(408) 844-7100 チップ産業にとっての20年代
Semiconductor Engineering
2021年1月28日
2020年は半導体業界とそれを支えるEDA業界にとって良い年でしたが、2021年はさらに良くなるチャンスがあります。
新しいエンド アプリケーション市場が次々と開拓され、かつては技術的なハードルとみなされていたものが、さまざまな革新的なソリューションを生み出していますが、そのすべてに適切なツールが必要です。あらゆる場所に投資できる余裕のある企業はないため、EDA 企業にとって、相対的な成功はどこに投資するかという決定に左右されます。
2020年からの多くのトレンドは継続します。「今年は素晴らしい一年になるでしょう」と Ansysのチーフ テクノロジスト、ノーマン チャン氏は言います。「チップ設計に携わる人が増える。Google、Facebook、Amazonなどのシステム企業は、データセンターやその他のアプリケーションで使用できる独自のチップに取り組んでいます。それがチップ設計のプレーヤーを増やし、EDAの収益に直接貢献している」
アプリケーション固有のコンピューティングへの動きは拡大しています。「私たちは、アプリケーション固有の設計のホッケースティックの真っ只中にあり、これが設計要件に影響を与えています」と、Cadence のソリューション マーケティング担当シニア グループ ディレクターであるフランク シルマイスター 氏は述べています。「コンピューティング、コンシューマー、モバイル、通信、航空宇宙/防衛、自動車、産業、ヘルスケアなどの主要な業界分野におけるエンド ユーザーの懸念が、IP、チップ、システム レベルでの設計の開発要件を決定します」
このような設計では、選択の幅が広がっている。Lanza techVenturesのマネージング ディレクターであるルチオ ランツァ氏は、「2020年に医療用途が半導体の大きな成長分野であったとすれば、IoTは2021年に業界の力学を再編成するあらゆる要素を備えている」と語ります。「パッケージやチップで新しいシステムを設計するプロジェクトグループが、オープンソース環境や低コストの実装ツールを活用しているのを、私たちはすでに目にしています。その結果、新しい、より安価なチップ設計が爆発的に増え、多くの新しいアプリケーションをターゲットにしたソリューションがはるかに迅速に提供されるようになる。その勝者が、未来のハイエンド チップ設計となるかもしれない」
デジタル化
業界のデジタル化は数年来のトレンドであったが、COVIDはそのペースを急速に加速させました。「パンデミックは、あらゆるものをデジタル化する必要性を加速させ、ICやシステムのさらなる革新への需要を促進するでしょう」と、 Siemens EDAのエグゼクティブ バイスプレジデントであるジョセフ サウィッキ氏は言います。「あらゆるものが他のあらゆるものに接続されるようになり、より多くのアプリケーションでAIがより効果的に採用されるようになるでしょう。我々はまた、新しいレベルの安全性を達成し、設計品質を向上させるために、エンドシステムのコンテキストで、これらのますます複雑なICを設計し、テストし、さらにはフィールドでそれらを監視する必要があります」
在宅勤務は多くの変化をもたらしました。「COVIDによって採用された多くのことが、単に日常的なこととして残るだろうと期待しています」と、Vtool の検証ディレクター、ダーコ トムシロヴィッチは言います。「新しいプロジェクトを始める前には対面ミーティングを行い、プロジェクトの重要な局面では定期的にミーティングを行う。新しいプロジェクトを始める前には、顔を合わせてミーティングを行い、プロジェクトの重要な局面では定期的にミーティングを行う。リモートワークが主流です。すべての会議はバーチャルになった。私たちの生活はバーチャルになった。より迅速なコミュニケーション、チームをつなぐより良い方法、そういったものです」
それでも、対面での交流を懐かしむ人は多いです。「これが現実になるかどうかを知るのは時期尚早ですが、半導体業界はバーチャルイベントから脱却し、対面でのネットワーキング ミーティング、あるいはバーチャルとライブの組み合わせに移行する準備が整っています」と、SEMI技術コミュニティであるESD Allianceのエグゼクティブ ディレクター、ボブスミス氏は言います。「それでも、私たち業界関係者は、楽観的な気持ちで遠隔地や自宅から前進を続けています。2021年には、海賊版対策や輸出規制、包括的なオンライン教育やトレーニングなど、業界全体の取り組みがさらに注目されるでしょう」
