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设计的起点正在改变

特定于市场的需求和规则、IP的可用性以及解决问题的多种方法正在对体系结构产生巨大影响。

受欢迎程度

半导体设计的起点正在发生变化。过去,根据功率或性能选择处理器是相当简单的,然后是需要多少片内内存和片外内存,现在变得复杂得多。

这在一定程度上是由于强调针对市场的特定应用硬件和软件解决方案,这些市场要么以前从未存在过,要么太不成熟,开发定制解决方案没有利润。例如,几年前,特斯拉(Tesla)推出了一款能够自动驾驶的汽车,震惊了缓慢发展的汽车行业,汽车中的驾驶辅助技术才成为优先考虑的问题。云计算在过去几年中有了显著的增长(见下图1),使传统数据中心的增长相形见绌,并改变了数据的整体流。


图1:基于云的数据存储和处理的增长预测。资料来源:SEMI/Cisco VNI全球IP流量预测

再加上机器学习/人工智能,这是一种利用垂直市场算法的横向市场解决方案。物联网/工业物联网以及虚拟现实和增强现实也在稳步增长。把这些放在一起,对特定市场解决方案的强调开始成为焦点。在这些细分市场中,选择处理器或内存并不重要,而是要满足一个市场的独特需求,甚至是一个市场的一小部分。


图2:增强现实市场增长。资料来源:Grand View Research

“我们看到了更多针对细分市场的设计,”Wally Rhines说Mentor是西门子旗下的企业.“标准和定制产品的细分市场开发改变了游戏规则,因为他们了解特定的行业。这样做的好处是在特定领域获得更高的市场份额,作为半导体公司,利润也会更高。产品基础越多样化,35%至40%的营业利润就越不可能实现。”

其中一些领域,特别是涉及安全的领域,有自己的认证要求。另一些则是全新的、不断发展的,所以主要使用现成部件构建的设计可能不会成功。几年前,第一批智能手表涌入消费电子市场,这一点就很明显。电池寿命非常有限,因为这些设备一开始都是通用的现成部件,许多消费者觉得它们更像是一种麻烦,而不是有用的工具。

“不同市场的起点差异很大,”阿里巴巴的高级市场开发总监比尔•奈弗特(Bill Neifert)表示手臂.“随着汽车电子产品重要性的增长,开发这项技术的公司正在提高他们的方法,以追赶其他市场。他们的需求与汽车行业以外的公司不同,在汽车行业,定制加速器有很大的推动力,既能满足他们的确切需求,又能使用标准编程。创新总是在最前沿,但大多数公司都不是这样。大多数都在攻击利基市场,所以它们需要更快的速度或更低的功率。物联网在很大程度上推动了这一点。但如果你试图扩大通用处理器的规模,价格就超出了可接受的范围。”

这种方法的另一面是构建一个更加定制的解决方案,但这增加了它自己的一组约束。经济学也不支持针对许多新市场的定制设计。当设备的价格是消费者购买的首要考虑因素时,这一点尤其明显,而快速推出产品的需求则需要更多的工程资源和不同的设计方法。

“设计师们受到了两面挤压,”该公司产品营销组总监马克•格林伯格(Marc Greenberg)表示节奏的IP组。“一方面,可用的晶体管数量增加,需要在先进工艺中完成新的设计步骤。另一方面,市场窗口保持不变。最终的结果是,人们在设计周期中越来越早地尝试实现基于标准的内存和接口IP。不久以前,对于一家没有多少硅经验的新公司来说,尝试在高级节点上开发芯片或采用最新的芯片外接口标准是很不寻常的。如今,年轻的公司同时尝试先进的节点设计和新标准是很常见的。”

流程节点混乱
这就是商业IP应该发挥重要作用的地方。然而,事情并没有那么简单。

“IP的选择变得越来越复杂,因为对于许多设计或重新设计来说,IP不合格或没有整合到设计中,”Ranjit Adhikary说ClioSoft.“对很多这样的公司来说,真正的关键是上市时间。这是关于他们将使用哪个节点。但他们的IP选择可能会受到内部开发IP和第三方IP的限制。使用商业IP会增加成本。有些公司可能会先用它来打入市场,然后再开发自己的IP来降低成本。”

