碳中和對芯片創(chuàng )新邊界的開(kāi)拓正在成為推動(dòng)半導體創(chuàng )新的新三駕馬車(chē)

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

“必須承認芯片性能每?jì)赡攴环摹柖伞谝龑О雽w行業(yè)發(fā)展半個(gè)多世紀之后，正在放緩腳步，然而技術(shù)創(chuàng )新的步伐并沒(méi)有放慢，隨著(zhù)單芯片擴展能力的放緩，半導體行業(yè)正在尋找其他創(chuàng )新方法來(lái)保持指數級增長(cháng)。”

新思科技（Nasdaq: SNPS）總裁兼首席運營(yíng)官Sassine Ghazi這樣總結目前半導體行業(yè)的發(fā)展狀態(tài)，他將于2024年1月1日履新新思科技首席執行官。

半導體行業(yè)之所以成為推動(dòng)人類(lèi)社會(huì )發(fā)展的重要動(dòng)力，得益于芯片性能帶來(lái)的生產(chǎn)效率提升，同時(shí)催生出互聯(lián)網(wǎng)這種徹底改變人類(lèi)生活的新應用。從根本上說(shuō)，提升芯片性能不是創(chuàng )新的最終目的，提升生產(chǎn)效率，改變人類(lèi)生活才是。

人工智能、高性能計算和新能源革命正在成為改變人類(lèi)生活的關(guān)鍵，而這些領(lǐng)域都對芯片提出了更多創(chuàng )新要求，除了性能，更復雜的功能，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(wú)法滿(mǎn)足這些要求，半導體創(chuàng )新需要新的動(dòng)力。

新思科技是全球市場(chǎng)份額第一的電子設計自動(dòng)化軟件EDA公司、全球排名第一的接口IP供應商和全球軟件安全企業(yè)領(lǐng)導者。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(guò)程中發(fā)現數智化和低碳化正在成為未來(lái)發(fā)展的趨勢，新趨勢下，芯片行業(yè)保持指數級增長(cháng)的新動(dòng)力將來(lái)自三方面：

• 人工智能驅動(dòng)下的芯片全產(chǎn)業(yè)鏈效率提升

• AI數字孿生技術(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(guò)去幾十年的創(chuàng )新模式非常清晰，由于摩爾定律的存在，芯片性能持續規律增長(cháng)，應用開(kāi)發(fā)者以芯片性能為基準開(kāi)發(fā)相關(guān)應用。因為芯片性能的增速一直領(lǐng)先消費者需求的增長(cháng)，所以是先有芯片，然后有新的應有，繼而消費者用到新的電子產(chǎn)品。芯片是發(fā)展鏈條的起點(diǎn)，芯片定義應用，芯片與應用同頻共振，這種同頻共振推動(dòng)了半導體創(chuàng )新過(guò)去幾十年的發(fā)展。

過(guò)去數十年單顆芯片所含晶體管數量的增長(cháng)，圖片來(lái)自新思科技官網(wǎng)。

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

但半導體的市場(chǎng)規模增長(cháng)并未放慢腳步，萬(wàn)物互聯(lián)大幅擴展芯片應用范圍，人工智能創(chuàng )造了旺盛的高性能計算需求，這些都在推動(dòng)半導體市場(chǎng)進(jìn)入高速增長(cháng)期。半導體市場(chǎng)用了60年達到5000億美元的規模，而新思科技預計下一個(gè)5000億美元只需要7年，即2030年，全球半導體市場(chǎng)規模會(huì )達到1萬(wàn)億美元。

全球半導體市場(chǎng)規模變化趨勢，圖片來(lái)自新思科技官網(wǎng)。

快速增長(cháng)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(kāi)發(fā)應用滿(mǎn)足需求，芯片創(chuàng )新滿(mǎn)足應用需求，同時(shí)EDA工具的完善讓軟硬件協(xié)同開(kāi)發(fā)成為可能，芯片產(chǎn)業(yè)開(kāi)始進(jìn)入應用定義芯片的階段。

比如人工智能、萬(wàn)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(wàn)物互聯(lián)的低功耗低成本通信芯片、功能芯片等，客戶(hù)需要更復雜的功能、更高能效、更快交付、更低成本，而過(guò)去幾十年以性能為指標的發(fā)展模式已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)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計工具的龍頭企業(yè)，四年前開(kāi)始將人工智能引入芯片設計環(huán)節，推出了業(yè)界首個(gè)用于芯片設計的AI應用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在芯片設計中的規?；瘧贸蔀楝F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升級擴展為全棧式AI驅動(dòng)EDA解決方案Synopsys.ai，覆蓋先進(jìn)數字與模擬芯片的設計、驗證、測試和制造環(huán)節。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計中程序性工作的數量，完成同樣的工作需要的人力和時(shí)間顯著(zhù)減少。

