定制的硅响尾蛇芯片设计生态系统

定制硅开发人员正在改变整个半导体行业的关系、优先事项和方法，创造对跨越传统界限的技能的需求，并推动利用这些巨大投资的新商业模式。

今天的定制硅设计师是一个罕见的品种，能够理解特定领域的独特需求，以及在设计流程的多个阶段可能突然出现的越来越多的问题。在最基本的层面上，他们需要了解什么最适合硬件，什么最适合软件，以及如何将两者紧密集成以优化性能和性能。

“软件架构师或系统架构师需要知道做硅需要什么，”微软的首席执行官Mo Faisal说Movellus．“否则，他们就会抛出在实际的硅芯片上无法实现的算法。软件架构师真的需要熟悉硬件。”

软件允许bug在现场被解决，并且它提供了一种最小化过时的方法。但它也必须以一种不影响性能的方式编写。Kam Kittrell, Digital & Signoff集团的产品管理副总裁节奏他指出，曾在苹果、AMD和特斯拉等公司开发芯片架构的吉姆·凯勒(Jim Keller)“告诉他的团队，无论他们制造什么芯片，都要确保它是可编程的，并且他们可以为它编写软件。这似乎是他们知道要做的事情，但显然，这并不容易。”

软件是一个关键部分。另一个是先进的封装，这对于具有某种类型AI的高性能芯片至关重要，因为不是所有东西都能装在一个十字线大小的芯片上。

“我们长期以来一直与传统的芯片架构师合作，但现在我们正在与系统架构师合作，”公司产品营销总监Marc Swinnen说有限元分析软件．“这是一套超越单个芯片的技能。他们现在不得不担心PCB、封装、散热和机械方面的问题。这些都是芯片设计师以前不必担心的问题，但现在需要担心了。你把两个不同的芯片放在不同的温度下，就会产生热差，它们就会翘曲。”

与此同时，随之而来的是组织方面的挑战。“芯片是一个人做的，热成像是另一个人做的。包装在以色列已经结束了，热在班加罗尔，现在你需要一个团队，把所有这些能力组合在一起。很多公司并没有这样做。设计师很少与包装设计师交谈，或者这是事后的事情。对于热效应，如果你拿两个在活动中很热的芯片你把它们放在中间，这是行不通的。我们还没开始设计，它就死了。如果你只是在包装阶段才发现这一点，那就太晚了，你也无法从ECO中摆脱出来。从组织上讲，人们面临着解决这些问题的挑战，因为他们并没有这样做的准备。”

好消息是还有很大的改进空间，芯片架构师正享受着前所未有的自由。坏消息是，他们有太多的选择，这影响了设计进度。

“系统工程师现在可以设计他们自己定制的硅，因为他们了解他们的系统问题。他们有真实世界的数据集。他们有AI。这是一个光荣的局面，”凯文麦克德莫特，营销副总裁治之．“但是请邀请核查小组坐到谈判桌前。我可能会有另一代，我想要一个选项或模式。我想把它翻过来。我希望自始至终都有多种选择和选项。验证人员会坐下来告诉你验证和验证核心。但是对于每个选项，您都增加了一倍的工作量，因为您现在需要测试有和没有。我们都喜欢自由和创新的理念，只要我们在合理的时间框架内制定出一些标准。”

将这些定制芯片推向市场并非易事，但有迹象表明，这可能会变得更容易。Ankur Gupta，副总裁兼总经理西门子EDA该公司的测试部门(Tessent Division)以谷歌的设计为例，说明了如何正确做到这一点。“设计师长什么样?”有什么不同?谷歌用Tensor软件框架做硬件，所以他们在考虑完整的设计和验证。现在，技能集至少不只是从设计和验证工程师的角度来看，而且还适用于不参与共同设计的软件人员，但至少要考虑并共同构建软件堆栈。然后，谷歌做了什么?他们在数据中心使用了一年的TPU，然后向业界开放。当他们向业界开放时，它是一个完整的堆栈，完全可验证。我们在其他地方见过吗?也许未来还会有更多，这就是未来五年用户的发展方向。”

