半導體和終端市場的重大轉變正在推動一些人所說的技術復興，但駕馭這種新的、多方面的要求可能會導致晶片行業發生一些結構性變化，因為一家公司更難做所有事情。
在過去十年中，從 EDA 和 IP 到代工廠，手機行業一直是半導體生態系統的主要驅動力。該行業的增長已達到穩定水平，但在汽車、醫療和工業等垂直領域以及人工智慧、More than Moore 等橫向領域以及管理日益增長的功率和熱量限制方面，新的驅動力正在出現。
這種動盪看起來對整個半導體生態系統都有好處，創新處於近期記憶中的最高水平。“如果 ESD 聯盟市場統計服務 （MSS） 第二季度報告是一個指標，那麼儘管智慧手機行業停滯不前，EDA 仍在增長，” ESD 聯盟執行董事鮑勃史密斯說。“晶片公司顯然正在設計新的終端使用者產品。報告顯示，CAE和IC物理設計大幅上漲，而PCB略有下降。從長遠來看，CAE 和 IC 物理設計總體上呈上升趨勢，這意味著新的晶片設計活動正在進行中。”
該行業現在有多個驅動因素。“直到 10 年前，你才會發現單一的大拐點，” Cadence負責市場和業務發展的公司副總裁 Michal Siwinski 說。“它會是資料通訊，然後是移動裝置，但這已經發生了變化。在過去的五年裡，它開始變得多方面的。過去，很多創新的推動力主要來自移動，因為移動比其他任何人都更努力地推動事物的發展。他們仍然是，但除此之外，超大規模者正在推動依賴大型資料中心基礎設施或為所有型別的計算新增智慧的其他垂直領域，無論是消費產品、工業領域、汽車領域還是航空航天領域。這是一個很好的問題，但司機太多了。”
移動和高效能計算 （HPC） 之間存在差異的一個例子。“Dennard Scaling 的結束對兩個群體都產生了影響，但每個群體的反應都有所不同，”卡爾蔡司 SMT 業務發展總監 Thom Gregorich 說。“HPC 繼續追求更先進的晶圓廠節點，實施多核設計，並透過傳統 DRAM 封裝陣列支援這些處理器。移動在追求先進的晶圓廠節點方面趕上了 HPC，隨後由於其更大的購買力主導了領先的晶圓廠業務。他們還使用複雜的 POP DRAM 解決方案實施了多核設計，以解決移動裝置的物理限制。摩爾定律的終結首先衝擊了HPC，並在一定程度上導致了HBM DRAM和2。5D的發展繞過 DRAM 效能牆的封裝。同時，POP 技術組合繼續為移動裝置提供足夠的頻寬。”
移動當然不會停滯不前。Ansys副總裁兼首席策略師 Vic Kulkarni 表示：“移動正在變得更加先進。“現在這項技術正被嵌入到我們所做的一切中，從 5G 手持裝置到基站，它最終將進入許多其他市場。這會產生大量移動資料，這將需要大量計算。”
新水平線
水平線跨越所有終端市場，需要整個生態系統的關注。過去水平線以馮諾依曼計算架構為代表，以單片CMOS技術和驗證實現。後來又增加了力量。在過去幾年中，新的水平變得越來越重要，包括人工智慧、安全和 More-than-Moore。
“真正推動下一次推動的是資料，” Synopsys設計部營銷和戰略副總裁邁克爾·薩尼 （Michael Sanie） 說。“有如此多的資料，這有兩大影響。首先是移動資料的裝置——網路。它可以是任何資料網路晶片、寬頻或 5G——任何可以移動資料的東西。延遲是一個挑戰，頻寬和容量是有限的。其次，我們需要對該資料進行更多處理——計算。其中有兩大部分，高效能計算和人工智慧晶片。你如何理解資料集？網路和計算是下一個驅動因素。”
