半导体的复兴

半导体和终端市场的重大转变正在推动一些人所说的技术复兴，但应对这种新的、多方面的要求可能会给芯片行业带来一些结构性变化，因为单个公司做所有事情变得更加困难。

在过去的十年里，手机行业一直是半导体生态系统的主要驱动力，从EDA和IP到晶圆代工厂。该行业已进入增长平台期，但在汽车、医疗和工业等垂直领域，以及人工智能、摩尔摩尔(More than Moore)等水平领域，以及在管理日益增长的电力和热力限制方面，新的驱动力正在出现。

这种动荡看起来似乎对整个半导体生态系统有利，创新处于近期记忆中的最高水平。“如果ESD联盟市场统计服务(MSS)第二季度报告是一个指标，那么尽管智能手机行业处于平稳期，但EDA仍在增长，”ESD联盟执行董事鲍勃·史密斯(Bob Smith)说ESD联盟。“芯片公司显然在设计新的终端用户产品。根据报告，CAE和IC物理设计大幅上升，而PCB则略有下降。长期来看，CAE和IC物理设计总体呈上升趋势，这意味着新的芯片设计活动正在进行。”

这个行业现在有多个驱动力。“直到10年前，你还会发现单一的大拐点，”迈哈尔•斯温斯基(Michal Siwinski)说节奏。“它将是数据通信，然后是移动通信，但这已经演变了。在过去的五年里，它开始变得多面化。很多创新的推动力过去主要来自移动设备，因为移动设备比其他设备更能挑战极限。他们仍然是，但除此之外，超级规模者正在推动其他依赖大型数据中心基础设施的垂直领域，或为各种计算添加智能，无论是在消费产品、工业、汽车还是航空航天领域。这是个好问题，但司机太多了。”

在移动和高性能计算(HPC)之间可以看到一个分歧的例子。卡尔蔡司SMT业务开发总监汤姆•格雷戈里希(Thom Gregorich)表示:“丹纳德缩放(Dennard Scaling)的结束影响了两组人，但每个人的反应都有所不同。”“HPC继续追求更先进的fab节点，实现多核设计，并使用传统DRAM包阵列支持这些处理器。移动设备在追求先进的晶圆厂节点方面赶上了高性能计算，并由于其更大的购买力而主导了领先的晶圆厂业务。他们还通过复杂的POP DRAM解决方案实现了多核设计，以解决移动设备的物理限制。摩尔定律的终结首先打击了高性能计算，并在一定程度上导致了高性能计算的发展HBMDRAM和2.5 d封装来绕过DRAM性能墙。与此同时，POP技术组合继续为移动提供足够的带宽。”

移动行业当然不会停滞不前。公司副总裁兼首席策略师维克•库尔卡尼表示:“移动设备正变得越来越先进有限元分析软件。“现在，这项技术正被嵌入到我们所做的一切中，从5G手持设备到基站，它最终将进入许多其他市场。这将产生大量的移动数据，这将需要大量的计算。”

新水平面上
横向营销贯穿所有终端市场，需要整个生态系统的关注。在过去，水平方向是由冯·诺依曼计算体系结构，在一个整体中实现互补金属氧化物半导体技术和验证。后来又增加了动力。在过去的几年里，新的水平变得越来越重要，包括人工智能、安全和More-than-Moore。

“真正推动下一个推动力的是数据，”设计集团营销和战略副总裁迈克尔·萨尼(Michael Sanie)说Synopsys对此。“有如此多的数据，这有两大影响。首先是移动数据的设备——网络。它可以是任何数据网络芯片、宽带或5G——任何可以移动数据的东西。延迟是一个挑战，带宽和容量是有限的。其次，我们需要对这些数据进行更多的处理——计算。其中有两大部分，高性能计算和人工智能芯片。如何理解这些数据集?网络和计算是下一个驱动因素。”

