本文来自微信公众号“半导体产业纵横”。
终端市场的变化和设备规模的缩小如何改变芯片设计。
对于从小型微控制器到尖端芯片的各种设计，人们开始产生疑问：领域专用设计是否将变得无处不在，还是会遵循先定制后低成本、通用组件的历史模式。
定制硬件历来都是一把双刃剑。它可以为芯片制造商提供竞争优势，但通常需要更多时间来设计、验证和制造芯片，这有时会错过市场窗口。此外，它通常只适用于价格承受力最强的应用，对于其他应用来说成本太高。在设计的尖端领域，特别是在涉及生成式AI等新技术的领域，这一等式已被广泛理解。
但是，随着平面扩展走向终结，以及更多功能被定制到特定领域，芯片行业正在努力弄清楚商业/技术等式是否正在经历根本性和更持久的变化。这一点变得更加模糊，因为目前约30%至35%的设计工具被出售给大型系统公司，用于永远不会在市场上销售的芯片。在这些应用中，每瓦性能提高所带来的集体节省可能会远远超过在一个大型数据中心中设计、验证和制造高度优化的多芯片/多芯片模块包的成本，使得关于定制与通用之间的辩论比以往任何时候都更加不确定。
“如果你在工程组织中的职位足够高，你会发现人们真正想做的是软件定义的一切，”西门子EDA高级合成项目总监Russell Klein说。“他们真正想做的是购买现成的硬件，在上面添加一些软件，将其作为附加值，然后推出。这种范式在许多领域都在崩溃。当我们需要极高的性能或极高的效率时，它就会崩溃。如果我们需要的性能高于现成的系统所能提供的，或者我们需要更高的效率，我们需要电池续航时间更长，或者我们不能消耗太多电力，那么我们就必须开始定制硬件。”
即使处理单元的选择也能使解决方案变得定制化。“领域专用计算已经无处不在，”Mythic的CEO兼联合创始人Dave Fick说。“现代计算机，无论是在笔记本电脑、手机、安全摄像头还是农业设备中，都由与软件共同优化的硬件模块组合而成。例如，计算机通常具有视频编码或解码硬件单元，以便系统能够有效地连接到摄像头。常见的还有加密加速器，以便我们可以安全地通信。这些硬件模块都与软件算法共同优化，以使常用功能更加高效和灵活。”
Quadric的首席营销官Steve Roddy也同意这一点。“在过去的二十多年里，SoC中的异构处理在绝大多数消费者应用中已经成为了一种惯例。用于手机、平板电脑、电视和汽车应用的SoC长期以来一直需要满足高性能加低成本的苛刻组合要求，这导致了今天在这些系统中发现了大量功能特定的处理器。即使是今天的低成本手机SoC也有用于运行Android的CPU、复杂的GPU来绘制显示屏、音频DSP以在低功耗模式下卸载音频播放、与摄像头子系统中的NPU配对的视频DSP以改善图像捕获（稳定、过滤、增强）、基带DSP（通常带有附加的NPU）用于Wi-Fi和5G子系统中的高速通信通道处理、传感器融合DSP，以及最大化电池寿命的电源管理处理器。”
区分你所说的通用处理器和特定应用处理器是有帮助的。“在专用硬件上运行你的软件有很多好处，我们称之为定制硅片，因为它让你在竞争对手中脱颖而出，”Ansys半导体部门产品营销总监Marc Swinnen说。“你的软件运行得更快，功耗更低，并且专门设计用于运行你想要运行的内容。拥有现成硬件的竞争对手很难与你竞争。硅片已成为许多公司业务价值和商业模式的核心，因此对其进行优化变得至关重要。”
然而，这里有一个平衡。“如果投资回报、部署成本、电力成本、热成本和冷却成本有任何成本上的合理性，那么定制ASIC（专用集成电路）总是有意义的，”Expedera的首席科学家兼联合创始人Sharad Chole表示。“我们看到这适用于加密货币，现在我们看到这适用于人工智能。我们看到这适用于边缘计算，这需要极低功耗的传感器和极低功耗的处理过程。但通用计算硬件也受到了推动，因为你可以很容易地使应用更加抽象和可扩展。”
这种看似冲突的部分原因是特异性的范围。“从架构的角度来看，真正决定应用特异性的是范围，”Arteris解决方案与业务发展副总裁Frank Schirrmeister表示。“现在领域专用计算已经无处不在。重要的是领域特异性不断向更复杂的东西移动——从最初的IP，到可配置的IP，再到可配置的子系统。”
在过去，这更多是由经济驱动的。“它有一个起伏的过程，”Expedera营销副总裁Paul Karazuba表示。“把所有东西都放进一个处理器里有起伏的过程。有辅助处理器也有起伏的过程，这些辅助处理器增强了主处理器内部的功能。这几乎是一切的自然演变。设计自己的硅片可能不一定更便宜，但从长远来看，不设计自己的硅片可能会更贵。”
索尼前首席技术官Tsugio Makimoto在20世纪90年代试图将这一起伏变化正式化。他观察到电子产品大约每10年在定制解决方案和可编程解决方案之间循环。但有所变化的是，从他观察的时代开始，大多数定制芯片都包含高度可编程的标准组件。
技术驱动因素
如今，这似乎将由技术问题决定。“该行业已经设法解决了电力问题，并将热封装推到了我个人认为合理或可行的极限之外，”Blue Cheetah的联合创始人兼首席执行官Elad Alon表示。“我们正在触及这一电力极限，而当你触及电力极限时，它会推动你尽可能地向定制化发展。但显然，在灵活性、可扩展性和适用于最广泛的市场之间存在紧张关系。这在AI软件世界的快速创新中可见一斑，明天可能会有完全不同的算法，这将几乎淘汰掉你可能已经做过的所有定制。”
