半導(dǎo)體制程工藝這一話題，可以說(shuō)是久說(shuō)不膩，世界領(lǐng)先的半導(dǎo)體廠商在這方面的爭(zhēng)奪也是前赴后繼，這種你爭(zhēng)我奪，你來(lái)創(chuàng)新我來(lái)顛覆的局面對(duì)于CPU, FPGA和ASIC芯片來(lái)說(shuō)，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(dòng)力。

然而世事無(wú)絕對(duì)，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(lái)越低，已經(jīng)很難稱之為主要驅(qū)動(dòng)力了。

應(yīng)用對(duì)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(shí)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(guò)程。

在過(guò)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(gè)發(fā)展趨勢(shì)是，很多的硬件功能都可以通過(guò)軟件的迭代加以實(shí)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(zhǎng)江后浪推前浪”般的替代趨勢(shì)，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(lái)實(shí)現(xiàn)硬件的功能，缺點(diǎn)也很明顯，與傳統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)功能來(lái)說(shuō)，軟件會(huì)比較緩慢，也會(huì)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(gè)新的工藝節(jié)點(diǎn)，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(huì)在這個(gè)時(shí)候通過(guò)軟件的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)某些性能和功能方面的提升。

這種實(shí)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(duì)于性能的需求非常巨大。“摩爾定律正在不斷放緩。”微軟Azure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(shí)候難免會(huì)遇到設(shè)計(jì)瓶頸。這個(gè)時(shí)候由于原本的設(shè)計(jì)已經(jīng)達(dá)到了頂峰，性能方面也受到了挑戰(zhàn)，每個(gè)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(lái)解決問(wèn)題。而在云計(jì)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(yùn)行。”

對(duì)于云計(jì)算這個(gè)行業(yè)來(lái)說(shuō)，它不只是依賴硬件也不僅僅是依賴軟件，而是通過(guò)軟件定義硬件的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)某些功能，這主要包含以下幾點(diǎn)：

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

其次，需要通過(guò)硬件軟件的共同設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)某一個(gè)需求，而不是通過(guò)其中的一個(gè)。這就使得硬件和軟件必須同時(shí)進(jìn)行改變。

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

最后，云計(jì)算市場(chǎng)的需求導(dǎo)致的芯片公司和系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(huì)在確定他們的軟件需求之后，才會(huì)去選擇所需要的處理器。” ARM的市場(chǎng)發(fā)展高級(jí)總監(jiān)Bill Neifert表示。“但是我們看到的是這些廠商真的思考他們需要的是什么，他們需要實(shí)現(xiàn)什么，然后基于這些需求，選擇最終的處理器。”

制約這些選擇的一個(gè)主要因素是性能。但是具有諷刺意味的是，對(duì)于ARM來(lái)說(shuō)，它的主要特點(diǎn)是低功耗。所以在設(shè)計(jì)當(dāng)中，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于特定應(yīng)用的處理器來(lái)說(shuō)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(huì)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(guò)修改軟件的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)更好的應(yīng)用硬件。所以我們現(xiàn)在看到的一個(gè)趨勢(shì)，就是很多廠商正在使用更小的處理器，然后通過(guò)優(yōu)化軟件的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)同時(shí)處理多個(gè)任務(wù)的目的。”

需要明白的是，軟件的效率是非常重要的，因?yàn)閷?duì)于任何一個(gè)處理器來(lái)說(shuō)，沒(méi)有一個(gè)處理器能夠同時(shí)運(yùn)載一百種以上的程序。很多情況下，同時(shí)處理三、四個(gè)程序就可以了。

這一觀點(diǎn)在整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展中得到了很好的反映。“你會(huì)看到在不同的應(yīng)用當(dāng)中，會(huì)采用不同性能和不同工作負(fù)載的芯片。”netspeed的系統(tǒng)市場(chǎng)營(yíng)銷和業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁Anush Mohandass表示。

