半導(dǎo)體制程工藝這一話題，可以說是久說不膩，世界領(lǐng)先的半導(dǎo)體廠商在這方面的爭奪也是前赴后繼，這種你爭我奪，你來創(chuàng)新我來顛覆的局面對于CPU, FPGA和ASIC芯片來說，就猶如“紅牛”一般，是這些芯片歷久彌新，狂奔向前的主要驅(qū)動力。

然而世事無絕對，現(xiàn)在很多應(yīng)用的發(fā)展程度和性能與工藝制程的關(guān)聯(lián)度越來越低，已經(jīng)很難稱之為主要驅(qū)動力了。

應(yīng)用對于芯片制程的需求化程度見證了硬件的發(fā)展歷程，背后折射出的是硬件從通用硬件采用定制化軟件，到以較少的硬件能耗加之專門化的差異化硬件實現(xiàn)的特有的功能和極致性能，這一曲折而又繁復(fù)的發(fā)展過程。

在過去的十年里，這十年幾乎等同于智能手機(jī)發(fā)展的十年，值得注意的一個發(fā)展趨勢是，很多的硬件功能都可以通過軟件的迭代加以實現(xiàn)，原本繁雜的硬件性能被更容易更新和修復(fù)的軟件所替代，而更加先進(jìn)的功能則被添加進(jìn)去。這種近乎“長江后浪推前浪”般的替代趨勢，在如今硬件的發(fā)展中也是顯而易見的。

但是用軟件的方式來實現(xiàn)硬件的功能，缺點也很明顯，與傳統(tǒng)的硬件實現(xiàn)功能來說，軟件會比較緩慢，也會消耗更多的能源，而且安全性也比較差。

但是由于并不是每一個新的工藝節(jié)點，在功率和性能方面都有非常顯著的提升，芯片制造商們就會在這個時候通過軟件的方式來實現(xiàn)某些性能和功能方面的提升。

這種實現(xiàn)方式在很多應(yīng)用程序中是顯而易見的，尤其明顯的是在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用。數(shù)據(jù)中心對于性能的需求非常巨大?！澳柖烧诓粩喾啪??！蔽④汚zure的基礎(chǔ)設(shè)施工程師 Kushagra Vaid表示，“不難發(fā)現(xiàn)CPU的發(fā)布速度正在逐漸放緩。在涉及CPU的時候難免會遇到設(shè)計瓶頸。這個時候由于原本的設(shè)計已經(jīng)達(dá)到了頂峰，性能方面也受到了挑戰(zhàn)，每個晶體管的成本也在逐漸增加。這就使得人們不得不尋找新的方式來解決問題。而在云計算當(dāng)中存在著大量的分散的負(fù)荷工作，這些工作很難在通用的CPU上高效運行?！?/p>

對于云計算這個行業(yè)來說，它不只是依賴硬件也不僅僅是依賴軟件，而是通過軟件定義硬件的方式來實現(xiàn)某些功能，這主要包含以下幾點：

首先，這一需求使得客戶比以往都更加接近移動芯片以及硬件設(shè)計，芯片制造商將會更多地參與到終端市場當(dāng)中。這種參與程度比之前任何時候都要高。

其次，需要通過硬件軟件的共同設(shè)計來實現(xiàn)某一個需求，而不是通過其中的一個。這就使得硬件和軟件必須同時進(jìn)行改變。

第三，云計算的需求更加強(qiáng)掉個性化的設(shè)計，而不是普世的硬件設(shè)計。

最后，云計算市場的需求導(dǎo)致的芯片公司和系統(tǒng)設(shè)計公司在策略方面發(fā)生了很大的變化。

“基于以上這些因素，很多公司將會在確定他們的軟件需求之后，才會去選擇所需要的處理器?！?ARM的市場發(fā)展高級總監(jiān)Bill Neifert表示?！暗俏覀兛吹降氖沁@些廠商真的思考他們需要的是什么，他們需要實現(xiàn)什么，然后基于這些需求，選擇最終的處理器?！?/p>

