Les années folles pour l'industrie des puces électroniques

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Ingénierie des semi-conducteurs

28 janvier 2021

2020 a été une bonne année pour l'industrie des semi-conducteurs et l'industrie EDA qui l'alimente, mais 2021 a l'opportunité d'être encore meilleure.

De nouveaux marchés d'applications finales continuent de s'ouvrir, et ce qui était autrefois considéré comme des obstacles techniques débouche sur une multitude de solutions innovantes, qui ont toutes besoin d'un outillage approprié. Aucune entreprise ne peut se permettre d'investir partout, et c'est pourquoi les entreprises d'EDA verront leur succès relatif dépendre des décisions qu'elles prendront en matière d'investissement.

De nombreuses tendances de 2020 se poursuivent. "Ce sera une excellente année pour l'avenir", déclare Norman Chang, technologue en chef chez Ansys."Le nombre de personnes travaillant sur la conception de puces est plus important. Les entreprises de systèmes telles que Google, Facebook et Amazon travaillent sur leurs propres puces qui peuvent être utilisées dans les centres de données ou d'autres applications. Cela crée plus d'acteurs dans la conception de puces, ce qui contribue directement au chiffre d'affaires de l'EDA".

La tendance à l'informatique spécifique à l'application s'élargit. "Nous sommes au milieu de la crosse de hockey des conceptions spécifiques aux applications, et cela a un impact sur les exigences de conception", déclare Frank Schirrmeister, directeur principal du groupe, marketing des solutions à Cadence. "Les préoccupations des utilisateurs finaux dans les principaux secteurs verticaux de l'informatique, de la consommation, de la téléphonie mobile, des communications, de l'aérospatiale/défense, de l'automobile, de l'industrie et des soins de santé déterminent les exigences de développement pour les conceptions au niveau de la propriété intellectuelle, de la puce et du système.

Ces conceptions font apparaître un nombre croissant de choix possibles. "Si les applications médicales ont constitué un énorme secteur de croissance pour les semi-conducteurs en 2020, l'IdO a tout ce qu'il faut pour réorganiser la dynamique de l'industrie en 2021", déclare Lucio Lanza, directeur général de Lanza techVentures. "Nous le constatons déjà, car les groupes de projet qui conçoivent de nouveaux systèmes dans les boîtiers et les puces tirent parti d'environnements libres et d'outils de mise en œuvre peu coûteux. Il en résulte une explosion de nouvelles conceptions de puces moins chères et une fourniture beaucoup plus rapide de solutions pour une multitude de nouvelles applications. Les gagnants pourraient, à leur tour, devenir les conceptions de puces haut de gamme de l'avenir".

Numérisation
Bien que la numérisation de l'industrie soit une tendance depuis un certain nombre d'années, le COVID a rapidement accéléré le rythme. "La pandémie a accéléré le besoin de tout numériser, ce qui stimulera la demande d'innovation en matière de circuits intégrés et de systèmes", déclare Joseph Sawicki, vice-président exécutif de Siemens EDA. "Tout sera essentiellement connecté à tout le reste, et nous commencerons à voir l'IA employée de manière plus efficace dans davantage d'applications. Nous devrons également concevoir et tester ces circuits intégrés toujours plus complexes dans le contexte de leurs systèmes finaux et même les surveiller sur le terrain pour atteindre de nouveaux niveaux de sécurité et améliorer la qualité de la conception."

Le travail à domicile a entraîné de nombreux changements. "Je m'attends à ce que beaucoup de choses qui ont été adoptées grâce à COVID restent simplement quotidiennes", déclare Darko Tomusilovic, directeur de la vérification pour Vtool. "Avant de commencer un nouveau projet, vous organisiez des réunions en face à face, puis régulièrement pendant les phases critiques du projet. Plus personne ne s'attend à des réunions en face à face. Le travail à distance est là pour rester. Toutes les conférences sont devenues virtuelles. Notre vie est devenue virtuelle. Tout ce qui peut vous donner un avantage concurrentiel lorsque vous travaillez à domicile a de plus en plus de valeur - une communication plus rapide, de meilleurs moyens de connecter l'équipe, etc.