未來(lái)也將會(huì)出現(xiàn)更多的芯片用于圖像處理、SQL和機(jī)器學(xué)習(xí)。對(duì)于不同的應(yīng)用不同的工作負(fù)載來(lái)說(shuō)，芯片廠商將會(huì)采用不同的芯片，或者是根據(jù)這些特殊的應(yīng)用來(lái)設(shè)計(jì)或者定制一些芯片。

更多的市場(chǎng)，更多的選擇

以上這些市場(chǎng)變化的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體市場(chǎng)正發(fā)生著巨大變化。因?yàn)楦鶕?jù)我們以往的經(jīng)驗(yàn)可以看出，沒(méi)有任何一個(gè)新的平臺(tái)能夠只使用單一的處理器來(lái)設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)數(shù)以億級(jí)的芯片銷售。在手機(jī)芯片市場(chǎng)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(chǎng)。而在中低端市場(chǎng)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(chǎng)占有率 來(lái)源：Statista

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

但是我們也應(yīng)該能夠注意到。沒(méi)有任何一個(gè)新的平臺(tái)能夠滋生出像智能手機(jī)市場(chǎng)那么多的芯片設(shè)計(jì)量。那么對(duì)于設(shè)計(jì)量低于智能手機(jī)的新的市場(chǎng)來(lái)說(shuō)，是否采用新的工藝節(jié)點(diǎn)，其影響就不是那么明顯了。

所以最近的一個(gè)趨勢(shì)是，IEEE正在試圖，不去設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)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(lái)說(shuō)，未來(lái)半導(dǎo)體的重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域包括大數(shù)據(jù)分析、特征識(shí)別、自動(dòng)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(dòng)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(lái)越多的市場(chǎng)開始設(shè)計(jì)更加詳細(xì)的發(fā)展路線圖。”他指出了一個(gè)例子，比如說(shuō)在日本，日本正在開發(fā)自己的應(yīng)用驅(qū)動(dòng)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(duì)于不同的應(yīng)用來(lái)說(shuō)非常重要，也將會(huì)極大地推動(dòng)這些新的應(yīng)用的發(fā)展。

“對(duì)于諸如移動(dòng)和基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用來(lái)說(shuō)，就必須強(qiáng)調(diào)性能。”Cadence的總裁兼首席執(zhí)行官Lip Bu Tan表示。“在這些領(lǐng)域，工藝制程將會(huì)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(huì)面臨一些挑戰(zhàn)，性能、功耗和價(jià)格也會(huì)隨著工藝的提高而提升，發(fā)展速度也會(huì)逐漸放緩，成本也一定會(huì)上升。所以在之前的一段時(shí)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(guò)渡到7納米，因?yàn)樗麄儧](méi)有看到這一工藝帶來(lái)的巨大的性能和功率的提升，到底能否提升他們的業(yè)績(jī)。或者是跳過(guò)一些節(jié)點(diǎn)。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(shí)候到來(lái)。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。可以說(shuō)對(duì)于這些公司來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)相同目標(biāo)，可以采用多種的方式。”

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(gè)節(jié)點(diǎn)。IP的可用性也是需要處理的一個(gè)問(wèn)題。

開發(fā)新的技術(shù)節(jié)點(diǎn)往往意味著需要開發(fā)新的IP。對(duì)于芯片廠商來(lái)說(shuō)，在最先進(jìn)的工藝節(jié)點(diǎn)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(xiǎn)是非常高的。有時(shí)候?qū)崿F(xiàn)同一個(gè)目標(biāo)，其過(guò)程可能是完全不同的，比如說(shuō)為了實(shí)現(xiàn)某一個(gè)工藝，它所采用的IP也可能是不同的。

另一方面，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，最先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)過(guò)程往往是非常復(fù)雜的。

