芯片业咆哮的 20 年代

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半导体工程

2021 年 1 月 28 日

2020 年对于半导体行业和推动半导体行业发展的 EDA 行业来说是个好年头，但 2021 年有机会变得更好。

新的终端应用市场不断涌现，曾经被视为技术障碍的问题正导致众多创新解决方案的出现，而所有这些解决方案都需要合适的工具。任何公司都不可能处处投资，因此，对于 EDA 公司来说，他们的成功与否将取决于他们在投资领域的决策。

2020 年的许多趋势仍在继续。" Ansys 的首席技术专家 Norman Chang 说："这将是极好的一年。"从事芯片设计的人越来越多。谷歌、Facebook 和亚马逊等系统公司正在开发自己的芯片，这些芯片可用于数据中心或其他应用。这就为芯片设计创造了更多的参与者，直接促进了 EDA 的收入。"

对特定应用计算的推动正在扩大。" Cadence 公司解决方案营销高级小组总监 Frank Schirrmeister 说："我们正处于特定应用设计的冰棍时期，这对设计要求产生了影响。"计算、消费、移动、通信、航空航天/国防、汽车、工业和医疗保健等主要垂直行业的最终用户关注点决定了对IP、芯片和系统级设计的开发要求"。

可供选择的设计越来越多。"Lanza techVentures 的总经理 Lucio Lanza 说："如果说医疗应用是 2020 年半导体的一个巨大增长领域，那么物联网则完全有可能在 2021 年重新安排行业动态。Lanza techVentures 总经理 Lucio Lanza 说："我们已经看到，设计封装和芯片新系统的项目组正在利用开源环境和低成本实施工具。其结果是，新的、更便宜的芯片设计层出不穷，针对大量新应用的解决方案交付速度也快得多。胜出者可能反过来成为未来的高端芯片设计"。

数字化
虽然行业数字化已成为一种趋势多年，但 COVID 却迅速加快了这一步伐。" 西门子 EDA 执行副总裁 Joseph Sawicki 说："大流行病加速了一切数字化的需求，这将推动集成电路和系统的进一步创新。西门子 EDA 执行副总裁 Joseph Sawicki 说："从根本上讲，一切都将与其他一切相连，我们将开始看到人工智能在更多应用中发挥更大的功效。我们还需要在终端系统的背景下设计和测试这些日益复杂的集成电路，甚至在现场对其进行监控，以达到新的安全水平并提高设计质量。"

在家办公带来了许多变化。" Vtool 的验证主管 Darko Tomusilovic 说："我预计，许多因 COVID 而采用的做法将继续成为日常工作。"在开始一个新项目之前，你会召开面对面的会议，然后在项目的关键阶段定期召开会议。现在已经没有人指望面对面的会议了。远程工作将继续存在。所有会议都变成了虚拟会议。我们的生活也变得虚拟起来。任何能让你在在家工作时获得竞争优势的东西都越来越有价值--更快的沟通、连接团队的更好方式，诸如此类。

不过，许多人还是怀念面对面的交流。" ESD联盟（SEMI 技术社区）执行董事鲍勃-史密斯（Bob Smith）说："虽然现在知道这是否会成为现实还为时尚早，但半导体行业已经准备好从虚拟活动过渡回面对面的网络会议或虚拟与现场活动相结合的方式。"尽管如此，我们这些业内人士仍然乐观地通过远程或在家的方式继续向前推进。2021 年，一些全行业的倡议将得到进一步关注，这需要关注反盗版工作、出口法规以及全面的在线教育和培训"。

更多系统选择
制造和封装为如何构建系统增加了许多新的选择。"西门子的 Sawicki 说："在越来越多的情况下，架构师可能会选择在 系统级封装 (SiP)、 2.5D 或堆叠裸片 3D 布局中实现集成电路，以达到新的功率、性能和面积要求。西门子的 Sawicki 说："他们甚至可能想超越这一点，进入光子集成电路的勇敢新世界，将光纤直接连接到集成电路或 SiP 上的芯片上，以实现更高的系统性能"。