Pourtant, les interactions en face à face manquent à beaucoup. "Bien qu'il soit trop tôt pour savoir si cela deviendra une réalité, l'industrie des semi-conducteurs est prête à abandonner les événements virtuels et à revenir à des réunions de réseautage en personne ou à une combinaison d'événements virtuels et en direct", déclare Bob Smith, directeur exécutif de ESD Alliance, une communauté technologique de SEMI. "Néanmoins, ceux d'entre nous qui travaillent dans l'industrie continuent d'avancer à distance et depuis leur domicile avec optimisme. Certaines initiatives à l'échelle de l'industrie gagneront en importance en 2021, ce qui attirera l'attention sur les efforts de lutte contre le piratage, les réglementations en matière d'exportation, ainsi que l'éducation et la formation en ligne."

Plus de choix de systèmes
La fabrication et l'emballage surfrent de nombreuses nouvelles options pour la construction des systèmes. "Dans un nombre croissant de cas, les architectes peuvent choisir d'implémenter leurs circuits intégrés dans unsystème en boîtier (SiP), 2.5D, ou dans un arrangement 3D à matrice empilée pour répondre à de nouvelles exigences en matière de puissance, de performance et de surface", déclare M. Sawicki de Siemens. "Il se peut même qu'ils veuillent aller plus loin et passer au nouveau monde des circuits intégrés photoniques, en amenant la fibre directement sur le circuit intégré ou sur une puce dans un SiP pour obtenir des performances de système encore plus élevées.

Ces technologies avancées modifient le tissu de l'industrie. "Les fonderies vont continuer à surfrir de plus en plus de services de conception", déclare Isabelle Geday, vice-présidente et directrice générale de la division Déploiement IP de Arteris IP. "Elles deviendront de super maisons de conception pour faciliter l'intégration dans la chaîne de valeur de nombreux fabricants de systèmes et de sociétés de circuits intégrés de niveau 2.

Ces technologies sont nécessaires pour continuer à faire progresser le nouveau type deloi de Moore . "Nous pouvons nous attendre à de nouvelles avancées dans l'extension de la loi de Moore via la conception d'assemblages de systèmes basés sur chiplets et/ou 3D-IC structures", déclare M. Smith de l'ESD Alliance. "Les nouvelles technologies d'automatisation et de vérification contribueront à faire passer ces nouvelles approches de la périphérie au courant dominant. Nous constatons un intérêt croissant pour les outils d'automatisation et la propriété intellectuelle à source ouverte, avec une adoption dans la formation et l'éducation et potentiellement pour certaines activités de conception dans des technologies matures. Les outils commerciaux et la propriété intellectuelle continueront à briller en servant le marché de la conception au sens large et en contribuant à faire passer les conceptions sous la barre des 5 nm."

Tout cela est motivé par lademande insatiable en matière de calcul. "La demande de performances de calcul accrues dans les domaines du calcul haute performance, de l'accélération de l'IA, des processeurs de jeu et des commutateurs térabits a augmenté au cours des deux dernières années", déclare Tom Wong, directeur du marketing, conception IP chez Cadence. "Cela favorise l'adoption accélérée du silicium 5nm, ainsi que l'augmentation de la taille des puces. Je ne serais pas surpris de voir le 3 nm monter en puissance plus rapidement que les nœuds précédents en 2021 et 2022. Afin de maintenir les compromis entre performance et coût et entre technologie de pointe et délai de mise sur le marché, nous pouvons prédire avec certitude que la connectivité de puce à puce et l'emballage avancé, comme l'interposition 2,5D et TSV , seront de plus en plus acceptés."