“你需要一些超高性能的IP，無(wú)論是模塊還是接口，你也需要弄清楚什么是合格的。” eSilicon的營(yíng)銷副總裁Mike Gianfagna表示。“這是決定是否擴(kuò)大規(guī)模其中一部分。你必須要證明這個(gè)IP可以使用，但是現(xiàn)實(shí)往往是殘酷的，這種想法過(guò)于完美，在現(xiàn)實(shí)當(dāng)中你會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)我們需要從一個(gè)節(jié)點(diǎn)過(guò)渡到下一個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)的時(shí)候，你必須在各個(gè)方面都進(jìn)行優(yōu)化和改良，比如說(shuō)你需要對(duì)電源和信號(hào)的完整性及優(yōu)化。”

這就使得IP管理異常的困難。”解決IP問(wèn)題只是其中一部分。“ClioSoft營(yíng)銷副總裁Ranjit Adhikary表示。各種IP的集成，也會(huì)帶來(lái)不同的問(wèn)題。比如說(shuō)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(huì)帶來(lái)問(wèn)題，所以說(shuō)在這過(guò)程中我們需要對(duì)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(duì)這些問(wèn)題。我們?cè)趯⒉煌琁P整合的過(guò)程中，就會(huì)產(chǎn)生這樣或那樣的的集成和子系統(tǒng)，這時(shí)候所要面對(duì)的就不是單子個(gè)IP。

“現(xiàn)在的微控制器一般都會(huì)建立不同類型的連接，構(gòu)建不同類型的可擴(kuò)展系統(tǒng)。”Aldec的硬件部門總經(jīng)理Zibi Zalewski表示。“而最終微控制器的配置是根據(jù)目標(biāo)市場(chǎng)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(gè)項(xiàng)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(huì)給整個(gè)項(xiàng)目帶來(lái)極大的風(fēng)險(xiǎn)和復(fù)雜性。因?yàn)轫?xiàng)目不僅僅涉及到晶體管的數(shù)量，同時(shí)也涉及很多軟件方面的東西。

對(duì)于每一個(gè)新的工藝節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，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(shí)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(gè)新的工藝節(jié)點(diǎn)都會(huì)造成很多因素發(fā)生變化。這就使得越來(lái)越多的事情容易出錯(cuò)。

其次，市場(chǎng)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(shì)也是一個(gè)很大的問(wèn)題。比如說(shuō)，最新的汽車的發(fā)展，就與智能手機(jī)不同。因?yàn)樗麄儾恍枰С职l(fā)短信或者搜索這些功能。

落后的代價(jià)往往是非常昂貴的。所以當(dāng)時(shí)軟件被設(shè)計(jì)出來(lái)的時(shí)候就是用來(lái)解決這一問(wèn)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?yàn)檐浖母谋扔布菀椎枚啵@也是為什么FPGA越來(lái)越受到歡迎的原因之一，因?yàn)镕PGA可以更改軟件。

可以更改軟件，這一點(diǎn)尤其重要，因?yàn)槲磥?lái)的半導(dǎo)體市場(chǎng)發(fā)展領(lǐng)域很多都是迅速變化的，如自動(dòng)駕駛汽車、醫(yī)療、工業(yè)電子以及人工智能。“這些新的市場(chǎng)往往需要不同的協(xié)議和接口，如此多的協(xié)議和接口會(huì)帶來(lái)很多問(wèn)題。”Achronix的系統(tǒng)架構(gòu)師Kent Orthner表示。如何解決這些問(wèn)題呢？通過(guò)軟件的方式來(lái)簡(jiǎn)化整個(gè)過(guò)程就是很好的方法。所以現(xiàn)在很多公司都希望通過(guò)可編程性來(lái)解決類似的問(wèn)題，比如說(shuō)將軟件寫入汽車，通過(guò)算法的更新來(lái)實(shí)現(xiàn)新的功能。

如何解決大數(shù)據(jù)問(wèn)題

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

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

“這就迫使整個(gè)數(shù)據(jù)處理的過(guò)程發(fā)生變化。”Rambus的營(yíng)銷解決方案副總裁Steven Woo表示。“摩爾定律在很大程度上并不適用于現(xiàn)代的技術(shù)。大數(shù)據(jù)的增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了處理速度。如果你想處理這些急速增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)，或者是來(lái)搜索他們就需要采用完全不同的體系結(jié)構(gòu)。”