这些先进技术正在改变整个行业的结构。" Arteris IP 公司副总裁兼IP 部署部总经理 Isabelle Geday 说："代工厂将不断提供越来越多的设计服务。"他们将成为超级设计公司，帮助许多系统公司和二级集成电路公司整合价值链。

这些技术是不断推进新型 摩尔定律所必需的。"ESD Alliance 的 Smith 说："通过基于 chiplets 和/或 3D-IC 结构的系统组件设计，我们有望看到在扩展摩尔定律方面取得进一步进展。"新的自动化和验证技术将有助于推动这些新方法从边缘走向主流。我们看到开源自动化工具和 IP 在培训和教育领域的应用兴趣与日俱增，并有可能用于成熟技术的某些设计活动。商业工具和 IP 将继续大放异彩，因为它们服务于更广泛的设计市场，并有助于推动 5 纳米以下的设计。

这一切都源于 对计算的无限需求 。"Cadence公司设计IP市场总监Tom Wong表示："过去几年，高性能计算、人工智能加速、游戏处理器和太比特交换机对更高计算性能的需求不断增加。Cadence 设计 IP 营销总监 Tom Wong 说："这推动了 5nm 硅技术的加速应用，同时也推动了芯片尺寸越来越大。如果在 2021 年和 2022 年看到 3 纳米的发展速度超过之前的节点，我也不会感到惊讶。为了在性能与成本、尖端技术与上市时间之间保持权衡，我们可以肯定地预测，晶粒与晶粒之间的连接以及先进的封装（如 2.5D interposer 和 TSV ）将进一步得到认可。"

这说明芯片需要更大。"Cadence公司的Schirrmeister说："由于需要实现复杂的AI/ML硬件/软件、5G通信、数字化转型和自主性，一些行业的设计复杂性已经达到了微粒极限。"针对这种复杂性，3D-IC 组装技术能够将单个芯片保持在更有利的良率参数范围内，并在不接触底层芯片的情况下更快地创建新的衍生配置。由此带来的开发挑战包括从验证到数字和定制实施、嵌入式软件开发、组装、热学、流体学和机电方面，所有这些方面都是相互依存的。在没有硅硬件开发人员参与的情况下组装新的设计实体将带来新的验证挑战，尤其是在硬件/软件接口方面。总之，集成平台将日益成为一种需求。

多芯片解决方案将推动新的通信标准。"Cadence 的 Wong 说："我们见证了芯片到芯片接口的激增，以及芯片到芯片 IP 在多个工艺节点上的可用性。"例如，像 HBM 这样的并行解决方案、作为 IEEE 标准的 112G-XSR 高速串行接口，以及专有的低延迟芯片到芯片解决方案，都能提供最佳的带宽。芯片到芯片连接在服务器 CPU、游戏处理器和太比特交换机/SoC 中尤其流行。此外，HBI（高带宽互联）接口也很受欢迎，因为数据中心正在大力推动芯片到芯片的通信。ODSA 在 OpenHBI 计划方面也开展了大量活动。这可能是对采用行业标准接口的芯片的最终推动，以实现比专有解决方案更多的互操作性"。

这可能需要新型验证。" Synopsys 产品营销高级总监 Johannes Stahl 说："当多个芯片封装在一个封装中时，仿真器并不关心。"我们在 2020 年看到了这一趋势的出现，并可能在未来几年内取得成果。你要确保更紧密地模拟通信，几乎达到完全模拟信号的程度。几年前，我们与美国国防部高级研究计划局（DARPA）共同发表了一篇关于这一研究课题的论文，现在这一课题已经进入商业领域。我们预计，在未来几年内，将有越来越多的公司这样做。

对特定领域架构的推动仍将继续。" Arm 研究员兼高级技术总监伊恩-布拉特（Ian Bratt）说："对 神经网络 计算的不满足需求已经为专门针对神经网络优化的新型处理器提供了动力。"具有张量级运算抽象的新型处理器架构将出现在几乎每一个计算平台上，运行大部分计算周期。与传统计算平台相比，这种新型处理器将实现数量级的效率提升，预示着整个行业的计算格局将发生转变。"