Ce qui laisse présager des puces plus grosses. "La complexité de la conception a été poussée à la limite du réticule dans plusieurs industries, alimentée par la nécessité de permettre un matériel/logiciel complexe AI/ML, des communications 5G, la transformation numérique et l'autonomie", explique Schirrmeister de Cadence. "Pour cette complexité, les techniques d'assemblage 3D-IC permettent de maintenir les chiplets individuels dans des paramètres de rendement plus favorables et facilitent la création de nouvelles configurations dérivées plus rapidement sans toucher au silicium sous-jacent. Les défis de développement qui en résultent vont de la vérification à la mise en œuvre numérique et personnalisée, en passant par le développement de logiciels intégrés, l'assemblage, les aspects Lermiques, fluidiques et électromécaniques qui sont tous interdépendants. L'assemblage de nouvelles entités de conception sans impliquer le développeur de matériel en silicium introduira de nouveaux défis de vérification, en particulier au niveau de l'interface matériel/logiciel. En fin de compte, les plates-formes intégrées deviendront de plus en plus une exigence".

Les solutions multi-filières permettront de mettre en place de nouvelles normes de communication. "Nous avons assisté à la prolifération d'interfaces die-to-die et à la disponibilité d'IP die-to-die dans de multiples nœuds de processus", déclare Wong de Cadence. "Par exemple, les solutions parallèles telles que HBM, l'interface série à grande vitesse 112G-XSR, qui est une norme IEEE, et les solutions die-to-die propriétaires à faible latence surfrant la meilleure bande passante par rapport à l'espace réel de la plage. La connectivité "die-to-die" est particulièrement populaire dans les processeurs de serveurs, les processeurs de jeux et les commutateurs/socles térabits. Soyez également attentifs à l'enthousiasme suscité par l'interface HBI (interconnexion à large bande passante), car les responsables des centres de données insistent vraiment sur cette interface pour les communications "die-to-die" (de puce à puce). L'initiative OpenHBI est également très active au sein de l'ODSA. Il pourrait s'agir de la dernière impulsion en faveur de chiplets dotés d'une interface normalisée pour permettre une interopérabilité supérieure à celle des solutions propriétaires.

Cela pourrait nécessiter de nouveaux types de vérification. "Lorsque plusieurs puces se trouvent dans un même boîtier, un émulateur ne s'en préoccupe pas", explique Johannes Stahl, directeur principal du marketing des produits chezSynopsys ( ). "Là où nous commençons à nous préoccuper - et nous avons vu cela émerger en 2020 et cela se concrétisera probablement dans les prochaines années - c'est lorsque nous devons commencer à prêter plus d'attention aux interfaces des puces dans le même boîtier. Vous voulez vous assurer que vous émulez la communication plus étroitement, en allant presque jusqu'à l'émulation complète du signal analogique. Nous avons publié un article à ce sujet en tant que sujet de recherche avec la DARPA il y a quelques années, et maintenant cela arrive dans l'espace commercial. Nous nous attendons à ce que les entreprises s'engagent de plus en plus dans cette voie au cours des prochaines années.

Le mouvement en faveur d'architectures spécifiques à un domaine va se poursuivre. "La demande insatiable de calcul neural network motive déjà la création d'une nouvelle classe de processeurs optimisés spécifiquement pour les réseaux neuronaux", déclare Ian Bratt, membre et directeur principal de la technologie pour Arm. "De nouvelles architectures de processeurs avec des abstractions d'opérations au niveau du tenseur seront présentes dans presque toutes les plates-formes informatiques et exécuteront la majorité des cycles de calcul. Cette nouvelle classe de processeurs permettra d'obtenir des gains d'efficacité de plusieurs ordres de grandeur par rapport aux plates-formes informatiques traditionnelles, annonçant un changement de paysage informatique à l'échelle de l'industrie."

