半导体和终端市场的重大转变正在推动一些人所说的技术复兴，但驾驭这种新的、多方面的要求可能会导致芯片行业发生一些结构性变化，因为一家公司更难做所有事情.

在过去十年中，从 EDA 和 IP 到代工厂，手机行业一直是半导体生态系统的主要驱动力。该行业的增长已达到稳定水平，但在汽车、医疗和工业等垂直领域以及人工智能、More than Moore 等横向领域以及管理日益增长的功率和热量限制方面，新的驱动力正在出现。

这种动荡看起来对整个半导体生态系统都有好处，创新处于近期记忆中的最高水平。“如果 ESD 联盟市场统计服务 (MSS) 第二季度报告是一个指标，那么尽管智能手机行业停滞不前，EDA 仍在增长，” ESD 联盟执行董事鲍勃史密斯说。“芯片公司显然正在设计新的最终用户产品。报告显示，CAE和IC物理设计大幅上涨，而PCB略有下降。从长远来看，CAE 和 IC 物理设计总体上呈上升趋势，这意味着新的芯片设计活动正在进行中。”

该行业现在有多个驱动因素。“直到 10 年前，你才会发现单一的大拐点，” Cadence负责市场和业务发展的公司副总裁 Michal Siwinski 说。“它会是数据通信，然后是移动设备，但这已经发生了变化。在过去的五年里，它开始变得多方面的。过去，很多创新的推动力主要来自移动，因为移动比其他任何人都更努力地推动事物的发展。他们仍然是，但除此之外，超大规模者正在推动依赖大型数据中心基础设施或为所有类型的计算添加智能的其他垂直领域，无论是消费产品、工业领域、汽车领域还是航空航天领域。这是一个很好的问题，但司机太多了。”

移动和高性能计算 (HPC) 之间存在差异的一个例子。“Dennard Scaling 的结束对两个群体都产生了影响，但每个群体的反应都有些不同，”卡尔蔡司 SMT 业务发展总监 Thom Gregorich 说。“HPC 继续追求更先进的晶圆厂节点，实施多核设计，并通过传统 DRAM 封装阵列支持这些处理器。移动在追求先进的晶圆厂节点方面赶上了 HPC，随后由于其更大的购买力主导了领先的晶圆厂业务。他们还使用复杂的 POP DRAM 解决方案实施了多核设计，以解决移动设备的物理限制。摩尔定律的终结首先冲击了HPC，并在一定程度上导致了HBM DRAM和2.5D的发展绕过 DRAM 性能墙的封装。同时，POP 技术组合继续为移动设备提供足够的带宽。”

移动当然不会停滞不前。Ansys副总裁兼首席策略师 Vic Kulkarni 表示：“移动正在变得更加先进。“现在这项技术正被嵌入到我们所做的一切中，从 5G 手持设备到基站，它最终将进入许多其他市场。这会产生大量移动数据，这将需要大量计算。”

新水平线

水平线跨越所有终端市场，需要整个生态系统的关注。过去水平线以冯诺依曼计算架构为代表，以单片CMOS技术和验证实现。后来又增加了力量。在过去几年中，新的水平变得越来越重要，包括人工智能、安全和 More-than-Moore。

“真正推动下一次推动的是数据，” Synopsys设计部营销和战略副总裁迈克尔·萨尼 (Michael Sanie) 说。“有如此多的数据，这有两大影响。首先是移动数据的设备——网络。它可以是任何数据网络芯片、宽带或 5G——任何可以移动数据的东西。延迟是一个挑战，带宽和容量是有限的。其次，我们需要对该数据进行更多处理——计算。其中有两大部分，高性能计算和人工智能芯片。你如何理解数据集？网络和计算是下一个驱动因素。”