拉伸验证
验证 格局也在发生变化。"Sawicki 说："随着设计变得越来越复杂，连接性越来越强，我们不仅需要验证集成电路设计的功能是否符合规格要求，还需要验证和确认它们是否能在终端系统的环境中运行。Sawicki 说："如果系统需要符合一套特定的协议或标准，或者如果安全和保安是强制性的，情况就更是如此。要正确地做到这一点，需要超越传统 EDA 领域的验证和确认技术。先进系统公司，尤其是汽车/运输行业的公司，正在开发数字孪生系统，以便对系统进行全面测试、调试和改进。 数字双胞胎 随着自动驾驶与智能基础设施网络的连接，数字双胞胎将变得更加有用"。

这可能需要重新思考一些问题。"最大的挑战是端到端系统，"Imagination Technologies 验证平台副总裁 Colin McKellar 说。"我们需要能够指向整个生态系统，说我们已经验证或核实了所有这些安全和功能安全要素。要证明你已经完成了，或者证明当你进入下一阶段，进入应用或工厂时，你所做的一切都正确无误是非常困难的。功能安全的世界正在走向成熟，但大部分都是关于一个过程，你可以向审核员证明你真的考虑到了这一点，而且你已经将风险降到了最低。

AI/ML 架构的验证需求具有层次性。"Synopsys 公司验证产品营销总监 Kiran Vittal 说："对于这类设计，最大的问题之一是算术逻辑的数量。"他们的乘法器和加法器主要用于 CNN 网络。在仿真中验证这些功能非常困难，需要花费数年时间进行必要的仿真。你需要某种等效性检查，它可以采用 C 模型，并根据 RTL 表示执行等效性检查。"

然后，你需要不同的工具，利用这些已验证单元的常规结构来验证系统级功能。最后，当软件映射到硬件上时，还需要第三套工具。

安全也在推动变革。"Keysight 高级副总裁兼首席技术官 Jay Alexander 说："2021 年，安全将被赋予新的含义。"开发人员将在设计周期的更早阶段解决潜在的安全问题，包括安全测试。将更加重视产品的部署方式、非接触式和非接触式技术的使用、消除人工干预以及可自我修复的全自动网络。"

安全需要新形式的验证。"Ansys 的 Chang 说："侧信道分析的需求正在出现，这不仅适用于 SoC，对 3D-IC 也很重要。"我们发现，更多的侧信道信息可能会从功耗、电源噪声、动态电压分析、热分析或芯片发出的电磁噪声中泄露出来。通常，破解一个密钥需要数千个周期或数百万个纯文本数据包。因此，这对工具的分析能力提出了很高的要求。当我们签收动态压降时，我们只需要大约 20 个周期，重点是峰值功率周期。但是，对于侧信道信息分析或侧信道泄漏分析，则需要数千个周期。

开放源代码
RISC-V 开源 ISA 去年在业界掀起了一场风暴。验证工作正在迎头赶上。"Vtool 高级验证经理 Olivera Stojanovic 说："社区需要投资于这些开源、可定制 CPU 内核的验证标准。"如今，每家公司的做法都略有不同。对于每一个新项目，我们都必须投入大量时间来运行基本的测试用例、进行编译、在测试平台和处理器以及在处理器上运行的软件之间建立某种通信。因此，尽管我们都有类似的方法，但最终每个人的做法都不尽相同。

这导致了市场的分叉。"Synopsys 的 Stahl 说："市场分为两个领域。"一个是大公司市场，他们有能力聘请处理器专家，并希望有某种基础设施来引导自己。另一个市场是那些没有专业技术的公司，他们所做的只是使用其中一个可用的 RISC-V IP 内核。这样一来，这些内核就有望得到 IP 提供商的预先验证。

这正在催生新型知识产权公司。"Arteris公司的Geday说："带有附加服务的开放源代码是CPU硬件IP的新兴商业模式。"随着高精密和超专业化功能（有些需要认证）的增加，IP 的重复使用将越来越多，这不是所有 SoC 设计人员都能设计出来的。我们今天在人工智能领域看到了许多这样的例子。"

生命周期管理
芯片从工厂运回后，产品就不再完整。"Keysight 的 Alexander 说："企业将利用可提高生产力、效率、准确性、安全性和上市时间的软件加快转型。"他们将通过数字方式收集和获取信息，并利用先进的分析和数据可视化来获得加速创新所需的洞察力。