Vérification des étirements
Le paysage de lavérification est également en train de changer. "Les conceptions devenant de plus en plus complexes et connectées, il est de plus en plus nécessaire non seulement de vérifier que vos conceptions de circuits intégrés fonctionnent conformément à vos spécifications, mais aussi de vérifier et de valider qu'elles fonctionnent dans le contexte du système final", explique M. Sawicki. "Cela est particulièrement vrai si le système doit se conformer à un ensemble particulier de protocoles ou de normes, ou si la sûreté et la sécurité sont obligatoires. De plus en plus, pour faire cela correctement, il faut une technologie de vérification et de validation qui dépasse le domaine traditionnel de ce qui a été considéré comme EDA. Les entreprises de systèmes avancés - en particulier celles qui travaillent dans le secteur de l'automobile et des transports - développent des jumeaux numériques qui leur permettent de tester, de déboguer et d'affiner leurs systèmes de manière apprsurondie. Ceux-ci sont exécutés dans le monde virtuel dans les domaines électrique et mécanique avec des données réelles avant de passer à la fabrication. Les jumeaux numériques deviendront encore plus utiles lorsque la conduite autonome sera connectée au réseau d'infrastructures intelligentes."

Cela peut nécessiter de repenser certaines questions. "Le plus grand défi est le système de bout en bout", déclare Colin McKellar, vice-président des plates-formes de vérification chez Imagination Technologies. "Nous devons être en mesure d'examiner l'ensemble de l'écosystème et de dire que nous avons validé ou vérifié que tous ces éléments de sécurité et de sûreté fonctionnelle ont été respectés. Il est très difficile de prouver que vous avez terminé - ou de prouver que lorsque vous passez au niveau supérieur, dans l'application ou dans les usines - que tout ce que vous avez fait est vrai. Le monde de la sécurité fonctionnelle est en train de mûrir, mais il s'agit surtout d'un processus qui vous permet de montrer à un auditeur que vous avez vraiment réfléchi à la question et que vous avez minimisé les risques.

Les architectures AI/ML ont une hiérarchie de besoins en matière de vérification. "Pour ce type de conception, l'une des principales préoccupations est la quantité de logique arithmétique", explique Kiran Vittal, directeur du marketing des produits pour la vérification chez Synopsys. "Ils ont des multiplicateurs et des additionneurs principalement pour les réseaux CNN . Il est très difficile de les valider par simulation et il faudrait des années pour effectuer les simulations nécessaires. Vous avez besoin d'une sorte de vérification d'équivalence qui prend un modèle C et effectue une vérification d'équivalence par rapport à la représentation RTL".

Vous avez ensuite besoin de différents outils qui peuvent prendre une structure régulière de ces cellules vérifiées pour vérifier les capacités au niveau du système. Enfin, vous avez besoin d'un troisième ensemble d'outils pour le mappage du logiciel sur le matériel.

La sécurité impose également des changements. "La sécurité prendra un nouveau sens en 2021", déclare Jay Alexander, vice-président senior et directeur de la technologie chez Keysight. "Les développeurs aborderont les problèmes de sécurité potentiels, y compris les tests de sécurité, beaucoup plus tôt dans le cycle de conception. Une plus grande importance sera accordée à la manière dont les produits seront déployés, à l'utilisation de la technologie sans contact, à la suppression de l'intervention humaine et à l'automatisation complète des réseaux qui s'auto-réparent."

La sécurité exige de nouvelles formes de vérification. "Il existe un besoin émergent d'analyse des canaux latéraux, non seulement pour le SoC, mais aussi pour le 3D-IC", déclare M. Chang d'Ansys. "Nous constatons que de plus en plus d'informations sur les canaux latéraux peuvent provenir de la consommation d'énergie, du bruit d'alimentation, de l'analyse de la tension dynamique, de l'analyse Lermique ou du bruit électromagnétique émanant de la puce. En général, il faut des milliers de cycles ou des millions de paquets de texte brut pour déchiffrer une clé. Les capacités d'analyse des outils sont donc très sollicitées. Lorsque nous signons pour une chute de tension dynamique, nous n'avons besoin que d'une vingtaine de cycles, en nous concentrant sur les cycles de puissance maximale. En revanche, pour une analyse des informations ou des fuites dans les canaux latéraux, il faut des milliers de cycles".