システムの選択肢を増やす
製造とパッケージングにより、システムの構築方法に多くの新しい選択肢が加わります。新しい電力、性能、面積の要件を満たすために、システム インパッケージ（SiP）、 2.5D、またはスタックダイ3D配置でICを実装することを選択するケースも増えています」とSiemensのサウィッキ氏は言います。「彼らはさらにその先に進み、フォトニックICの新しい世界に移行し、ファイバーをICやSiP上のダイに直接接続することで、さらに高いシステム性能を達成したいと考えるかもしれません」
これらの高度なテクノロジーは、業界の構造を変えつつあります。「ファウンドリは、今後もさらに多くの設計サービスを提供し続けるでしょう」と、 Arteris IP のIP展開部門の副社長兼ゼネラル マネージャーであるイザベル ゲダイ 氏は言います。「ファウンドリは、多くのシステム ハウスや Tier 2 IC 企業のバリュー チェーン内での統合を支援するスーパー デザイン ハウスになるでしょう。」
これらの技術は、新しい種類の ムーアの法則を進展させ続けるために必要なものです。「チップレット および/または 3D-IC 構造に基づくシステム・アセンブリの設計を通じて、ムーアの法則を拡張するためのさらなる進出が期待できます」とESDアライアンスのスミス氏は言います。「新しい自動化技術や検証技術は、このような新しいアプローチを主流へと押し上げる一助となるでしょう。オープンソースの自動化ツールや IP は、トレーニングや教育で採用され、成熟した技術にお ける一部の設計活動で採用される可能性があり、関心が高まっています。商用ツールとIPは、より広範な設計市場に貢献し、5nm以下の設計を推進するのに役立つため、今後も輝き続けるでしょう」
これはすべて、コンピュートに対する飽くなき需要に後押しされています。「ハイパフォーマンス コンピューティング、AIアクセラレーション、ゲーミング プロセッサー、テラビット スイッチにおけるコンピュート性能の向上に対する需要は、ここ数年で高まっています。「5nmシリコンの採用が加速し、ダイサイズの大型化が進んでいます。2021年、2022年には、3nmがそれ以前のノードを上回る速度で成長しても不思議ではありません。性能対コスト、最先端技術対市場投入期間のトレードオフを維持するために、ダイ間接続や、2.5DインターポーザーやTSVのような先進パッケージングがさらに受け入れられるようになることは間違いないでしょう」とCadenceのデザイン IP マーケティング ディレクター、トム ウォン氏は言います。
それは、チップの大型化を指し示しています。「複雑なAI/MLハードウェア/ソフトウェア、5G通信、デジタルトランスフォーメーション、自律性を実現する必要性に後押しされ、いくつかの業界では設計の複雑さがレチクルの限界まで押し上げられています」とCadenceのシルルマイスター氏は言います。「3D-ICアセンブリ技術により、個々のチップレットをより有利な歩留まりパラメータに収めることが可能になり、基盤となるシリコンに触れることなく、新しい派生コンフィギュレーションを迅速に作成できるようになります。その結果、開発上の課題は、検証からデジタルおよびカスタム実装、組込みソフトウェア開発、アセンブリ、熱、流体、電気機械的な側面にまで及び、これらはすべて相互に依存している。シリコン・ハードウエア開発者を介さずに新しいデザイン・エンティティを組み立てることは、特にハードウエア／ソフトウエアのインターフェースにおいて、新たな検証上の課題をもたらすことになる。結論として、統合プラットフォームはますます必須要件となるだろう」
マルチ ダイ ソリューションは新しい通信規格を推進します。「我々は、ダイ ツー ダイ インターフェースの普及と、複数のプロセス ノードにおけるダイ ツー ダイIPの利用可能性を目の当たりにしてきました。」「例えば、HBMのようなパラレル ソリューションや、IEEE標準である112G-XSR高速シリアル インターフェース、ビーチフロントの不動産あたり最高の帯域幅を提供する独自の低レイテンシ ダイ ツー ダイ ソリューションなどです。ダイ ツー ダイ接続は、サーバーCPU、ゲーミング プロセッサー、テラビット スイッチ/SoCで特に人気がある。また、HBI（高帯域幅インターコネクト）インターフェイスをめぐる盛り上がりにも注目してください。ODSAでは、OpenHBIイニシアチブの活動も活発です。これは、業界標準のインターフェイスを持つチップレットを最終的に推し進めるもので、プロプライエタリなソリューション以上の相互運用性を可能にするかもしれません」とCadenceのウォン氏は言います。