新的計算架構正在出現。“人工智慧、機器學習、深度學習無處不在，”Cadence 的 Siwinski 說。“我們談論普遍智慧，這不僅僅是一種有趣的文字遊戲，正是因為我們已經看到機器學習和深度學習的各個方面被插入到每個垂直市場中。每個垂直領域和支援它的每一個電子裝置都有如此多的資料和計算爆炸，你幾乎必須新增機器學習才能基本上更智慧、更高效地使用該計算，否則你會有點不知所措，因為大部分。”
人工智慧無處不在。Arm汽車和物聯網業務線副總裁 Chet Babla 表示：“人工智慧在各種市場中的使用越來越多，是一代人最激動人心的技術進步之一。” “我們現在看到了使用人工智慧提供增強呼吸護理的智慧哮喘吸入器，以及使用微電子和微型顯示器與佩戴者共享關鍵資訊的智慧隱形眼鏡。”
即使在人工智慧中，問題也有多個方面。Arteris IP營銷副總裁 Kurt Shuler 表示：“從 SoC 架構的角度來看，請考慮一個 2 x 2 矩陣，其中一側有資料中心與邊緣。“人們可能會爭論分界線在哪裡，但你可以把它看作是消耗電池的東西與必須插入的東西。另一方面是人工智慧，它有兩個方面。一種是訓練神經網路，另一種是在現實世界中使用該神經網路——推理。所以你有這個 2 x 2 的資料中心與邊緣矩陣，以及訓練與推理。”
安全性
另一個新的水平是安全性。“網路安全和反盜版正迅速成為巨大的挑戰，”ESD 聯盟的史密斯說。“這些影響了硬體設計人員、軟體和軟體 IP 開發人員以及整個半導體制造生態系統。”
安全問題也很普遍。Synopsys 的 Sanie 說：“我們已經到了這樣一個程度，幾乎每家晶片公司——不一定只是航空航天和國防，現在還有汽車——都在採用‘不信任任何人’的思維過程。“我們需要提供滿足PPA需求的方法、IP、設計技術、3D-IC ，而且還具有一定的安全性和可靠性，不僅適用於今天，而且適用於未來 5 年或 15 年，具體取決於行業。這意味著晶片生命週期管理成為客戶面臨的巨大挑戰。它不僅影響設計和製造，而且延伸到該領域。您能否檢視裝置並預測整個 SoC 生命週期中的效能挑戰或安全漏洞？”
沒有安全保障，技術進步可能會受到限制。“Arm 正試圖透過跨汽車和工業應用的安全能力加速自主決策，”Arm 的 Babla 說。“自治有可能改善我們生活的方方面面，但前提是建立在安全可靠的計算基礎上。”
超越摩爾定律
摩爾定律曾經是一個通用驅動因素，它跨越大多數垂直市場，特別是對於可以利用額外面積、低功耗並可以從最先進的節點中受益的市場。“那個驅動程式還在繼續，”Siwinski 說。“每個人都說我們無法透過某些節點，但現在我們在 7nm、5nm、3nm 和探索 2nm 方面表現強勁。大約10年前，權力成為第一門檻。功率極其重要，但現在功率和熱量在整個系統中交織在一起。那是一個水平向量。”
摩爾定律不再是唯一的前進道路。“該行業正在超越摩爾，也被稱為超越摩爾，”Ansys 的 Kulkarni 說。“我們已經進入了以資料為中心的時代，這使得新的垂直領域成為可能（見圖 1）。一切都以越來越大的方式聯絡在一起。這就是為什麼它是復興的原因，因為我們看到了半導體的增長、電子產品的增長以及為這些提供支援的一切事物的增長，例如用於管理熱量的光子學、機械、熱學。當你走向新世界，摩爾定律以資料為中心的世界時，所有這些影響都會出現。”
圖 1。 半導體行業大趨勢。資料來源：Ansys
諸如此類的變化會影響許多領域。“人們正在重新審視設計架構，這就是晶片製造商之間存在很大差異的地方，尤其是在 HPC 方面和 AI 晶片市場，”Sanie 說。“他們正在尋找非常酷的方法來構建他們的晶片，以利用矽幾何結構方面的可用內容，並且他們獲得了良好的時鐘速度。但他們也在用更好的方法、更好的技術來解決問題，讓他們獲得所需的 PPA、效能和功耗最佳化。即將到來的是大量使用多晶片3D-IC型別的架構，最終我們將達到晶片的異構整合點。”