新的计算架构正在出现。“人工智能、机器学习、深度学习无处不在，”Cadence 的 Siwinski 说。“我们谈论普遍智能，这不仅仅是一种有趣的文字游戏，正是因为我们已经看到机器学习和深度学习的各个方面被插入到每个垂直市场中。每个垂直领域和支持它的每一个电子设备都有如此多的数据和计算爆炸，你几乎必须添加机器学习才能基本上更智能、更高效地使用该计算，否则你会有点不知所措，因为大部分。”

人工智能无处不在。Arm汽车和物联网业务线副总裁 Chet Babla 表示：“人工智能在各种市场中的使用越来越多，是一代人最激动人心的技术进步之一。” “我们现在看到了使用人工智能提供增强呼吸护理的智能哮喘吸入器，以及使用微电子和微型显示器与佩戴者共享关键信息的智能隐形眼镜。”

即使在人工智能中，问题也有多个方面。Arteris IP营销副总裁 Kurt Shuler 表示：“从 SoC 架构的角度来看，请考虑一个 2 x 2 矩阵，其中一侧有数据中心与边缘。“人们可能会争论分界线在哪里，但你可以把它看作是消耗电池的东西与必须插入的东西。另一方面是人工智能，它有两个方面。一种是训练神经网络，另一种是在现实世界中使用该神经网络——推理。所以你有这个 2 x 2 的数据中心与边缘矩阵，以及训练与推理。”

安全性

另一个新的水平是安全性。“网络安全和反盗版正迅速成为巨大的挑战，”ESD 联盟的史密斯说。“这些影响了硬件设计人员、软件和软件 IP 开发人员以及整个半导体制造生态系统。”

安全问题也很普遍。Synopsys 的 Sanie 说：“我们已经到了这样一个程度，几乎每家芯片公司——不一定只是航空航天和国防，现在还有汽车——都在采用'不信任任何人'的思维过程。“我们需要提供满足PPA需求的方法、IP、设计技术、3D-IC ，而且还具有已知的安全性和可靠性，不仅适用于今天，而且适用于未来 5 年或 15 年，具体取决于行业。这意味着芯片生命周期管理成为客户面临的巨大挑战。它不仅影响设计和制造，而且延伸到该领域。您能否查看设备并预测整个 SoC 生命周期中的性能挑战或安全漏洞？”

没有安全保障，技术进步可能会受到限制。“Arm 正试图通过跨汽车和工业应用的安全能力加速自主决策，”Arm 的 Babla 说。“自治有可能改善我们生活的方方面面，但前提是建立在安全可靠的计算基础上。”

超越摩尔

摩尔定律曾经是一个通用驱动因素，它跨越大多数垂直市场，特别是对于可以利用额外面积、低功耗并可以从最先进的节点中受益的市场。“那个驱动程序还在继续，”Siwinski 说。“每个人都说我们无法通过某些节点，但现在我们在 7nm、5nm、3nm 和探索 2nm 方面表现强劲。大约10年前，权力成为第一门槛。功率极其重要，但现在功率和热量在整个系统中交织在一起。那是一个水平向量。”

摩尔定律不再是唯一的前进道路。“该行业正在超越摩尔，也被称为超越摩尔，”Ansys 的 Kulkarni 说。“我们已经进入了以数据为中心的时代，这使得新的垂直领域成为可能（见图 1）。一切都以越来越大的方式联系在一起。这就是为什么它是复兴的原因，因为我们看到了半导体的增长、电子产品的增长以及为这些提供支持的一切事物的增长，例如用于管理热量的光子学、机械、热学。当你走向新世界，摩尔定律以数据为中心的世界时，所有这些影响都会出现。”

图 1. 半导体行业大趋势。资料来源：Ansys

诸如此类的变化会影响许多领域。“人们正在重新审视设计架构，这就是芯片制造商之间存在很大差异的地方，尤其是在 HPC 方面和 AI 芯片市场，”Sanie 说。“他们正在寻找非常酷的方法来构建他们的芯片，以利用硅几何结构方面的可用内容，并且他们获得了良好的时钟速度。但他们也在用更好的方法、更好的技术来解决问题，让他们获得所需的 PPA、性能和功耗优化。即将到来的是大量使用多芯片3D-IC类型的架构，最终我们将达到芯片的异构集成点。”