制約這些選擇的一個主要因素是性能。但是具有諷刺意味的是，對于ARM來說，它的主要特點是低功耗。所以在設(shè)計當(dāng)中，我們會發(fā)現(xiàn)，對于特定應(yīng)用的處理器來說往往是確定功率的低功耗處理器。Bill Neifert表示表示：“做出這些選擇的人往往不會選擇比較高端的處理器。他們可能比較先進(jìn)的處理器，然后在處理器的基礎(chǔ)之上，通過修改軟件的方式來實現(xiàn)更好的應(yīng)用硬件。所以我們現(xiàn)在看到的一個趨勢，就是很多廠商正在使用更小的處理器，然后通過優(yōu)化軟件的方式來實現(xiàn)同時處理多個任務(wù)的目的?！?/p>

需要明白的是，軟件的效率是非常重要的，因為對于任何一個處理器來說，沒有一個處理器能夠同時運載一百種以上的程序。很多情況下，同時處理三、四個程序就可以了。

這一觀點在整個半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展中得到了很好的反映?！澳銜吹皆诓煌膽?yīng)用當(dāng)中，會采用不同性能和不同工作負(fù)載的芯片。”netspeed的系統(tǒng)市場營銷和業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁Anush Mohandass表示。

未來也將會出現(xiàn)更多的芯片用于圖像處理、SQL和機(jī)器學(xué)習(xí)。對于不同的應(yīng)用不同的工作負(fù)載來說，芯片廠商將會采用不同的芯片，或者是根據(jù)這些特殊的應(yīng)用來設(shè)計或者定制一些芯片。

更多的市場，更多的選擇

以上這些市場變化的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體市場正發(fā)生著巨大變化。因為根據(jù)我們以往的經(jīng)驗可以看出，沒有任何一個新的平臺能夠只使用單一的處理器來設(shè)計和驅(qū)動數(shù)以億級的芯片銷售。在手機(jī)芯片市場也是如此，蘋果和三星已經(jīng)占領(lǐng)了高端的智能手機(jī)市場。而在中低端市場則有更多的智能手機(jī)公司，諸如華為、oppo、vivo、小米等等，這些公司都采用了不同的手機(jī)芯片。

圖一、智能手機(jī)廠商的市場占有率 來源：Statista

這并不意味著半導(dǎo)體需求在不斷的萎縮，事實上也并非如此。近年來的數(shù)據(jù)顯示，半導(dǎo)體市場的發(fā)展特別強(qiáng)勁。

但是我們也應(yīng)該能夠注意到。沒有任何一個新的平臺能夠滋生出像智能手機(jī)市場那么多的芯片設(shè)計量。那么對于設(shè)計量低于智能手機(jī)的新的市場來說，是否采用新的工藝節(jié)點，其影響就不是那么明顯了。

所以最近的一個趨勢是，IEEE正在試圖，不去設(shè)計一個簡單的半導(dǎo)體發(fā)展路線圖，而是分解成涵蓋了更多的發(fā)展領(lǐng)域的技術(shù)藍(lán)圖。目前來說，未來半導(dǎo)體的重點發(fā)展領(lǐng)域包括大數(shù)據(jù)分析、特征識別、自動駕駛、虛擬和增強(qiáng)顯示等等。

“現(xiàn)在更多的是用應(yīng)用驅(qū)動我們創(chuàng)造出更多的產(chǎn)品和技術(shù)。”IEEE的Tom Conte認(rèn)為，“越來越多的市場開始設(shè)計更加詳細(xì)的發(fā)展路線圖?！彼赋隽艘粋€例子，比如說在日本，日本正在開發(fā)自己的應(yīng)用驅(qū)動半導(dǎo)體路線圖，他們稱之為日本的系統(tǒng)和設(shè)備發(fā)展路線圖。