“人們透過將系統分成多個小晶片來擴充套件分而治之的方法，”Kulkarni 說。“然後你可以在同一種子系統上擁有不同的功能，你可以擁有堆疊晶片、中介層、2。5D 結構。最近的一個例子是智慧視覺感測器，它是一個 3D-IC 堆疊，在 AI 晶片頂部帶有 CMOS 感測器陣列，因此晶片中內建了大量機器學習和 AI 以做出智慧決策，不僅用於自動駕駛，還包括為手機。”
小晶片的部署將受到可擴充套件、具有成本效益的解決方案的可用性的限制。“小晶片是正在開發的幾種後摩爾封裝技術之一，包括微型 TSV、微型焊接連線、銅熔接互連、高密度有機基板和高密度扇出封裝，”卡爾蔡司說‘格雷戈裡奇。“幾家著名的半導體公司預測，在未來 10 年內，凸點互連間距的比例將超過 100：1。這種方式轉變將影響 HPC 和移動，我們預計每個細分市場都將針對其特定需求進行最佳化。例如，小晶片和TSV將由兩個部分使用。高密度基板封裝和高密度扇出封裝將針對每個細分市場進行最佳化。在這兩個細分市場中，成功的一攬子解決方案將具有以下特徵：（1） 它們具有可接受的成本/收益比並且在容量上具有可擴充套件性；（2） 它們不會對製造產量或現場可靠性產生不利影響。”
小晶片的出現需要在整個設計流程中進行更改。EV Group 執行技術總監 Paul Lindner 表示：“晶片設計的多個方面，例如單個功能塊的控制，以及最重要的晶圓之間、晶片之間或封裝之間的介面設計，都需要特定的設計。” “擁有構建模組（包括 3D 整合介面）的 IDM 和代工廠正在充分利用這些新的整合趨勢並相應地做好準備。同時，異構整合在封裝方面開闢了商機，OSAT在這方面處於有利地位。”
新興垂直領域
最初在一個垂直領域開發的技術現在被用於擴充套件其他領域。“從智慧手機行業發展而來並推動計算變革的工作負載是自主決策，”Babla 說。“我們每天都在體驗自主系統，例如當我們的智慧手機在確定我們的臉符合視覺標準後自動解鎖時，自動化能力現在在車輛和工廠環境中變得越來越普遍。設計自主系統的開發人員需要滿足相關安全標準、可擴充套件以應對一系列工作負載和處理能力以及節能和安全的技術。”
其他人同意。“一個明顯的市場驅動因素是自動駕駛，”史密斯說。“這在很大程度上是由於汽車市場創新的快速步伐以及許多地區最近推動全面電氣化的要求。”
這會影響 IP 開發人員的方向。“如果你看看我們十年前的幻燈片，有 20 家應用處理器供應商和數字基帶調變解調器供應商，”Arteris 的 Shuler 說。“我們將業務重點放在那個市場上，並認為如果我們滿足他們的需求，我們就會滿足每個人的需求。當您檢視我們今天的幻燈片時，其中有五個，因為它們會隨著時間的推移而合併。今天，我們考慮汽車的要求。我們相信，如果我們滿足他們的 AI 要求，我們就能滿足該市場中任何人或幾乎任何人的要求。因此，如果我們滿足汽車行業的需求，從事機器人或工業領域的人的需求就會得到滿足。”
一個經常被談論的垂直領域是物聯網。“物聯網非常有趣，因為物聯網是最新進展的副產品，”薩尼說。“資料不再集中。它被推到了邊緣。這創造了一個奇怪的連續體，即資料是集中的，但也被推到了邊緣。同時，計算也是集中的，但計算本身也被推向了邊緣。它正在雲與伺服器和邊緣裝置之間來回建立這種計算連續體，而 5G 突然成為這些連續體之間的巨大以太。”
甚至 COVID 也在影響垂直行業。“COVID 改變了市場的焦點，並且正在開發新的問題配方，”Siwinski 說。“這種破壞，以及一般的破壞，要麼創造機會，要麼創造混亂。很多時候是技術，它們創造了機會，COVID 也不例外。”