“人们通过将系统分成多个小芯片来扩展分而治之的方法，”Kulkarni 说。“然后你可以在同一种子系统上拥有不同的功能，你可以拥有堆叠芯片、中介层、2.5D 结构。最近的一个例子是智能视觉传感器，它是一个 3D-IC 堆栈，在 AI 芯片顶部带有 CMOS 传感器阵列，因此芯片中内置了大量机器学习和 AI 以做出智能决策，不仅用于自动驾驶，还包括为手机。”

小芯片的部署将受到可扩展、具有成本效益的解决方案的可用性的限制。“小芯片是正在开发的几种后摩尔封装技术之一，包括微型 TSV、微型焊接连接、铜熔接互连、高密度有机基板和高密度扇出封装，”卡尔蔡司说'格雷戈里奇。“几家著名的半导体公司预测，在未来 10 年内，凸点互连间距的比例将超过 100:1。这种范式转变将影响 HPC 和移动，我们预计每个细分市场都将针对其特定需求进行优化。例如，小芯片和TSV将由两个部分使用。高密度基板封装和高密度扇出封装将针对每个细分市场进行优化。在这两个细分市场中，成功的一揽子解决方案将具有以下特征：(1) 它们具有可接受的成本/收益比并且在容量上具有可扩展性；(2) 它们不会对制造产量或现场可靠性产生不利影响。”

小芯片的出现需要在整个设计流程中进行更改。EV Group 执行技术总监 Paul Lindner 表示：“芯片设计的多个方面，例如单个功能块的控制，以及最重要的晶圆之间、芯片之间或封装之间的接口设计，都需要特定的设计。” “拥有构建模块（包括 3D 集成接口）的 IDM 和代工厂正在充分利用这些新的集成趋势并相应地做好准备。同时，异构集成在封装方面开辟了商机，OSAT在这方面处于有利地位。”

新兴垂直领域

最初在一个垂直领域开发的技术现在被用于扩展其他领域。“从智能手机行业发展而来并推动计算变革的工作负载是自主决策，”Babla 说。“我们每天都在体验自主系统，例如当我们的智能手机在确定我们的脸符合视觉标准后自动解锁时，自动化能力现在在车辆和工厂环境中变得越来越普遍。设计自主系统的开发人员需要满足相关安全标准、可扩展以应对一系列工作负载和处理能力以及节能和安全的技术。”

其他人同意。“一个明显的市场驱动因素是自动驾驶，”史密斯说。“这在很大程度上是由于汽车市场创新的快速步伐以及许多地区最近推动全面电气化的要求。”

这会影响 IP 开发人员的方向。“如果你看看我们十年前的幻灯片，有 20 家应用处理器供应商和数字基带调制解调器供应商，”Arteris 的 Shuler 说。“我们将业务重点放在那个市场上，并认为如果我们满足他们的需求，我们就会满足每个人的需求。当您查看我们今天的幻灯片时，其中有五个，因为它们会随着时间的推移而合并。今天，我们考虑汽车的要求。我们相信，如果我们满足他们的 AI 要求，我们就能满足该市场中任何人或几乎任何人的要求。因此，如果我们满足汽车行业的需求，从事机器人或工业领域的人的需求就会得到满足。”

一个经常被谈论的垂直领域是物联网。“物联网非常有趣，因为物联网是最新进展的副产品，”萨尼说。“数据不再集中。它被推到了边缘。这创造了一个奇怪的连续体，即数据是集中的，但也被推到了边缘。同时，计算也是集中的，但计算本身也被推向了边缘。它正在云与服务器和边缘设备之间来回创建这种计算连续体，而 5G 突然成为这些连续体之间的巨大以太。”

甚至 COVID 也在影响垂直行业。“COVID 改变了市场的焦点，并且正在开发新的问题配方，”Siwinski 说。“这种破坏，以及一般的破坏，要么创造机会，要么创造混乱。很多时候是技术，它们创造了机会，COVID 也不例外。”

