半導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?！币话?，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的軟件所替代,，而更加先進的功能則被添加進去,。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诓粩喾啪彙,！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,。而在云計算當中存在著大量的分散的負荷工作，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行改變,。

第三,，云計算的需求更加強掉個性化的設(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)用當中,，會采用不同性能和不同工作負載的芯片?！眓etspeed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和機器學習,。對于不同的應(yīng)用不同的工作負載來說,，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)了高端的智能手機市場。而在中低端市場則有更多的智能手機公司,，諸如華為、oppo,、vivo,、小米等等，這些公司都采用了不同的手機芯片,。

圖一,、智能手機廠商的市場占有率 來源：Statista

這并不意味著半導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,，半導體市場的發(fā)展特別強勁。

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)藍圖。目前來說,，未來半導體的重點發(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)?！盜EEE的Tom Conte認為,，“越來越多的市場開始設(shè)計更加詳細的發(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,，就必須強調(diào)性能,。”Cadence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，可以采用多種的方式,?！?/p>

IP的限制

另一方面，我們也應(yīng)當明白,，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,，其風險是非常高的,。有時候?qū)崿F(xiàn)同一個目標，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,，最先進的節(jié)點的設(shè)計過程往往是非常復雜的,。

“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)實當中你會發(fā)現(xiàn),，當我們需要從一個節(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,。”

這就使得IP管理異常的困難,?！苯鉀QIP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進行比較,。

復雜性和不確定性

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)建不同類型的可擴展系統(tǒng),。”Aldec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)模和復雜程度上都不同以往,?！?/p>

此外，一個項目的復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險和復雜性。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,。很多芯片廠商在進行研發(fā)的時候都承認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,、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,。“這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,。”Achronix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雜的過程，芯片需要對某些類型的數(shù)據(jù)進行優(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,。“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)的增長速度遠遠超過了處理速度,。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),?！霸诒镜卮鎯?shù)據(jù)需要占據(jù)大量的存儲空間,。”ArterisIP的營銷副總裁Kurt Shuler表示,，“當你將這些數(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謹?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)的方式進行遠程破解,，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中加入安全保護功能,。

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,，還是需要很多標準化的東西,。”

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)濟效益,，這也是 EDA 公司看到的一個巨大的機會,。

“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,。”O(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,。