COVID創造了對更多分散式系統的需求。“這個方向已經在進行中，但 COVID 無疑加速了這一程序，”薩尼說。“如果你看看網路和計算公司，他們的挑戰和他們對我們的要求並沒有因為 COVID 而停止。事實上，可以說他們已經加速了。”
更多協作
新橫向和縱向的一個影響是生態系統中的每個人都被拉長了。問題變得更加廣泛，需要提高公司之間的合作水平。
“ IP供應商和EDA工具一直與代工廠有著非常密切的聯絡，”Siwinski 說。“大約在 10 奈米左右，或者更早一點，這種合作的性質開始發生轉變。以前，它曾經主要是在代工方面進行創新，然後 EDA 工具和 IP 會根據新的現實進行調整。有了更新的節點，協作已經發展為更緊密的夥伴關係。研發組織與代工廠的合作更加緊密，不僅是在支援上，而且在相互創新上。它實現了更快的創新。”
還有更多的系統問題。“我們著眼於電子之外的東西、半導體之外的東西、系統之外的東西，”Kulkarni 說。“這包括機械、CFD（計算流體動力學）和一些光子學。EDA、IP、整個生態系統、包裝通常被認為是事後考慮的人，現在必須走到一起，因為在一個領域做出的決定也會影響其他領域。需要加強合作。例如，當電源影響時序——所謂的電壓時序問題時，你會怎麼做？那麼熱量就會成為一個問題，因此您需要進行機械應力和翹曲分析以及熱分析。”
在設計團隊中，過去分開工作的團隊現在必須聚集在一起。“這不像過去那樣你製造晶片然後說，’有了這個晶片，我可以在軟體中做什麼？‘”舒勒說。“取而代之的是，考慮到我的軟體必須做什麼，我需要在系統級別做什麼？這是我需要建立的新處理元素，這是我需要建立的新資料流以保持它們的供給，這是我需要放置記憶的地方，以確保我可以為數千個處理元素執行收集功能同時需要資料。無論是汽車還是人工智慧，即使我們處理的是橫向能力，我們也必須能夠在價值鏈的更高層瞭解他們想要做什麼。”
它還需要 EDA 工具之間的協作。“方法論成為一個更大的部分，不僅是為了更好的功率或效能，而且是超越 SoC 最佳化和系統級最佳化的方法論，”Sanie 說。“在這一點上，我們必須著眼於不同的垂直領域。你如何為汽車晶片、高效能計算晶片和移動晶片進行電源管理？他們都不一樣。您如何進行電源管理、效能管理，甚至是晶片生命週期管理？每個都是不同的，因此我們有更針對垂直行業的系統級方法。”
西溫斯基同意。“許多領先的客戶將我們拉入這些對話中，我們被要求基本上發明一種全新的流程，一種全新的方法來支援這些超級激進的創新目標。然後其他公司使用這些方法，它們成為新的常態和新的最佳實踐。支援事物的方法不斷髮展。它曾經是關於特定的點技術，因為方法是循序漸進的。現在，複雜性正在推動引擎級別的各種技術之間更加緊密的原生自動化。”
該行業還見證了 EDA 公司之間或更大組織內的業務部門之間更高水平的合作。
結論
今天，新的橫向和新的縱向正在推動整個生態系統的創新，這在過去從未發生過。這將創造挑戰和機遇，並需要許多公司決定他們將在何處成為專家以及他們將在哪裡合作。我們已經看到了這樣的例子，但我們應該期待在未來看到更多。
“我們才剛剛開始觸及即將開始的事情的表面，”Siwinski 說。“我並不是說這會像文藝復興時期那樣，那裡有一個生物挑戰，它造成了破壞並創造了幾個世紀的不同創新。誠然，兩個世紀前，這是一個非常不同的世界，但最終你會看到一種技術提供了許多不同的機會。考慮大流行的消防員。他們的工作變得更加困難，但為什麼不利用這項技術，為自主消防無人機建立一個全新的子市場。”
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