このため、新たな検証が必要になるかもしれません。Synopsys のプロダクト マーケティング担当シニア ディレクター、ヨハネス スタール氏は、「複数のチップが1つのパッケージに搭載されている場合、エミュレータは気にしません」「私たちが気にし始めるのは、同じパッケージ内のチップ インターフェイスにもっと注意を払う必要があるときです。これは 2020 年に現れ、おそらく今後数年で実現するでしょう。通信をより忠実にエミュレートし、完全なアナログ信号のエミュレーションを実現したいのです。私たちは数年前にDARPAの研究テーマとしてその論文を発表しました。今後数年間で、企業がますますこのようなことを行うようになると予想されます」
ドメインに特化したアーキテクチャを求める動きは今後も続くでしょう。「ニューラルネットワークの計算に対する飽くなき要求は、すでにニューラルネットワークに特化して最適化された新しいクラスのプロセッサを生み出す動機となっています」と、Armのフェロー兼技術担当シニア ディレクターであるイアン ブラット氏は言います。「テンソルレベルの演算を抽象化した新しいプロセッサ アーキテクチャは、ほぼすべてのコンピューティング プラットフォームに搭載され、コンピューティング サイクルの大半を実行するようになるでしょう。この新しいクラスのプロセッサーは、従来のコンピューティング プラットフォームと比較して、桁違いの効率向上を達成し、コンピューティング ランドスケープにおける業界全体のシフトの到来を告げるものです」
ストレッチの検証
検証の状況も変化しています。「設計がより複雑化し、接続されるようになるにつれ、IC設計が仕様どおりに機能することを検証するだけでなく、エンドシステムのコンテキストで機能することを検証し、妥当性を確認する必要性が高まっています」とサウィッキ氏は言います。「システムが特定のプロトコルや規格に準拠する必要がある場合や、安全性やセキュリティが必須である場合は特にそうです。これを正確に行うには、従来のEDA の領域を超えた検証・妥当性確認技術がますます必要になっている。先進的なシステム企業（特に自動車/輸送機器業界）は、システムを徹底的にテストし、デバッグし、改良できるデジタル ツインを開発している。これらは、製造に着手する前に、現実世界の入力を使用して、電気および機械の領域全体にわたる仮想世界で実行されます。デジタルツインは、自律走行がスマートインフラストラクチャのグリッドに接続されるにつれて、さらに有用になるだろう」
そのためには、いくつかの問題を再考する必要があるかもしれません。イマジネーション テクノロジーズの検証プラットフォーム担当バイス プレジデントであるコリン マッケラー氏は、「最大の課題は、エンド ツー エンドのシステムです」と言います。「エコシステム全体を指し示し、セキュリティと機能安全の要素がすべて満たされていることを検証または確認したと言えるようにする必要があります。完了したことを証明するのは非常に難しく、また、次のレベル、アプリケーションや工場に進んだときに、行ったことがすべて正しいことを証明するのも難しい。機能安全の世界は成熟しつつありますが、そのほとんどは、監査人に対して、本当にこのことを考え、リスクを最小限に抑えたことを示すことができるプロセスに関するものです」
AI/MLアーキテクチャには、階層的な検証ニーズがあります。Synopsysの検証担当プロダクト マーケティング ディレクターであるキラン ヴィタル氏は述べました。「この種の設計では、算術ロジックの量が最大の懸念事項の1つです」「主にCNNネットワーク用の乗算器と加算器があります。これらをシミュレーションで検証するのは非常に難しく、必要なシミュレーションを行うには何年もかかる。C言語モデルを用いてRTL表現との等価検証を行う、ある種の等価検証が必要です」
次に、システムレベルの能力を検証するために、検証されたセルの規則的な構造を取ることができる別のツールが必要になります。そして最後に、ソフトウェアがハードウェアにマッピングされるときのために、第3のツールが必要になります。