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

Sassine對《財經(jīng)十一人》表示，“人工智能驅動(dòng)的芯片設計由新思科技首創(chuàng )，我們看到了人工智能提升芯片制造商生產(chǎn)力的潛能。使用我們人工智能EDA解決方案的客戶(hù)反饋，設計時(shí)間從幾個(gè)月縮短到幾周，測試成本降低20%以上，同時(shí)芯片的性能、功耗更好?！?/span>

除了提高效率，人工智能EDA還有一個(gè)關(guān)鍵作用，緩解全球半導體行業(yè)的嚴重資源短缺。Sassine表示，“據多家第三方機構評估，到2030年，工程師和設計能力短缺造成的芯片設計資源缺口將達到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?！?/span>

另外針對過(guò)去數年困擾半導體行業(yè)的成熟制程產(chǎn)能短缺問(wèn)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計從一個(gè)制程節點(diǎn)遷移到更先進(jìn)的節點(diǎn)，同時(shí)不損失質(zhì)量，這樣既能緩解成熟制程結構性產(chǎn)能不足的問(wèn)題，也能為客戶(hù)提供更高效的芯片生產(chǎn)方式以及能效比、性?xún)r(jià)比更高的產(chǎn)品?！?/span>

創(chuàng )新加速器——AI數字孿生

應用場(chǎng)景的快速拓展是當前芯片創(chuàng )新與過(guò)去相比的一個(gè)重要差異，人工智能+萬(wàn)物互聯(lián)不斷創(chuàng )造出新的應用場(chǎng)景，在這些場(chǎng)景下，芯片創(chuàng )新需要不斷試錯與嘗試，如果用實(shí)物測試，將造成大量時(shí)間和資源的浪費，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 )新中早已應用，但此前的虛擬技術(shù)存在參數覆蓋不完整，虛擬條件有限，測試仿真度低等諸多問(wèn)題，即便幾年前虛擬技術(shù)發(fā)展到了數字孿生階段，仿真度也依然無(wú)法令人滿(mǎn)意，直到引入人工智能之后，AI數字孿生才讓高仿真度虛擬環(huán)境成為可能。

AI數字孿生在人工智能、萬(wàn)物互聯(lián)和新能源革命等領(lǐng)域都有充分應用，而其中應用價(jià)值最突出的是新能源相關(guān)行業(yè)，這些行業(yè)與現實(shí)連接緊密，環(huán)境影響更大更復雜，智能汽車(chē)，風(fēng)能、光伏，都是數字孿生技術(shù)應用的最前沿。

以智能汽車(chē)為例，汽車(chē)對半導體的需求在近幾年呈爆炸式增長(cháng)，而且汽車(chē)芯片創(chuàng )新呈現“數量多、種類(lèi)多、功能多”的三多特征，使得汽車(chē)芯片開(kāi)發(fā)堪稱(chēng)當前芯片創(chuàng )新中最復雜的場(chǎng)景。

“打開(kāi)當今高端汽車(chē)的引擎蓋，你會(huì )發(fā)現一個(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字平臺。對于汽車(chē)制造商來(lái)說(shuō)，電氣化、網(wǎng)聯(lián)化和自動(dòng)化的急劇融合使汽車(chē)設計過(guò)程變得超級復雜?！盨assine這樣評價(jià)汽車(chē)半導體的發(fā)展現狀。

智能汽車(chē)系統的設計能復雜到什么程度，以軟件代碼量為例，當前智能汽車(chē)運行的軟件代碼量約為1億行，而到2030年，這個(gè)數字將增加到3億行，作為對比，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(chē)成為數字孿生技術(shù)應用的前沿，圖片來(lái)自新思科技官網(wǎng)。

“為了應對當今軟件定義汽車(chē)的復雜性，我們的虛擬ECU技術(shù)將測試和驗證流程從原型車(chē)和實(shí)物測試平臺轉移到虛擬環(huán)境。這種驗證方法能夠顯著(zhù)提高測試仿真度，提高安全性，降低風(fēng)險并在早期發(fā)現錯誤，從而減少開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本?！盨assine這樣介紹新思科技的數字孿生系統。

而來(lái)自汽車(chē)芯片開(kāi)發(fā)者的反饋也證明新的開(kāi)發(fā)工具顯著(zhù)提升了整車(chē)開(kāi)發(fā)效率?，F在新的智能汽車(chē)開(kāi)發(fā)周期已經(jīng)縮短到3年以?xún)?，比傳統燃油車(chē)的開(kāi)發(fā)周期縮短一半以上，其中，數字孿生技術(shù)提供的高仿真虛擬環(huán)境成為提升開(kāi)發(fā)效率的關(guān)鍵。