新的计算架构正在出现。”人工智能，机器学习，深度学习无处不在，”Cadence的Siwinski说。“我们谈论普适智能，这不仅仅是一个有趣的文字游戏，这恰恰是因为我们已经看到机器学习和深度学习的各个方面渗透到每个垂直市场。每一个垂直领域和每一个支持它的电子产品都有如此多的数据和计算爆炸，你几乎必须添加机器学习来实现更智能、更高效的计算，否则你会因为它太多而有点不知所措。”

人工智能无处不在。福特汽车和物联网业务副总裁切特•巴布拉表示:“人工智能在各种市场上的应用越来越多，这是一代人中最令人兴奋的技术进步之一手臂。“我们现在看到的智能哮喘吸入器使用人工智能提供增强的呼吸护理，智能隐形眼镜使用微电子学和微型显示器与佩戴者共享关键信息。”

即使在人工智能领域，这个问题也有多个方面。“从SoC架构的角度来看，可以想象一个2 × 2的矩阵，其中一边是数据中心，一边是边缘，”库尔特·舒勒(Kurt Shuler)说Arteris IP。“人们可能会争论分割线在哪里，但你可以把它想象成由电池供电的东西和必须插上电源的东西。另一方面是人工智能，这有两个方面。一个是训练神经网络，另一个是在现实世界中使用神经网络——推理。所以你就有了这个2 × 2的数据中心与边缘，以及训练与推理的矩阵。”

安全
另一个新的领域是安全性。ESD联盟的史密斯说:“网络安全和反盗版正迅速成为巨大的挑战。“这些影响了硬件设计师、软件和软件IP开发者，以及整个半导体制造生态系统。”

安全问题也无处不在。Synopsys的萨尼说:“我们已经到了这样一个阶段，几乎所有芯片公司——不仅仅是航空航天和国防，现在还有汽车——都在采用‘不相信任何东西，也不相信任何人’的思维过程。”“我们需要提供方法、IP、设计技术和3d - ic来满足PPA需要的，还要有已知的安全性和可靠性，不仅是今天，而是未来5年或15年，这取决于行业。这意味着硅的生命周期管理成为客户的一个巨大挑战。它不仅影响设计和制造，而且延伸到领域。你能通过观察设备并预测SoC整个生命周期中的性能挑战或安全漏洞吗?”

没有安全和保障，技术进步可能会受到限制。Arm的巴布拉表示:“Arm正试图通过汽车和工业应用的安全能力来加速自主决策。“Autonomy有潜力改善我们生活的方方面面，但前提是建立在安全可靠的计算基础上。”

More-than-Moore
摩尔定律曾经是一个通用的驱动器，横跨大多数垂直市场，特别是对于那些可以利用额外的面积，低功率和可以受益于最先进的节点的市场。“那个司机还在继续，”Siwinski说。“每个人都说我们无法通过某些节点，但现在我们在7nm、5nm、3nm方面表现强劲，并在探索2nm。大约10年前，权力成为了第一门槛。动力是非常重要的，但是现在动力和热量在整个系统中交织在一起。这是一个水平向量。”

摩尔定律不再是唯一的出路。Ansys的Kulkarni说:“这个行业正在超越摩尔，也被称为More than Moore。“我们已经进入了以数据为中心的时代，这使得新的垂直领域成为可能(见图1)。一切都以越来越大的方式连接起来。这就是为什么它是一个复兴，因为我们看到了半导体的发展，电子的发展，以及所有支持这些发展的东西的发展，比如光子学，机械，热管理。所有这些影响都是在你走向新世界的过程中产生的，这个新世界是以数据为中心的摩尔定律。”

图1所示。半导体产业大趋势。来源:有限元分析软件

诸如此类的变化会影响许多领域。Sanie说:“人们正在重新审视设计架构，这就是芯片制造商之间的许多区别，特别是在高性能计算和人工智能芯片市场。”“他们正在寻找非常酷的方法来构建芯片，以利用可用的硅几何结构，并且他们正在获得良好的时钟速度。但他们也在用更好的方法、更好的技术来解决问题，从而获得他们所需的PPA、性能和功率优化。而即将到来的是多芯片的大量使用3 d-ic不同类型的架构，最终我们将达到芯片的异构集成。”