セキュリティも変化を余儀なくされています。「2021年、セキュリティは新たな意味を持つでしょう」と、Keysightのシニア バイス プレジデント兼最高技術責任者（CTO）のジェイ アレキサンダーは言います。「開発者は、セキュリティ テストを含め、潜在的なセキュリティ問題に設計サイクルのかなり早い段階で対処するようになるでしょう。製品の導入方法、タッチレスや非接触技術の使用、人的介入の排除、自己修復するネットワークの完全自動化がより重視されるでしょう」
セキュリティは、新しい検証方法を必要としています。「SoCだけでなく、3D-ICでも重要なサイドチャネル解析の必要性が高まっています」とAnsysのチャン氏は言います。「消費電力、電力ノイズ、ダイナミック電圧解析、熱解析、チップから発生する電磁ノイズから、より多くのサイドチャネル情報が漏れる可能性があることが分かっています。通常、鍵の解読には数千サイクル、数百万パケットのプレーンテキストが必要です。そのため、ツールの解析能力には大きな負荷がかかります。ダイナミック電圧降下のサインオフを行う場合、ピークパワーサイクルを中心に20サイクル程度で済みます。しかし、サイドチャネル情報解析やサイドチャネルリーク解析には、数千サイクルが必要です」
オープンソース
RISC-VオープンソースISAは昨年、業界を席巻しました。検証は追いつこうとしています。「コミュニティは、オープンソースでカスタマイズ可能なCPUコアの検証のための標準に投資する必要があります」と、Vtoolのシニア検証マネージャーであるオリベラ ストヤノビッチ氏は言う。「現在、どの企業も少しずつ異なる方法で検証を行っています。新しいプロジェクトを立ち上げるたびに、基本的なテストケースを実行し、コンパイルし、テストベンチとプロセッサ、その上で動作するソフトウェアとの間で何らかの通信を確立するために、多くの時間を費やさなければなりません。だから、同じような方法論を持っていても、結局はみんなやり方が違うんです」
そのため、市場が二分化しています。「市場は2つの領域に分かれています」Synopsysのスタール氏は述べています。「1つは、プロセッサの専門家を抱える余裕のある大手企業で、自社を立ち上げるために何らかのインフラを必要としている。もう1つは、専門知識を持たない企業が、利用可能なRISC-V IPコアの1つを使用する市場です。その場合、コアはIPプロバイダーによって事前に検証されていることが期待される」
これにより、新しいタイプのIP企業が生まれつつあります。「サービスを付加したオープンソースは、CPUハードウェアIPの新進気鋭のビジネスモデルです」とArterisのゲダイ氏は言います。「IPの再利用は、すべてのSoC設計者が設計できないような、高度に洗練された超特殊機能（認証が必要なものもある）として成長するだろう。今日のAI分野では、このような例が多く見られます」
ライフサイクル管理
チップを製造工場から戻した時点で、製品は完成しているわけではありません。「企業は、生産性、効率性、正確性、セキュリティ、市場投入までの時間を改善するソフトウェアを使用して、変革を加速させるでしょう」とKeysightのアレキサンダー氏は言います。「企業は、デジタルで情報を収集して取得し、高度な分析とデータ視覚化を組み合わせて、イノベーションを加速するために必要な洞察を獲得することでこれを実現します」
これは、テストのための設計にロジックの組み込みに似ています。「今後、シリコン ライフサイクル管理技術を活用するシステム企業が増えていくでしょう」とSiemensのサウィッキ氏は言います。「これにより、IC設計プロセスの初期段階でIPブロックを設計に組み込むことが可能になります。これらのIPブロックは、IC内部の性能、消費電力、エラー、さらにはセキュリティ侵害などを監視する。この情報は、問題の特定や摩耗の予測、オペレーターへの警告のトリガー、予防保守のスケジュール、あるいは派生/次世代ICの設計や製造のさらなる改良に使用することができます」
シリコン監視はデジタルツインの延長となります。「シリコン監視システムは、熱ホットスポット監視、電圧監視、およびレイテンシ監視を提供します」とチャン氏は言います。「これにより、オンチップまたはシステム内の現場監視センサーと連携してデジタルツインを提供する新たな機会が生まれます。現場監視センサーから問題が見つかった場合、現場センサー監視ソリューションと組み合わせて、非常に迅速に診断ソリューションを提供できるシミュレーションソリューションを提供できます」