Source ouverte
L'ISA open-source RISC-V a pris l'industrie d'assaut l'année dernière. La vérification est en train de rattraper son retard. "La communauté doit investir dans des normes pour la vérification de ces cœurs de processeurs open-source et personnalisables", déclare Olivera Stojanovic, responsable de la vérification chez Vtool. "Chaque entreprise procède aujourd'hui d'une manière légèrement différente. Avec chaque nouveau projet, nous devons investir trop de temps pour faire fonctionner un scénario de test de base, le compiler et établir une sorte de communication entre le banc d'essai, le processeur et le logiciel qui s'y exécute. Ainsi, même si nous avons tous une méthodologie similaire, en fin de compte, tout le monde fait les choses différemment".

Cela entraîne une bifurcation du marché. "Le marché est divisé en deux parties", explique M. Stahl de Synopsys. "Il y a d'une part le marché des grandes entreprises qui peuvent se permettre d'avoir des experts en processeurs et qui veulent une sorte d'infrastructure autour d'eux pour s'amorcer. Il y a ensuite le marché des entreprises qui n'ont pas d'expertise et qui se contentent d'utiliser l'un des noyaux RISC-V IP disponibles. On s'attend alors à ce que les cœurs soient pré-vérifiés par le fournisseur de la propriété intellectuelle".

Cela crée de nouveaux types d'entreprises de propriété intellectuelle. "L'open source avec des services supplémentaires est le modèle commercial en plein essor pour la propriété intellectuelle du matériel de l'unité centrale", déclare M. Geday d'Arteris. "La réutilisation de la propriété intellectuelle augmentera à mesure que des fonctions hautement sophistiquées et ultra-spécialisées, dont certaines nécessitent une certification, ne pourront pas être conçues par tous les concepteurs de circuits intégrés. Nous en voyons de nombreux exemples dans le domaine de l'intelligence artificielle aujourd'hui.

Gestion du cycle de vie
Le produit n'est plus complet lorsque les puces reviennent de l'usine. "Les entreprises accéléreront les transformations en utilisant des logiciels qui améliorent la productivité, l'efficacité, la précision, la sécurité et le délai de mise sur le marché", déclare M. Alexander de Keysight. "Elles y parviendront en collectant et en acquérant des informations de manière numérique, tout en utilisant des outils d'analyse et de visualisation de données avancés pour obtenir les informations nécessaires à l'accélération de l'innovation."

Ceci est similaire à l'incorporation de la logique pour la conception pour le test. "Un nombre croissant d'entreprises de systèmes commenceront à exploiter les technologies de gestion du cycle de vie du silicium", déclare M. Sawicki de Siemen. "Cela permet aux entreprises d'insérer des blocs IP dans leur conception au cours des premières phases du processus de conception des circuits intégrés. Ces blocs IP surveillent les performances, la consommation d'énergie, les erreurs et même les failles de sécurité à l'intérieur du circuit intégré. Ces informations peuvent être utilisées pour identifier les problèmes et prédire l'usure, déclencher un avertissement pour l'opérateur, programmer une maintenance préventive ou même être utilisées pour affiner la conception et la fabrication des circuits intégrés dérivés ou de la future génération.

La surveillance du silicium devient une extension du jumeau numérique. "Les systèmes de surveillance au silicium permettent de surveiller les points chauds Lermiques, la tension et la latence", explique M. Chang. "Cela surfre une autre possibilité de fournir des jumeaux numériques, de travailler avec des capteurs de surveillance sur le terrain, sur puce ou dans le système. Nous pouvons fournir une solution de simulation, de sorte que lorsque nous constatons un problème provenant des capteurs de surveillance sur le terrain, nous pouvons fournir une solution de diagnostic très rapidement, en combinaison avec la solution de surveillance des capteurs sur le terrain.

L'accent mis sur les logiciels
De plus en plus de fonctionnalités proviennent des logiciels. "La demande de logiciels dépasse les méthodes traditionnelles de développement", déclare Mark Hambleton, vice-président chargé des logiciels chez Arm. "Au fil du temps, nous passerons du développement d'applications au développement d'outils capables de développer des applications en notre nom.