“人们通过将系统分成多个部分来扩展分而治之的方法chiplets库尔卡尼说。“然后你可以在同一种子系统上有不同的功能，你可以有堆叠的芯片，中间体，2.5D结构。最近的一个例子是智能视觉传感器，它是一个3D-IC堆栈，在AI芯片上有CMOS传感器阵列，所以很多机器学习和AI被内置到芯片中，不仅可以为自动驾驶做出智能决策，还可以为移动设备做出智能决策。”

芯片的部署将取决于可扩展的、具有成本效益的解决方案的可用性。卡尔蔡司的格雷戈里希说:“芯片是正在开发的几种后摩尔封装技术之一，包括微型tsv、微型焊料连接、铜熔合互连、高密度有机基板和高密度扇出封装。”“几家著名的半导体公司预测，在未来10年里，碰撞互连间距将扩大到100:1以上。这种范式转变将同时影响HPC和移动，我们预计每个细分市场都将针对其特定需求进行优化。例如，小纸片和tsv将被两个部门利用。高密度基板封装和高密度扇出封装将为每个段进行优化。在这两个领域，成功的打包解决方案将具有以下特征:(1)它们将具有可接受的成本/效益比，并且在容量上可扩展;(2)它们不会对生产产量或现场可靠性产生不利影响。”

小块的出现需要在整个设计流程中进行更改。EV Group执行技术总监保罗•林德纳(Paul Lindner)表示:“芯片设计中的几个方面，比如对单个功能块的控制，以及最重要的晶圆之间、芯片之间或封装之间的接口设计，都需要特定的设计。”“idm和代工厂拥有构建模块，包括用于3D集成的接口，他们正在充分利用这些新的集成趋势，并为此做准备。与此同时，异构集成在包装方面开辟了商机OSATs我们处于有利位置。”

新兴垂直
最初在一个垂直领域开发的技术现在被用于扩展其他领域。Babla说:“从智能手机行业发展而来的一项工作是自主决策，它正在推动计算领域的变革。”“我们每天都在体验自动系统，比如当我们的智能手机确定我们的面部符合视觉标准后自动解锁，自动化功能现在在车辆和工厂环境中变得越来越普遍。开发人员设计的自动系统需要符合相关安全标准的技术，可扩展以解决一系列工作负载和处理能力，同时节能和安全。”

其他人也同意。史密斯说:“一个明显的市场驱动因素是向自动驾驶发展。“这在很大程度上是由于汽车市场的快速创新，以及最近在许多地区推动全面电气化的要求。”

这将影响IP开发者的发展方向。“如果你看一下我们十年前的幻灯片，就会发现当时有20家应用处理器供应商和数字基带调制解调器供应商，”Arteris的舒勒说。“我们把业务集中在这个市场上，并认为如果我们满足了他们的需求，我们就能满足所有人的需求。当你看我们今天的幻灯片时，有五张，因为它们随着时间的推移而巩固。今天，我们考虑汽车行业的需求。我们相信，如果我们满足了他们对人工智能的要求，我们就满足了这个市场上任何人或几乎任何人的要求。因此，如果我们能满足汽车行业的需求，机器人或工业领域的人就能满足他们的需求。”

一个经常被谈论的垂直是物联网。萨尼说:“物联网非常有趣，因为物联网是最近进展的副产品。”“数据不再集中。它被推到了边缘。这就产生了一个奇怪的连续体，数据是集中的，但也被推到了边缘。与此同时，计算也是中心化的，但计算本身也被推向边缘。它在云和服务器以及边缘设备之间来回创建计算连续体，5G突然成为这些连续体之间的大以太。”

就连COVID也在影响垂直行业。Siwinski说:“COVID改变了市场的焦点，新的问题解决方案正在开发中。”“这种破坏，以及总体上的破坏，要么创造机会，要么创造混乱。很多时候，技术创造了机会，新冠疫情也不例外。”