COVID创造了对更多分布式系统的需求。“这个方向已经在进行中，但 COVID 无疑加速了这一进程，”萨尼说。“如果你看看网络和计算公司，他们的挑战和他们对我们的要求并没有因为 COVID 而停止。事实上，可以说他们已经加速了。”

更多协作

新横向和纵向的一个影响是生态系统中的每个人都被拉长了。问题变得更加广泛，需要提高公司之间的合作水平。

“ IP供应商和EDA工具一直与代工厂有着非常密切的联系，”Siwinski 说。“大约在 10 纳米左右，或者更早一点，这种合作的性质开始发生转变。以前，它曾经主要是在代工方面进行创新，然后 EDA 工具和 IP 会根据新的现实进行调整。有了更新的节点，协作已经发展为更紧密的伙伴关系。研发组织与代工厂的合作更加紧密，不仅是在支持上，而且在相互创新上。它实现了更快的创新。”

还有更多的系统问题。“我们着眼于电子之外的东西、半导体之外的东西、系统之外的东西，”Kulkarni 说。“这包括机械、CFD（计算流体动力学）和一些光子学。EDA、IP、整个生态系统、包装通常被认为是事后考虑的人，现在必须走到一起，因为在一个领域做出的决定也会影响其他领域。需要加强合作。例如，当电源影响时序——所谓的电压时序问题时，你会怎么做？那么热量就会成为一个问题，因此您需要进行机械应力和翘曲分析以及热分析。”

在设计团队中，过去分开工作的团队现在必须聚集在一起。“这不像过去那样你制造芯片然后说，'有了这个芯片，我可以在软件中做什么？'”舒勒说。“取而代之的是，考虑到我的软件必须做什么，我需要在系统级别做什么？这是我需要创建的新处理元素，这是我需要创建的新数据流以保持它们的供给，这是我需要放置记忆的地方，以确保我可以为数千个处理元素执行收集功能同时需要数据。无论是汽车还是人工智能，即使我们处理的是横向能力，我们也必须能够在价值链的更高层了解他们想要做什么。”

它还需要 EDA 工具之间的协作。“方法论成为一个更大的部分，不仅是为了更好的功率或性能，而且是超越 SoC 优化和系统级优化的方法论，”Sanie 说。“在这一点上，我们必须着眼于不同的垂直领域。你如何为汽车芯片、高性能计算芯片和移动芯片进行电源管理？他们都不一样。您如何进行电源管理、性能管理，甚至是芯片生命周期管理？每个都是不同的，因此我们有更针对垂直行业的系统级方法。”

西温斯基同意。“许多领先的客户将我们拉入这些对话中，我们被要求基本上发明一种全新的流程，一种全新的方法来支持这些超级激进的创新目标。然后其他公司使用这些方法，它们成为新的常态和新的最佳实践。支持事物的方法不断发展。它曾经是关于特定的点技术，因为方法是循序渐进的。现在，复杂性正在推动引擎级别的各种技术之间更加紧密的原生自动化。”

该行业还见证了 EDA 公司之间或更大组织内的业务部门之间更高水平的合作。

结论

今天，新的横向和新的纵向正在推动整个生态系统的创新，这在过去从未发生过。这将创造挑战和机遇，并需要许多公司决定他们将在何处成为专家以及他们将在哪里合作。我们已经看到了这样的例子，但我们应该期待在未来看到更多。

“我们才刚刚开始触及即将开始的事情的表面，”Siwinski 说。“我并不是说这会像文艺复兴时期那样，那里有一个生物挑战，它造成了破坏并创造了几个世纪的不同创新。诚然，两个世纪前，这是一个非常不同的世界，但最终你会看到一种技术提供了许多不同的机会。考虑大流行的消防员。他们的工作变得更加困难，但为什么不利用这项技术，为自主消防无人机创建一个全新的子市场。”