更多的迭代
不过，即使是最先进的公司也在边做边学。谷歌的首席营销官鲁珀特•贝恩斯(Rupert Baines)指出，谷歌经历了多次迭代Codasip．“它有点像版本3，因为存在架构问题和验证文件。这不是第一次。”

最大的问题是，在这个过程中还能学到什么，以及一个领域的知识如何应用到另一个领域。“当你听谷歌的同一个团队谈论他们的旅程时，他们研究了SPEC，这是计算性能的摩尔定律。然后他们观察了YouTube、ML和所有Android设备的指数级增长，发现差距太大了。这就是TPU的由来。这些人现在正在谈论计算和网络。他们已经将重点转移到网络上。”

结果如何还有待观察。但谷歌开发芯片的经济状况与规模小得多的公司非常不同。Codasip的Baines表示，重要的是要考虑有多少错误可以被预算。

费萨尔同意了。“说到3D，所有人都在朝这个方向发展，”他说。“现在，PCB设计师要么需要成为芯片设计师，要么芯片设计师需要成为封装设计师。他们需要朝着这个方向采取措施，而这正在发生。我们有一些非常棒的团队成员在做这件事。”

定制硅的经济学
随着定制硅的增长，很多事情正在发生变化。

“最初的想法是定制就是定制，”Ansys的Swinnen说。“然而，我们看到了混合或模糊，就像TPU一样。定制什么时候也能在商业市场上买到?思科最近推出了他们的网络芯片。他们终于制造了自己的网络芯片，但他们也在市场上出售。那么如何定制呢?如果你能买到，它就是标准产品。”

Imperas的麦克德莫特说，这是一个普遍问题。“在我开始做asic的时候，你会做一个定制设备，因为它确实适合特定的细分市场，而系统工程师，也就是驱动它的最终客户，很高兴有自己的设计。他们被禁止将其出售给其他用户，因为这是同一个应用程序。事实上，你可以称他们为竞争对手。但他们安排这笔交易的方式是，‘是的，我会为NRE提供部分资金。你将拥有一年的独家权利。然后我们会把它作为标准芯片来销售。有一些功能你可以使用因为你有完整的软件可见性，它是为你的特殊设计风格而设计的，它是为你定制的。但为了抵消经济成本，我们会把它卖给更广阔的市场，可能是你的竞争对手，他们会在一年后得到它。’”

商业和私人之间的界限也在其他方面变得模糊。Cadence的Kittrell指出，像思科这样的公司现在正在向不同的公司出售他们的技术，并且处于食物链的不同层次。他说:“以前他们把盒子卖给数据中心的制造商，现在人们更多的是使用云计算。”“因此，与其建立自己的数据中心，特别是如果它是一个纯软件应用程序，他们需要一种方法来创建和销售技术给这些云提供商，并吸引他们购买，因为这是资金转移的地方。”

半导体生态系统的所有部分都感受到了这种影响。Faisal说:“系统设计师正在创造定制芯片，以增强可能是通用的解决方案，使他们在过去由软件差异化驱动的竞争市场中脱颖而出。”定制硅并不一定意味着你必须自己制造整个芯片。谷歌做得很好，他们在三星的底盘上定制了硅，这导致了他们的Pixel产品。最重要的是，如果你看看NVIDIA、AMD或英特尔，他们都提供了一个底盘系统，供人们安装定制的部件，并将他们的硅封装定制为一个完整的解决方案。可能是小纸片。它可能只是一个用于IP即插即用的机箱系统。

其他人也同意。Codasip的贝恩斯说:“一家芯片制造商用暗硅制造了三种芯片，使用相同的芯片，但融合了不同的比特。”“一个是私人客户A，一个是私人客户B，第三个是公开市场，客户A和客户B都有定制产品。它们的差别化位是10%，然后有些东西被融合了，你在那里有一些额外的门，你不能使用，但这是有意义的。”