其中需要考慮的一點(diǎn)是，將多少數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻?nèi)存以及在本地存儲(chǔ)多少數(shù)據(jù)。“在本地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)需要占據(jù)大量的存儲(chǔ)空間。”ArterisIP的營(yíng)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(shí)，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。”

因此，一般情況下我們并不會(huì)將所有的內(nèi)容都發(fā)送到內(nèi)存，我們會(huì)通過(guò)多級(jí)緩存和代理緩存的方式將這些數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)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(shuō)它是完全不同的另外一個(gè)版本。最大的區(qū)別在于，我們是基于數(shù)據(jù)的角度來(lái)遵循它是如何移動(dòng)的。而不是從芯片的架構(gòu)來(lái)考慮這些軟件的問(wèn)題。實(shí)際上這種數(shù)據(jù)處理方式給軟件定義架構(gòu)帶來(lái)了很大的問(wèn)題，但是對(duì)于芯片來(lái)說(shuō)帶來(lái)的問(wèn)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(gè)新的因素是安全性。一方面，與硬件相比，軟件往往需要一個(gè)非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)募軜?gòu)才能實(shí)現(xiàn)安全性。另一方面，軟件可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的方式進(jìn)行遠(yuǎn)程破解，這就會(huì)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(lái)實(shí)現(xiàn)芯片的安全。問(wèn)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(jià)。很多廠商只有在它的芯片安全受到威脅的時(shí)候才會(huì)考慮在新品當(dāng)中加入安全保護(hù)功能。

Synopsys,的董事長(zhǎng)兼首席執(zhí)行官Aart de Geus也同意這一觀點(diǎn)，“這是一個(gè)很復(fù)雜的問(wèn)題，”他表示。“安全性往往涉及硬件和軟件兩個(gè)方面。但是最大的漏洞往往同時(shí)涉及軟件和硬件。這對(duì)于很多公司來(lái)說(shuō)是很難以理解的，也是非常新穎的問(wèn)題。看看現(xiàn)在很多的黑客，你會(huì)發(fā)現(xiàn)他們的技術(shù)都很復(fù)雜。要解決安全性問(wèn)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(lái)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(guò)硬件的方式來(lái)實(shí)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(lái)建立安全性。但是我們也發(fā)現(xiàn)單個(gè)的公司，并不能夠改變整個(gè)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(dòng)設(shè)計(jì)中需要考慮的因素之一。

自動(dòng)化工具

顯而易見的是從工程的角度來(lái)看，很多目標(biāo)都是相同的。就摩爾定律來(lái)看，其最主要的就是實(shí)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(huì)發(fā)生改變的兩個(gè)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(gè)巨大的機(jī)會(huì)。

“有時(shí)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。”O(jiān)neSpin的營(yíng)銷副總裁Dave Kelf表示。“這就像高級(jí)的綜合工具，有時(shí)候也可以有所作為一樣，這樣的工具可以改變?cè)O(shè)計(jì)的周期，將更多的時(shí)間從設(shè)計(jì)中解放出來(lái)，以獲得更好的性能。”

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

結(jié)論

從短期的發(fā)展來(lái)，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(lái)越緩慢，也越來(lái)越困難，成本也越來(lái)越高，與很多特定市場(chǎng)的需求愈加不匹配。

越來(lái)越多的解決方案需要為特定的市場(chǎng)來(lái)進(jìn)行特殊的設(shè)計(jì)，比如說(shuō)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(chǎng)。“一刀切”的時(shí)代已經(jīng)結(jié)束了。半導(dǎo)體領(lǐng)域普世的設(shè)計(jì)，對(duì)于特定市場(chǎng)來(lái)說(shuō)并不是那么重要。