這種詳細(xì)的發(fā)展路線圖對于不同的應(yīng)用來說非常重要，也將會極大地推動這些新的應(yīng)用的發(fā)展。

“對于諸如移動和基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用來說，就必須強(qiáng)調(diào)性能?！盋adence的總裁兼首席執(zhí)行官Lip Bu Tan表示?！霸谶@些領(lǐng)域，工藝制程將會從現(xiàn)在的10納米發(fā)展到7納米甚至到以后的5納米。但是這些領(lǐng)域也會面臨一些挑戰(zhàn)，性能、功耗和價格也會隨著工藝的提高而提升，發(fā)展速度也會逐漸放緩，成本也一定會上升。所以在之前的一段時間，我們能夠發(fā)現(xiàn)很多公司都在懷疑是否需要從16納米過渡到7納米，因為他們沒有看到這一工藝帶來的巨大的性能和功率的提升，到底能否提升他們的業(yè)績?；蛘呤翘^一些節(jié)點。相反呢？促進(jìn)這些芯片公司選擇更高的制造工藝的是新的產(chǎn)品和新的應(yīng)用什么時候到來。這些新的產(chǎn)品和應(yīng)用在發(fā)開發(fā)周期性能和功率上到底有哪些具體的需求?？梢哉f對于這些公司來說，實現(xiàn)相同目標(biāo)，可以采用多種的方式?！?/p>

IP的限制

另一方面，我們也應(yīng)當(dāng)明白，如果需要開發(fā)下一個節(jié)點。IP的可用性也是需要處理的一個問題。

開發(fā)新的技術(shù)節(jié)點往往意味著需要開發(fā)新的IP。對于芯片廠商來說，在最先進(jìn)的工藝節(jié)點上開發(fā)IP成本是非常昂貴的，而結(jié)果往往是不確定的，其風(fēng)險是非常高的。有時候?qū)崿F(xiàn)同一個目標(biāo)，其過程可能是完全不同的，比如說為了實現(xiàn)某一個工藝，它所采用的IP也可能是不同的。

另一方面，在設(shè)計的過程中，最先進(jìn)的節(jié)點的設(shè)計過程往往是非常復(fù)雜的。

“你需要一些超高性能的IP，無論是模塊還是接口，你也需要弄清楚什么是合格的?！?eSilicon的營銷副總裁Mike Gianfagna表示?！斑@是決定是否擴(kuò)大規(guī)模其中一部分。你必須要證明這個IP可以使用，但是現(xiàn)實往往是殘酷的，這種想法過于完美，在現(xiàn)實當(dāng)中你會發(fā)現(xiàn)，當(dāng)我們需要從一個節(jié)點過渡到下一個工藝節(jié)點的時候，你必須在各個方面都進(jìn)行優(yōu)化和改良，比如說你需要對電源和信號的完整性及優(yōu)化?！?/p>

這就使得IP管理異常的困難。”解決IP問題只是其中一部分?！癈lioSoft營銷副總裁Ranjit Adhikary表示。各種IP的集成，也會帶來不同的問題。比如說在10納米和7納米工藝上可能很多IP都已經(jīng)被考慮了，但是不同版本的IP也可能會帶來問題，所以說在這過程中我們需要對不同版本的IP進(jìn)行比較。

復(fù)雜性和不確定性

在微控制器的世界里，也必須面對這些問題。我們在將不同IP整合的過程中，就會產(chǎn)生這樣或那樣的的集成和子系統(tǒng)，這時候所要面對的就不是單子個IP。

“現(xiàn)在的微控制器一般都會建立不同類型的連接，構(gòu)建不同類型的可擴(kuò)展系統(tǒng)?！盇ldec的硬件部門總經(jīng)理Zibi Zalewski表示?！岸罱K微控制器的配置是根據(jù)目標(biāo)市場和客戶的需求決定的。系統(tǒng)的可伸縮性。使得在規(guī)模和復(fù)雜程度上都不同以往。”

此外，一個項目的復(fù)雜性并不完全由硬件方面決定，硬件也不再是主要的決定因素，軟件方面有可能會給整個項目帶來極大的風(fēng)險和復(fù)雜性。因為項目不僅僅涉及到晶體管的數(shù)量，同時也涉及很多軟件方面的東西。