摩尔定律的放缓将对平衡点产生根本性影响。“过去有一些定制硅公司曾在短时间内取得成功，但随后失败了，”Ansys的Swinnen表示。“他们取得了一些进步，无论是架构上的还是满足新的市场需求，但随后通用芯片赶上了。这是因为通用芯片上有很多投资，而且有很多人使用它们，有一支庞大的队伍在进步，而你的公司，只有你的团队，在推进你的定制解决方案。不可避免的是，迟早，他们会超越你，而通用硬件只是变得比特定的好。现在，钟摆已经摆向了定制解决方案成为赢家的方向。”
然而，如果公司不跟上最新节点的采用，通用处理器就不会自动进步，这会导致更多的机会。“当向通用处理器添加加速器开始崩溃时，因为你想更快或更高效，你开始创建真正定制的实现，”西门子公司的Klein表示。“这就是高级合成开始变得真正有趣的地方，因为你有那个软件定义的实现作为起点。我们可以通过高级合成（HLS）来构建一个加速器，它将执行那一项特定的工作。我们可以留下一堆寄存器来定义其行为，或者我们可以直接硬编码所有内容。系统的通用性越低，特异性越高，我们通常就能从中获得更高的性能和更高的效率。在性能和效率方面，它几乎总是能够击败通用加速器或通用处理器。”
同时，IP已经变得高度可配置。“过去，IP是构建模块，”Arteris的Schirrmeister表示。“从那时起，该行业已经生产了更大、更复杂的IP，这些IP承担了子系统的角色，这就是范围所在。我们看到了Arm所谓的计算子系统（CSS），它们是集成和硬化的。人们关心的是整个芯片，然后是芯片和系统上下文以及所有软件。应用特异性在IP领域已经变得无处不在。你可以构建硬核，使用可配置的核心，或者使用高级合成。它们都是特定于应用的，可配置性在其中发挥作用。”
从另一个角度看，制造设备的方法不止一种，而且完成这一任务的选择越来越多。“围绕某些算法的专业计算有一个非常大的市场，”Klein表示。“这方面的IP将以离散芯片的形式出现，也可以嵌入到某些东西中。最终，它必须成为硅。它必须在某种程度上得到硬化。他们可以设定一些参数，并将其融入某人的设计中。以Arm处理器为例。我可以配置我想要的CPU数量，我可以配置我想要的缓存大小，然后我可以将其应用到特定的实现中。那是我将要构建的东西，它将更有针对性。它将具有更好的效率、更好的成本概况和更好的功耗概况，以符合我所做的事情。其他人可以稍微不同地配置它。只要IP有效，那就是一个很好的解决方案。但总会有一些算法的市场规模不足以用IP来解决。这就是你进行极端定制的地方。”
Chiplet技术
有些人质疑新兴的Chiplet行业是否会逆转这一趋势。“我们将继续看到由多个硬件加速器块组成的系统，而先进的硅集成技术（即3D堆叠和Chiplet）将使这变得更加容易，”Mythic的Fick表示。“许多公司正在为芯片粒制定开放标准，使通信带宽和能效比PCB上所能构建的高出一个数量级。也许很快，先进的系统级封装就会取代PCB成为系统设计的方式。”
芯片粒不太可能高度可配置。“在芯片粒世界中，配置可能只是关闭你不需要的东西的功能，”Schirrmeister表示。“配置真的意味着你不使用某些东西。你不会为这些东西退钱。这基本上都是应用数学和预测你的数量将会是多少。如果它是一个增量成本，它有一个额外的块来支持另一个接口，或者让块成为带有时间触发内容的以太网块，用于汽车，这给你带来了X的增量努力。现在，你基本上必须估计它是否也给你带来了成倍增加的利润。这是因为芯片变得非常可配置。芯片粒只是在寻找更通用用途的方向或找到平衡，以便你可以将它们应用于更多的芯片粒设计中。”
目前，芯片粒市场还远未确定。“芯片粒的承诺是，你只在正确的节点和正确的位置使用你想要的供应商的功能，”Expedera的Karazuba表示。“专业化和芯片粒的概念是近在咫尺的。它们实际上是相互关联的，但芯片粒还有很长的路要走。关于芯片粒周围的不同事物，仍然没有达成普遍的共识，以使产品真正成为大众市场。”
芯片粒的生存经济学尚未定义。“芯片粒的特点是它们可以很小，”Klein表示。“小意味着我们不需要像大型芯片那样大的市场。我们也可以在不同的技术上构建它们。我们可以有一些基于较旧技术的芯片粒，其中晶体管更便宜，我们可以将它们与可能是前沿节点的其他芯片粒结合起来，在这些节点中我们可以有通用的CPU或NPU加速器。这是一种混合搭配，我们可以制造比通用芯片更小的芯片粒。我们可以进行更小规模的生产。我们可以采用这种IP，并针对特定的市场垂直领域进行定制，并为此创建一些芯片粒，稍微更改配置，然后再进行另一轮生产。市场可以部署和支持的定制程度略高于我们在全尺寸芯片中看到的程度，全尺寸芯片必须全部构建在一个封装中。
结论
设计的通用性或定制性意味着什么正在改变。所有设计都将包含这两者中的一部分。一些公司将使用通用处理器开发新型架构，这些架构将比完全通用的解决方案更好。其他公司则为一些已知稳定的功能创建高度定制的硬件，并为可能发生变化的事物提供通用解决方案。然而，有一件事从未改变过。一家公司不太可能添加比满足其目标市场需求更多的定制化内容。