更复杂的是,代工工艺之间存在足够多的差异,例如,两个10nm工艺的IP块的表征可能看起来非常不同。在一个节点上最有效的方法在另一个节点上不一定是最佳选择。

公司产品营销总监玛丽·安·怀特说:“有多种选择,你可以在功率和性能之间进行权衡,但它必须适用于你工作的每个流程节点。Synopsys对此.“所以你总是有基础IP,其中包括内存。这是由标准电池组成的,它可能是高密度或高性能的,而不是低功耗的。在那之后,就变得更难了。”

在越来越多的情况下,IP可能根本不可用。晶圆代工厂一直在新的和成熟的节点上用新工艺充斥市场,迫使IP供应商选择将资源放在哪里。对于那些希望在最新节点推出新设计的公司来说,这正成为一个大问题。

“当你看一个设计时,你必须确定这个IP是否可用,”丽莎·明威尔说,eSilicon微软的知识产权营销总监。“限制因素是什么?这可能取决于你的目标市场。如果是网络设计,限制因素是什么?我们一直在狂热地工作,以便我们能够控制它。你必须拥有可用的物理IP。”

这一观点得到了整个行业的认同。的首席执行官Geoff Tate表示:“如果节点变化足够大,我们可能需要6个月的时间才能用几个工程师完成一个移植Flex Logix.但对于大多数IP来说,移植时间要长得多。我们使用数字设计规则,因此移植时间缩短到几个月。但对于拥有其他IP的用户,我们也发现了一个问题。例如,如果你正在开发一个锁相环,成本足够高,你将需要一两个客户来收回你的钱。要做到这一点,唯一的方法就是坚持使用16/14和7nm这样的大节点。10、12和22nm节点是中间节点。”

再加上先进的封装选项,因为不是所有的IP都可以插入扇出或2.5D设计中,仅仅跟踪可用的IP就成了一个挑战。

基础设施了
IP并不是唯一的起点。在一些市场上,芯片制造商现在从电子管道开始设计,并在此基础上开发架构。

“除非他们明确地试图做一个通用处理器,否则大多数事情都是从引脚开始的,”at的CTO Ty Garibay说ArterisIP.“所以他们可能需要'这么多'带宽或PCIe gen 4,或DDR3, 4或5。那么你需要多少不同的信道以及你从哪里得到这些物理物理量。它从那里向内推。你有“这么多”数据。你打算在哪里处理?您是否需要GPU或专用加速器?对于单个市场,可能有特定类型的数据。然后你可能会有剩余的处理,或者你会在一边保留一些额外的CPU周期来处理你不知道的事情。”

这与其他公司的观察结果一致。Anush Mohandass,公司营销和业务发展副总裁NetSpeed系统他说,他第一次看到这种转变的第一个迹象是在大约六个月前,当时一个大客户开始研究互连,然后开始研究下一步的流程。

莫罕达斯说:“一旦你退一步思考,就会发现这是有道理的。”“你需要知道带宽和延迟需求,这样你才能规划出不同元素之间的路径。但这让我很惊讶,因为我们过去从未见过这种情况。第一次发生时,我们以为这是个例外。但从那以后,它已经成为一种模式,尤其是在汽车和超大规模存储领域。我们看到的是从以cpu为中心到以内存为中心的设计的转变。在此基础上,您可以为如何移动数据以及系统需要多快地响应绘制蓝图。弄清楚这一点至关重要,因为它决定了传感器需要多快地发送数据。”

安全至上的市场
汽车、航空电子、工业和医疗部门也有自己的问题。知识产权需要有可用性,但也需要符合市场的相关标准。

在航空电子领域,大公司的解决方案是开发自己的IP,而不是等待商用现货(COTS)满足特定节点或流程的要求。“有不同的方法,”特朗普营销总监路易·德·卢纳(Louie de Luna)说Aldec.“一种方法是对IP进行反向工程,进行更多测试并提供更多文档,以使其符合标准。这就是大型航空电子公司正在做的事情。他们不购买商业IP。他们自己制造。但我们也看到了一个趋势,即IP供应商现在正在标记他们的IP符合DO-254。”