这与集成测试设计的逻辑类似。"越来越多的系统公司将开始利用硅生命周期管理技术，"Siemen 的 Sawicki 说。"这使公司能够在集成电路设计流程的早期阶段将 IP 块插入其设计中。这些 IP 块可以监控集成电路内部的性能、功耗、错误甚至安全漏洞等。这些信息可用于识别问题和预测损耗、向操作人员发出警告、安排预防性维护，甚至可用于进一步完善衍生/未来一代集成电路的设计和制造。"

硅监控成为数字孪生的延伸。"硅监测系统提供热热点监测、电压监测以及延迟监测，"Chang 说。"这为提供数字孪生提供了另一个机会，即与片上或系统内的现场监控传感器协同工作。我们可以提供一种模拟解决方案，这样当我们看到来自现场监测传感器的问题时，我们就可以结合现场传感器监测解决方案，非常迅速地提供诊断解决方案。"

更加注重软件
越来越多的功能来自软件。"Arm 公司软件副总裁马克-汉伯顿（Mark Hambleton）说："对软件的需求超过了传统的开发方法。"随着时间的推移，我们将从开发应用程序转向开发能够代表我们开发应用程序的工具。"

这种功能水平需要一些改变。" Xilinx 公司人工智能和软件产品营销总监 Nick Ni 说："直到去年，普通软件开发人员和人工智能科学家还无法释放硬件适应性的力量。"这需要特定的硬件专业知识，但新的开源工具正在为软件开发人员提供可适应硬件的能力，同时加快硬件设计人员的工作效率。2021 年，凭借这种新的编程便利性，FPGA 和可适应 SoC 将继续为成千上万的软件开发人员和 AI 科学家提供更多便利，使其成为下一代应用的首选硬件解决方案。"

我们的虚拟工作环境也在推动软件实现更多功能。"亚历山大说："混合劳动力、社会距离以及其他对历史工作的淡化，都将加速软件在产品设计和开发中的应用。"软件主导的流程将在 2021 年发挥巨大作用。产品设计、研发、测试、制造/生产和故障诊断将通过软件主导的解决方案远程完成。公司将利用云技术和先进的计算能力，依靠软件为远程员工提供支持。2021 年，营销参与、客户互动和客户支持将分别成为数字化转型的核心。营销和沟通的个性化程度必将提高"。

初创企业、中国和人
过去几年中发生的事件正在从多个方面改变这个行业。"Chang说："我们需要关注的一个方面是硅谷或其他任何地方的 创业公司 。"这要归功于 COVID-19。如果你想给他们一大笔钱，你就想看到他们的脸。你想感受他们的个性。这变得更加困难，我认为与 2019 年相比，2020 年会有所减少。然后，我们需要看看 2021 年是否会进一步减少。

政治很重要"政治领导人来来去去，"Cylynt 执行主席 Graham Kill 说。"在他们的任期内，贸易战此消彼长。不变的是国家在全球范围内的竞争力。2020 年，各竞争者将继续公开或暗中进行国家资助的知识产权收购，包括那些希望'提升水平'并在以后主导关键技术领域（如硅制造）的竞争者。2021 年，我们将看到更多知识产权 "采购 "的劳动成果开始显现。冰山一角可能已经显露，但水线以下的冰层可能只有在随后几年才能被完全理解。

在国际上，中国值得关注。"Geday 说："中国将是推动增长的国家。"他们的初创企业如雨后春笋般涌现在各个行业领域，政府举措也有助于为 EDA 平台提供资金。中国正在寻求独立于西方国家，因此正在重新设计大量现有的 SoC。

这也影响了劳动力储备。"张说："我们以前的新设计师来自中国、台湾和印度。"他们提供了很多刚毕业的学生，他们在美国大学接受了很好的教育。但在现有的政策下，公司可以聘用的一些人是被禁止的。这意味着公司必须灵活变通，必须与中国或印度的工程师合作。这就需要有特别好的远程办公方法，使工程师能够在美国以外的地方工作。有些公司在这方面的管理比其他公司要好，但希望我们能看到这一政策的反转，更多的工程师将来自中国、印度或台湾，他们可以在美国当地就业"。