COVID创造了对更多分布式系统的需求。萨尼说:“这个方向已经在进行中，但新冠肺炎无疑加速了这一进程。”“如果你看看网络和计算公司，他们的挑战和对我们的要求并没有因为COVID而停止。事实上，可以说它们加速了。”

更多的合作
新的水平和垂直领域的影响之一是，生态系统中的每个人都被拉得很薄。问题变得更加广泛，要求企业之间的合作水平不断提高。

”知识产权供应商和EDA模具一直与铸造厂有着非常密切的联系，”Siwinski说。“大约在10nm技术之前，这种合作的性质开始发生变化。在此之前，创新主要是在代工端完成的，然后是EDA工具和IP调整以适应新的现实。对于新的节点，合作已经发展成为更紧密的伙伴关系。研发机构与晶圆代工厂的合作更加紧密，不仅在支持方面，而且在相互创新方面。它使创新变得更快。”

还有更多的系统问题。库尔卡尼说:“我们关注的是电子产品、半导体和系统之外的东西。“这包括机械学、CFD(计算流体动力学)和一些光子学。EDA, IP，整个生态系统，包装那些经常被认为是事后才想到的人，现在必须走到一起，因为在一个领域做出的决定也会影响其他领域。需要加强合作。例如，当电源影响时序时——所谓的电压时序问题，您该怎么办?然后热量就成了一个问题，所以你需要进行机械应力、翘曲分析和热分析。”

在设计团队中，以前分开工作的团队现在必须团结起来。“现在不像过去那样，你做了一个芯片，然后说，‘有了这个芯片，我能在软件中做什么?’”舒勒说。“相反，它变成了，考虑到我的软件必须做什么，我在系统层面需要做什么?这是我需要创建的新处理元素，这是我需要创建的新数据流，这是我需要放置内存的地方，以确保我可以为数千个同时需要数据的处理元素做收集功能。无论是汽车还是人工智能，即使我们处理的是横向能力，我们也必须能够理解价值链的更高层次，他们正在尝试做什么。”

它还要求EDA工具之间的协作。”方法成为一个更大的部分，不仅是更好的功率或性能，而且是超越SoC优化的方法，着眼于系统级优化。”Sanie说。“在这一点上，我们必须着眼于不同的垂直领域。与高性能计算芯片和移动芯片相比，如何对汽车芯片进行电源管理?它们都是不同的。你怎么做电源管理，性能管理，甚至硅生命周期管理?每种方法都是不同的，因此我们有更针对垂直领域的系统级方法。”

Siwinski表示同意。“很多领先的客户都把我们拉进了这些对话中，我们被要求发明一种全新的流程，一种全新的方法来支持这些超级激进的创新目标。然后其他公司使用这些方法，它们就成为了新的常态和新的最佳实践。支持事物的方法不断演进。它曾经是关于具体的点技术，因为方法论是一步一步的。现在，复杂性正在推动各种技术在引擎层面上实现更紧密的本地自动化。”

该行业还见证了EDA公司之间或更大组织内业务部门之间更大程度的合作。

结论
今天，新的水平和垂直领域正在推动整个生态系统的创新，这是过去从未发生过的事情。这将带来挑战和机遇，并将要求许多公司决定他们将在哪里成为专家，在哪里成为合作伙伴。我们已经看到了这样的例子，但我们应该期望在未来看到更多。

Siwinski说:“我们只是刚刚开始触及即将到来的事情的表面。”“我并不是说这将会像文艺复兴那样，当时的生物挑战造成了破坏，并创造了几个世纪的不同创新。诚然，两个世纪前的世界与现在大不相同，但最终你会看到一项技术为许多不同的机会提供了机会。想想面对大流行的消防员。他们的工作变得更加困难，但为什么不利用这项技术，为自动消防无人机创造一个全新的子市场呢?”

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