對于每一個新的工藝節(jié)點來說，都存在著大量的不確定性。很多芯片廠商在進(jìn)行研發(fā)的時候都承認(rèn)這是工作中最大的挑戰(zhàn)之一。但是也有很多事情正在改變。

首先，每一個新的工藝節(jié)點都會造成很多因素發(fā)生變化。這就使得越來越多的事情容易出錯。

其次，市場本身也在不斷發(fā)生的變化。很多新的領(lǐng)域都在不斷產(chǎn)生，新的領(lǐng)域可能與以往的PC、智能手機(jī)、平板電腦等等發(fā)展的路徑完全不同。能否適應(yīng)這些新的發(fā)展趨勢也是一個很大的問題。比如說，最新的汽車的發(fā)展，就與智能手機(jī)不同。因為他們不需要支持發(fā)短信或者搜索這些功能。

落后的代價往往是非常昂貴的。所以當(dāng)時軟件被設(shè)計出來的時候就是用來解決這一問題的，它能夠更快的更新迭代，也能夠發(fā)揮非常重要的作用，因為軟件的更改比硬件要容易得多，這也是為什么FPGA越來越受到歡迎的原因之一，因為FPGA可以更改軟件。

可以更改軟件，這一點尤其重要，因為未來的半導(dǎo)體市場發(fā)展領(lǐng)域很多都是迅速變化的，如自動駕駛汽車、醫(yī)療、工業(yè)電子以及人工智能?！斑@些新的市場往往需要不同的協(xié)議和接口，如此多的協(xié)議和接口會帶來很多問題?！盇chronix的系統(tǒng)架構(gòu)師Kent Orthner表示。如何解決這些問題呢？通過軟件的方式來簡化整個過程就是很好的方法。所以現(xiàn)在很多公司都希望通過可編程性來解決類似的問題，比如說將軟件寫入汽車，通過算法的更新來實現(xiàn)新的功能。

如何解決大數(shù)據(jù)問題

影響摩爾定律的另一個方面是數(shù)據(jù)的爆炸。從PC市場出現(xiàn)發(fā)展至今，人們一直都在爭論是否要集中或者是分發(fā)數(shù)據(jù)。雖然這些爭論當(dāng)中有很多是帶有政治性質(zhì)的。但是IT部門對于移動用戶以及生態(tài)系統(tǒng)的態(tài)度，對移動設(shè)備制造商及其生態(tài)系統(tǒng)而言，這些爭論現(xiàn)在大多都沒有結(jié)果。

畢竟純粹的數(shù)據(jù)，如果在本地處理的話會更加有效。但是實際上，數(shù)據(jù)的處理往往需要更加復(fù)雜的過程，芯片需要對某些類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，而不是簡單的處理。

“這就迫使整個數(shù)據(jù)處理的過程發(fā)生變化?！盧ambus的營銷解決方案副總裁Steven Woo表示?！澳柖稍诤艽蟪潭壬喜⒉贿m用于現(xiàn)代的技術(shù)。大數(shù)據(jù)的增長速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了處理速度。如果你想處理這些急速增長的數(shù)據(jù)，或者是來搜索他們就需要采用完全不同的體系結(jié)構(gòu)?！?/p>

其中需要考慮的一點是，將多少數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻?nèi)存以及在本地存儲多少數(shù)據(jù)。“在本地存儲數(shù)據(jù)需要占據(jù)大量的存儲空間?！盇rterisIP的營銷副總裁Kurt Shuler表示，“當(dāng)你將這些數(shù)據(jù)添加到內(nèi)存時，你需要作出選擇，到底這些數(shù)據(jù)是否能夠獲得有效的利用?！?/p>