ソフトウェアへの注目
ソフトウエアがもたらす機能はますます増えています。「ソフトウェアの需要は、従来の開発方法を上回っています」と、Arm社のソフトウェア担当副社長であるマーク ハンブルトン氏は言います。「時代が進むにつれて、我々はアプリケーションの開発から、我々の代わりにアプリケーションを開発してくれるツールの開発へとシフトしていくだろう」
そのレベルの機能を実現するには、いくつかの変更が必要になります。「昨年まで、ハードウェアの適応性の力を解き放つことは、平均的なソフトウェア開発者や AI 科学者には不可能でした」と、Xilinx のAI ソフトウェア担当プロダクト マーケティング ディレクター、ニック ニー氏は言います。「特定のハードウェアの専門知識が必要でしたが、新しいオープンソース ツールにより、ソフトウェア開発者は適応性の高いハードウェアを利用できるようになるとともに、ハードウェア設計者の生産性が向上しています。2021 年には、この新しいプログラミングの容易さにより、FPGA と適応性の高い SoC は、数十万人のソフトウェア開発者や AI 科学者にとってさらに利用しやすくなり、次世代アプリケーションに最適なハードウェア ソリューションになるでしょう」
私たちのバーチャルな作業環境は、ソフトウェアにより多くの機能を押し込んでいます。「ハイブリッドな労働力、社会的距離の縮小、その他の歴史的な仕事への取り組みの希薄化によって、製品設計と開発のためのソフトウェア化が加速するでしょう」とアレクサンダー氏は言います。「2021年には、ソフトウェア主導のプロセスが大きな役割を果たすでしょう。製品設計、研究開発、テスト、製造・生産、診断トラブルシューティングは、ソフトウェア主導のソリューションによって遠隔で行われるようになるでしょう。企業はクラウドを活用し、高度な計算能力を提供することで、遠隔地の労働力をサポートするソフトウェアに依存するようになる。2021年には、マーケティング、顧客対応、顧客サポートが、それぞれデジタル変革の中心になる。マーケティングとコミュニケーションにおけるパーソナライゼーションの拡大は確実である」
スタートアップ、中国、そして人々
ここ2、3年の出来事によって、この業界はいくつかの点で変貌を遂げつつあります。「私たちが注目しなければならない分野のひとつは、シリコンバレーやその他の場所でのスタートアップの数です」とチャン氏は言います。「これはCOVID-19によるものです。創業者の顔を見ることが難しくなり、もし彼らにまとまった資金を提供したいのであれば、彼らの顔を見たい。彼らの人柄を感じたいのです。これはより難しくなっており、2020年には2019年よりも減少すると思います。そして、2021年にさらに減少するかどうかを見極める必要がある」
政治は重要です。「政治指導者は行ったり来たりするものだ」とCylyntのグラハム キル会長は言います。「彼らの在任中、貿易戦争は盛んになったり衰退したりする。不変なのは、世界規模での国家競争力である。2020年には、シリコン製造などの主要技術分野を "レベルアップ "し、後に支配することを目指す企業も含め、プレーヤーによる国家主導の知財買収があからさまに、そして秘密裏に継続された。2021年には、知財「調達」の成果がさらに顕在化し始めるだろう。氷山の一角が明らかになるかもしれないが、水面下の氷が完全に理解できるようになるのは、それ以降の年になるかもしれない」
国際的に注目すべきは中国です。「成長を牽引するのは中国でしょう」とゲデイ氏は言います。「中国はあらゆる産業分野で新興企業が急増しており、政府の主導でEDAプラットフォームに資金が供給されている。中国は欧米諸国からの独立を求めており、そのため既存のSoCの多くを再設計しています」
これは労働力プールにも影響を及ぼしています。「以前は中国、台湾、インドから新しいデザイナーが来ていました」とチャン氏は言います。「彼らは米国の大学で非常に優秀な教育を受けていました。しかし、既存の政策では、企業が雇用できる人材の一部は禁止されていました。つまり、企業は柔軟に対応しなければならず、中国やインドのエンジニアと仕事をしなければいけません。そのためには、エンジニアが米国外で働けるようにするための、非常に優れたリモート オフィスの方法論が必要です。一部の企業は、他の企業よりもうまくこの方法を管理していますが、願わくば、この政策が逆になり、中国やインド、台湾から、米国で現地採用できるエンジニアが増えることを願っています。