一些公司正在开放他们的定制架构，以推动围绕这些架构的创新。古普塔说:“亚马逊的Graviton 3现在是作为64位Arm架构开放的，他们说它可以使总拥有成本降低20%到40%。“如果你看一下外壳，他们所做的是，他们看着你的机架说，‘我已经通过数据处理单元(DPU)连接了AWS Graviton 3。他们正在研究冯·诺依曼的架构问题，也就是逻辑和内存的瓶颈，并说，如果我也设计一种特殊的数据处理单元，而不是标准的网络接口控制器，那么我就可以更快地传输数据。“他们向所有人提供机会。这是软件落后于硬件的一个很好的例子。现在，我们EDA的所有人都必须将我们的软件移植到Arm 64位上，并且对Intel x86有很大的依赖。我们现在正在经历这段旅程，这将是一个几年的旅程。”

生态系统中的定制硅
目前还不完全清楚，该行业将如何改变，以满足定制芯片开发人员的需求，同时仍然支持所有通用开发。

斯温宁说:“如果你有能力生产自己的硅芯片，并使其运行速度比其他任何产品都快，那么在某种程度上，你就会想，总体市场还会给别人留下多少份额。”“这些定制硅公司将是突出的，并将在一段时间内推动行业发展。但总会有通用微控制器、传感器和通用芯片。市场仍然会存在，但资金和注意力都将流向那些不仅推动软件和硬件，而且推动所有这些3D-IC架构的大公司。你可以开发很多技术，但是你要怎么去开发呢?英特尔、AMD和谷歌正在推动这一趋势，并推动晶圆代工厂围绕特定的实现进行集中。”

这些前沿设计仍然需要第三方IP和工具。Faisel指出，从IP的角度来看，由于一些定制硅开发人员缺乏创建自己的时钟网络的深厚专业知识，因此拥有基于功率、性能、面积和同步需求提供可定制工具的IP平台变得越来越重要。“这一切都归结于如何通过创建这些直观的平台，让客户更容易地集成、部署和满足架构规范，所以在一天结束的时候，他们有了工具，开始弥补他们缺乏的一些技能。”

技能的缺乏和这些设计的复杂性一直在推高专业服务的收入。贝恩斯说:“埃森哲是一家以会计闻名的专业服务公司，刚刚收购了XtremeEDA。“他们已经从会计转向ASIC设计。此外，以软件和业务流程闻名的印度专业服务公司HCL Technologies拥有一个庞大的硅团队，主要负责后端，但自始至终都是后端。前端架构与客户和系统紧密结合。您需要自己的架构师，但是RTL实现、地点和路线、生产、操作、代工联络等等，这些都是非常适合外包的事情。这就是为什么埃森哲(Accenture)和HCL等公司正在进入这个领域。”

古普塔表示同意。“埃森哲谈论的是软件定义的硬件。由于他们的进入，他们也试图建立对fpga的认识，在那里，你可以在软件上做的事情可以在硬件上更有效地完成。所以他们说软件定义的硬件就是一个例子。这很有远见，他们正在引入可持续发展的成分。他们说，‘不要重复发明轮子，要考虑可持续性和效率。’从功耗等方面来看，你在硬件上所做的最终会更高效。”

结论
定制硅正迎来它的时代。这种情况会持续多久，谁也说不准。已经有迹象表明，公司正在寻求增加更多的可伸缩性，并为他们的设计努力。但与此同时，围绕这一领域出现了新的机遇，尤其是在集成和可靠性方面。

古普塔说:“我们现在都在谈论系统中的系统。“当我们观察这些公司时，我们看到他们有一种系统中的系统思维。他们说的不仅仅是筹码。他们说的是软件堆栈中的芯片，加上终端系统。我们现在还在问，他们的工作是否在制造芯片后结束。我们不这么认为。我们认为存在生命周期管理。我们确实看到人们在设计定制的硅，但他们不会只是继续发明越来越多的硅。他们将尝试从硅中获得更多。你能做到的就是生活中的监控，生活中的优化。 That optimization is going to take the software stack to be built for that silicon, for that hardware. In data centers, you need to prevent无声数据损坏．在汽车行业，仅仅检测网络安全威胁是不够的。你需要防止这种威胁发生。”

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