因此，一般情況下我們并不會將所有的內(nèi)容都發(fā)送到內(nèi)存，我們會通過多級緩存和代理緩存的方式將這些數(shù)據(jù)從存儲芯片傳輸?shù)讲煌脑O(shè)備中。雖然這些技術(shù)很大程度上依然是基于馮諾依曼架構(gòu)的，但是可以說它是完全不同的另外一個版本。最大的區(qū)別在于，我們是基于數(shù)據(jù)的角度來遵循它是如何移動的。而不是從芯片的架構(gòu)來考慮這些軟件的問題。實際上這種數(shù)據(jù)處理方式給軟件定義架構(gòu)帶來了很大的問題，但是對于芯片來說帶來的問題都非常小。

圖二、馮諾依曼體系架構(gòu)

安全性

另一方面，制約影響這些發(fā)揮作用的一個新的因素是安全性。一方面，與硬件相比，軟件往往需要一個非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)募軜?gòu)才能實現(xiàn)安全性。另一方面，軟件可以通過網(wǎng)絡(luò)的方式進(jìn)行遠(yuǎn)程破解，這就會增加很多成本。這也是為什么目前為止軟件依然受到限制的原因。

我們可以采用各種各樣的技術(shù)來實現(xiàn)芯片的安全。問題在于很多公司并不想在芯片的安全性方面付出很大的代價。很多廠商只有在它的芯片安全受到威脅的時候才會考慮在新品當(dāng)中加入安全保護(hù)功能。

Synopsys,的董事長兼首席執(zhí)行官Aart de Geus也同意這一觀點，“這是一個很復(fù)雜的問題，”他表示?！鞍踩酝婕坝布蛙浖蓚€方面。但是最大的漏洞往往同時涉及軟件和硬件。這對于很多公司來說是很難以理解的，也是非常新穎的問題?？纯船F(xiàn)在很多的黑客，你會發(fā)現(xiàn)他們的技術(shù)都很復(fù)雜。要解決安全性問題，方法有很多種。首先，我們可以在系統(tǒng)的基礎(chǔ)上建立安全屏障來保證系統(tǒng)安全，至少能夠使得系統(tǒng)遵循安全規(guī)則。其次，也可以通過硬件的方式來實現(xiàn)安全。在我們所接觸的客戶中就有很多公司。在軟件上進(jìn)行了大量的投資來建立安全性。但是我們也發(fā)現(xiàn)單個的公司，并不能夠改變整個現(xiàn)狀，還是需要很多標(biāo)準(zhǔn)化的東西。”

盡管如此，安全，已經(jīng)成為了軟件驅(qū)動設(shè)計中需要考慮的因素之一。

自動化工具

顯而易見的是從工程的角度來看，很多目標(biāo)都是相同的。就摩爾定律來看，其最主要的就是實現(xiàn)更小、更快、更低成本、更高性能。其中高性能、更小是永遠(yuǎn)不會發(fā)生改變的兩個因素。

隨著摩爾定律的逐漸放緩，真正挑戰(zhàn)摩爾定律的是經(jīng)濟(jì)效益，這也是 EDA 公司看到的一個巨大的機(jī)會。

“有時候小的架構(gòu)可以在性能和功耗方面獲得令人驚喜的效果?！監(jiān)neSpin的營銷副總裁Dave Kelf表示?！斑@就像高級的綜合工具，有時候也可以有所作為一樣，這樣的工具可以改變設(shè)計的周期，將更多的時間從設(shè)計中解放出來，以獲得更好的性能?！?/p>

一方面，這種方式能夠很好的滿足對于新工藝的需求。另一方面更快的工具。和對于這些工具的更好的運用的培訓(xùn)一些能夠減少在設(shè)計方面花費的時間和金錢。

結(jié)論

從短期的發(fā)展來，摩爾定律依然是能夠存活的，至少還可以發(fā)展到5納米，甚至是更低。但是它的發(fā)展越來越緩慢，也越來越困難，成本也越來越高，與很多特定市場的需求愈加不匹配。

越來越多的解決方案需要為特定的市場來進(jìn)行特殊的設(shè)計，比如說不同架構(gòu)、采用軟件定義的組件可能更適合某些特定的市場?！耙坏肚小钡臅r代已經(jīng)結(jié)束了。半導(dǎo)體領(lǐng)域普世的設(shè)計，對于特定市場來說并不是那么重要。