特別是在整車(chē)開(kāi)發(fā)環(huán)節，AI數字孿生堪稱(chēng)“****”。由于多個(gè)子系統都需要測試，傳統測試方法是制造多臺原型車(chē)，然后同步測試。在測試過(guò)程中，任何一個(gè)測試團隊進(jìn)行重大調試后都需要暫停所有測試，將所有測試車(chē)輛同步調試后才可以繼續進(jìn)行測試。

而現在可以提前幾個(gè)月在整車(chē)數字孿生體上進(jìn)行模擬測試，相當于提前多開(kāi)一個(gè)賬號，優(yōu)勢堪比“****”，節省了時(shí)間，搶出了效率，降低了成本。在原型車(chē)驗證模擬測試結果的過(guò)程中，還可以不斷比對模擬測試和驗證的數據，優(yōu)化數字孿生仿真度，進(jìn)一步提升模擬測試可靠性，形成良性循環(huán)，提升整車(chē)開(kāi)發(fā)效率。

和智能汽車(chē)相似，人工智能、高性能計算、多芯片封裝等高復雜度的系統設計都需要數字孿生技術(shù)的支持，除了可以顯著(zhù)加速芯片創(chuàng )新的落地，同時(shí)在數字孿生環(huán)境中還可以進(jìn)行低成本試錯，探索更多的創(chuàng )新可能性。

碳中和打開(kāi)芯片創(chuàng )新的新邊界

過(guò)去數十年，每一位半導體從業(yè)者的努力目標都十分明確，尋找各種辦法讓摩爾定律繼續下去，極限性能是每一位半導體從業(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，碳中和或將成為開(kāi)拓芯片創(chuàng )新邊界的重要動(dòng)力。

首先為了達成碳中和目標，芯片本身的能效需要提升，Sassine對《財經(jīng)十一人》說(shuō)，“功耗、性能和面積是芯片設計的三個(gè)關(guān)鍵指標，當前功耗正成為人工智能、高性能計算和智能汽車(chē)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。再加上人們日益關(guān)注能耗對氣候的影響，降低芯片功耗正在成為半導體行業(yè)的關(guān)鍵考慮因素?！?/span>

新思科技全球資深副總裁、新思中國董事長(cháng)兼總裁葛群以當前熱門(mén)的ChatGPT的訓練數據為例，解釋先進(jìn)芯片的能耗水平：GPT-3訓練參數有1750億個(gè)，單次訓練耗電量高達1287兆瓦時(shí)，相當于約25萬(wàn)中國家庭一天的用電量。而下一代GTP-5，參數量將達到GTP-3的100倍，計算量飆升至200到400倍，訓練一次消耗的電量可能是GPT-3的上百倍，數字驚人。

普通消費者對芯片能效的重視也在與日俱增，過(guò)去芯片評測往往只突出性能，主頻、跑分、幀率是主要指標。而現在的評測中，功耗曲線(xiàn)、能效比曲線(xiàn)正在成為消費者關(guān)注的重要內容。

算力的背后是電力，低碳綠色正在成為半導體行業(yè)面臨的挑戰。而為了應對這一挑戰，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、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%的設計周期，降低30%的能耗，并將芯片功耗額外降低25%。

端到端節能降耗解決方案，圖片來(lái)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)知識與方法應用于更廣闊的場(chǎng)景。葛群認為：“要實(shí)現碳中和，關(guān)鍵是‘電力脫碳’，一方面要改變能源結構，提升清潔能源占比；另一方面要做好重點(diǎn)領(lǐng)域的節能減排。這兩方面都需要依靠半導體創(chuàng )新的力量?！?/span>

高效調配能源是過(guò)去幾十年芯片開(kāi)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的方向，開(kāi)發(fā)更先進(jìn)、更節能的芯片，賦能千行百業(yè)的數字化進(jìn)程；通過(guò)“算力脫碳”助力節能減排；同時(shí)積極參與能源網(wǎng)絡(luò )建設，利用芯片科學(xué)的知識和方法幫助新能源更好地融入能源系統，從根本上助力“電力脫碳”。

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

不論是EDA+AI提升芯片創(chuàng )新的效率，還是數字孿生技術(shù)加速芯片創(chuàng )新落地，抑或碳中和打開(kāi)了芯片創(chuàng )新的新邊界，創(chuàng )新一直都是半導體行業(yè)前進(jìn)的核心驅動(dòng)力。過(guò)去創(chuàng )新的方向是循著(zhù)摩爾定律的方向孜孜不倦地追求極限性能，而現在創(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(guò)去幾十年積累的知識與方法將延展到更多領(lǐng)域，尋找新的“摩爾定律”，為人類(lèi)社會(huì )的進(jìn)步和發(fā)展做出更大貢獻。