Ce niveau de fonctionnalité nécessitera quelques changements. "Jusqu'à l'année dernière, la puissance de l'adaptabilité du matériel était inaccessible au développeur de logiciel moyen et au scientifique de l'IA", déclare Nick Ni, directeur du marketing produit pour l'IA et le logiciel chez Xilinx. "Une expertise matérielle spécifique était nécessaire, mais de nouveaux outils open-source permettent aux développeurs de logiciels de disposer d'un matériel adaptable, tout en accélérant la productivité des concepteurs de matériel". En 2021, grâce à cette nouvelle facilité de programmation, les FPGA et les SoC adaptables continueront à devenir plus accessibles pour des centaines de milliers de développeurs de logiciels et de scientifiques de l'IA, ce qui en fera la solution matérielle de choix pour les applications de nouvelle génération."

Nos environnements de travail virtuels poussent également à intégrer davantage de fonctionnalités dans les logiciels. "Une main-d'œuvre hybride, la distanciation sociale et d'autres dilutions des efforts de travail historiques accéléreront la mise en œuvre de logiciels pour la conception et le développement de produits", explique M. Alexander. "Les processus pilotés par des logiciels joueront un rôle énorme en 2021. La conception des produits, la recherche et le développement, les essais, la fabrication et la production, ainsi que le diagnostic des pannes seront réalisés à distance grâce à des solutions logicielles. Les entreprises s'appuieront sur des logiciels pour soutenir une main-d'œuvre à distance en tirant parti du nuage et en fournissant des capacités de calcul avancées. Les engagements marketing, les interactions avec les clients et l'assistance à la clientèle seront tous au centre des transformations numériques en 2021. Une plus grande personnalisation du marketing et de la communication est assurée."

Les start-ups, la Chine et les gens
Les événements de ces deux dernières années ont transformé l'industrie de plusieurs façons. "L'un des domaines que nous devons surveiller est le nombre destartups dans la Silicon Valley ou ailleurs", déclare M. Chang. "Cela est dû à la COVID-19. Il est plus difficile de voir les fondateurs, et si vous voulez leur donner une grosse somme d'argent, vous voulez voir leur visage. Vous voulez sentir leur personnalité. C'est devenu plus difficile, et je pense que nous verrons une réduction en 2020 par rapport à 2019. Ensuite, nous devrons voir s'il y aura une nouvelle réduction en 2021."

La politique est importante. "Les dirigeants politiques vont et viennent", déclare Graham Kill, président exécutif de Cylynt. "Pendant leur mandat, les guerres commerciales vont et viennent. Ce qui est constant, c'est la compétitivité nationale à l'échelle mondiale. En 2020, les acteurs ont continué à acquérir ouvertement et secrètement de la propriété intellectuelle parrainée par l'État, y compris par ceux qui aspirent à "monter en gamme" et, plus tard, à dominer des domaines technologiques clés, tels que la fabrication de silicium. En 2021, nous pourrions voir les fruits de leur travail d'acquisition de propriété intellectuelle commencer à se manifester. La partie émergée de l'iceberg pourrait être révélée, mais la glace sous la ligne de flottaison pourrait n'être pleinement comprise que dans les années à venir."

Sur le plan international, la Chine est à surveiller. "La Chine sera le moteur de la croissance", affirme M. Geday. "Les start-ups se multiplient dans tous les segments de l'industrie et les initiatives gouvernementales contribuent à financer les plates-formes EDA. La Chine cherche à s'affranchir des pays occidentaux et redessine donc un grand nombre de SoC existants."

Cette situation affecte également le réservoir de main-d'œuvre. "Nous avions l'habitude de faire venir de nouveaux designers de Chine, de Taïwan et d'Inde", explique M. Chang. "Ils fournissaient beaucoup de jeunes diplômés et avaient reçu une très bonne éducation dans les universités américaines. Mais avec les politiques existantes, certaines des personnes que les entreprises pouvaient embaucher étaient interdites. Cela signifie que les entreprises doivent être flexibles et travailler avec des ingénieurs en Chine ou en Inde. Certaines entreprises ont mieux géré cette situation que d'autres, mais nous espérons que cette politique s'inversera et que davantage d'ingénieurs viendront de Chine, d'Inde ou de Taïwan et qu'ils pourront être employés localement aux États-Unis.