商用航电IP分为三类,软IP,这是可合成的HDL源代码;公司IP,这基本上是一个需要放置和路由的网络列表;以及硬IP,例如带有嵌入式ARM核心的FPGA。所有这些都需要大量的文档。但航空电子产品的周期平均为2至5年,开发IP的额外成本并不显著。汽车行业则完全不同。

NetSpeed的莫汉达斯表示:“我们在汽车、超大规模存储和5G等新领域看到了越来越多的这种转变。”“这些都是没有什么遗产的新兴领域,人们的想法是,谁先进入市场,谁就能占领市场。”

未知数
对芯片制造商来说,跟上所有这些市场的步伐并非易事。一些细分市场的新鲜感和成熟市场(如汽车市场)的快速变化,正经常造成混乱。协议和标准几乎处于不断发展的状态,这意味着今天开始的芯片设计在进入市场时可能已经过时了。

这一直是设计前沿的危险之一,但这个问题正在蔓延。首先,许多新市场不需要先进的节点技术。此外,这些设备中的许多都连接在更大的系统内部,因此协议和标准的变化并不局限于finfet级别的进程。它们影响甚至在旧节点上创建的模拟设备。

有几种方法可以处理这个问题。一是在芯片中添加保证金以应对任何变化。第二种是在设计中添加可定制的可编程性,这是嵌入式FPGA市场的主张。

“如果你专注于5G,随着时间的推移,数字前端可能会看起来非常不同,”华为营销副总裁史蒂夫·门索尔(Steve Mensor)说Achronix.“你知道它的功能,但你不知道过滤器,因为它们仍在开发中。有效处理这种情况的唯一方法是使用FPGA。机器学习也是如此。你知道会有很多矩阵乘法,但你不知道神经元权重的规格。最重要的是,算法会改变,你不知道算法会是什么。但如果你有一个卷积神经网络,你要做一个17 x 17的乘数,这可能是多余的。也许你只需要一个8 x 8。这可以大大减少面积和功率。”

另一个问题是找出哪种方法是最好的,因为解决问题的方法太多了,解决老问题的方法也太多了。ArterisIP的Garibay表示:“我们看到了许多新玩家,以及现有玩家为自动驾驶和人工智能等市场提供的新产品。“那里正在形成一个新的次级市场。此外,面向普通市场的ip类型也在迅速变化。问题是它们将如何融入工具链。”

这一点即使在微控制器上也很明显,过去它被认为是标准部件。带片上存储器的旧8位驱动器已经让位于连接到外部存储器的16位和32位设备——以前是MCU和CPU之间的分压器。

Neifert说:“如果你与FPGA公司讨论他们的可编程soc是如何使用的,它可能是一个嵌入式CPU,也可能用于定制MCU。”“这提供了强大的处理能力和额外的编程选项。开发MCU设备的人越来越多地将其视为具有自己生态系统的CPU。其中一个驱动因素是希望最终客户能够在那里安装更多的软件。除此之外,还有安全方面的担忧。您希望能够让客户在不影响安全性的情况下运行他们自己的软件。这也需要新的工具,因为在没有新的工具的情况下添加这些特性是毫无价值的。你需要软件建模能力、编译器和调试器。”

结论
当今半导体生态系统正在发生的变化表明,芯片制造商在如何接近市场以及对他们来说什么是重要的方面发生了根本性的转变。这里有几股力量在起作用:

•越来越多的人认识到,应对市场的最佳方式不一定是最快或最节能的通用处理器。这促使人们转向更加异构的处理、先进的包装,并关注如何以及在何处处理越来越多的数据。
•IP供应商越来越谨慎地考虑哪些工艺节点将有利可图,以保证他们的资源投资,因为现在每个工艺节点都足够不同,不能简单地从一个代工厂的工艺转移到另一个。
•终端市场有足够多的不确定性,架构师们正在重新思考,如果需要根据不断发展的协议、标准或市场需求进行调整,什么会对设计造成最少的干扰。

总的来说,这些都代表了公司如何进行设计的重大转变,最终它们将对工具、IP选择和设计本身的架构产生重大影响。

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