半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的三月:摩爾定律的榮光與嵌入式世界的生態(tài)擴(kuò)展

回顧即將過(guò)去的三月，盡管本月是許多股票上市的半導(dǎo)體公司發(fā)布2022年年報(bào)的月份，也是很多全球重要半導(dǎo)體行業(yè)活動(dòng)開(kāi)始登場(chǎng)的月份，但是半導(dǎo)體領(lǐng)域內(nèi)最值得關(guān)注的既不是某家公司的年報(bào)，也不是某家公司發(fā)起的大型收購(gòu)。業(yè)界談?wù)撟疃嗟倪€是諸如ChatGPT這樣的多模態(tài)大模型人工智能技術(shù)對(duì)半導(dǎo)體行業(yè)帶來(lái)的機(jī)會(huì)，以及摩爾定律的提出者戈登·摩爾先生辭世引發(fā)的對(duì)行業(yè)發(fā)展規(guī)律的進(jìn)一步探索。

2023年3月24日，摩爾定律的提出者、仙童半導(dǎo)體公司（Fairchild Semiconductor）和英特爾（Intel）的聯(lián)合創(chuàng)始人、戈登和貝蒂·摩爾基金會(huì)的聯(lián)合發(fā)起人戈登·摩爾（Gordon Moore）去世，享年94歲。摩爾先生對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的貢獻(xiàn)給我們的工作和生活帶來(lái)了巨大的影響，仙童半導(dǎo)體點(diǎn)燃了硅谷之火，英特爾則是今天數(shù)字世界的一個(gè)重要推動(dòng)者；摩爾先生也致力于慈善事業(yè)，特別關(guān)注環(huán)境保護(hù)、科學(xué)探索和患者護(hù)理改善，他與妻子一起成立的戈登和貝蒂·摩爾基金會(huì)共向慈善事業(yè)捐贈(zèng)了超過(guò)51億美元。

戈登·摩爾（圖片來(lái)源于英特爾官網(wǎng)）

摩爾在1965年提出的摩爾定律（Moore’s Law）準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展，他在最初提出時(shí)預(yù)測(cè)集成電路中的晶體管數(shù)量將每年增加一倍，在1975年他又將其修正為每?jī)赡暝黾右槐?。盡管對(duì)摩爾定律會(huì)在什么時(shí)候失效的討論從未停止過(guò)，但是這項(xiàng)預(yù)測(cè)不斷被半導(dǎo)體行業(yè)中的創(chuàng)新印證。摩爾定律在成為半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的“集體路線(xiàn)圖”的同時(shí)，也在過(guò)去數(shù)十年中啟發(fā)和激勵(lì)了半導(dǎo)體行業(yè)的從業(yè)人員充滿(mǎn)激情并不斷地去創(chuàng)新，用更多更先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)為人類(lèi)帶來(lái)福祉。

摩爾定律的擴(kuò)展與更多的爭(zhēng)論

戈登·摩爾的產(chǎn)業(yè)洞察力還激發(fā)了更多行業(yè)人士對(duì)科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)律的探索，針對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，不僅提出了“More Moore”和”More than Moore”這樣的趨勢(shì)，而且還有更多新的定律在不斷被提出。全球領(lǐng)先的RISC-V處理器IP和定制處理器EDA工具提供商Codasip的首席營(yíng)銷(xiāo)官Rupert Baines曾經(jīng)撰文：除了摩爾定律，登納德縮減定律（Dennard Scaling）和阿姆達(dá)爾定律（Amdahl’s Law）也很好地描述產(chǎn)業(yè)發(fā)展路徑。

Codasip首席營(yíng)銷(xiāo)官Rupert Baines

這些定律揭示了晶體管的大小不斷按比例縮減給半導(dǎo)體行業(yè)帶來(lái)的機(jī)遇：登納德縮減定律指出，隨著硅芯片上晶體管幾何尺寸的縮減，電源電壓也會(huì)降低，這將使得從一代硅芯片到下一代硅芯片的單位面積功耗保持不變并帶來(lái)兩個(gè)好處，其一是新一代芯片的功耗與上一代芯片大致相同，其二是可以通過(guò)增加時(shí)鐘頻率來(lái)提高性能。此外，阿姆達(dá)爾定律指出可以通過(guò)使用并行處理器來(lái)處理潛在的執(zhí)行加速問(wèn)題，即在給定的硅芯片尺寸下，添加額外的并行處理器將增加更多的性能。

Codasip的Rupert認(rèn)為摩爾定律、登納德縮減定律和阿姆達(dá)爾定律正面臨諸多挑戰(zhàn)，這是因?yàn)榘雽?dǎo)體產(chǎn)業(yè)也要符合技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)規(guī)律。比如，對(duì)于90nm及以下的工藝，漏電流（leakage current）在芯片設(shè)計(jì)中就變得非常重要，這種硅材料的特質(zhì)使晶體管幾何尺寸的繼續(xù)縮減并不能繼續(xù)降低功率密度。這時(shí)如果時(shí)鐘頻率太高，就會(huì)存在芯片熱失控的風(fēng)險(xiǎn)；這意味著時(shí)鐘頻率有一個(gè)實(shí)際的上限，很少有設(shè)計(jì)能達(dá)到2 GHz以上。

ChatGPT也需要越來(lái)越豐富的終末端場(chǎng)景

另外一個(gè)促使行業(yè)偏離這些定律的驅(qū)動(dòng)力是芯片應(yīng)用場(chǎng)景的多元化，物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式計(jì)算、邊緣計(jì)算、智能汽車(chē)和其他各種智能化應(yīng)用中的處理器不僅無(wú)法像PC/服務(wù)器的CPU和手機(jī)/平板電腦里的AP一樣靠巨大的批量來(lái)攤銷(xiāo)先進(jìn)工藝制程的成本，同時(shí)還需要針對(duì)應(yīng)用來(lái)進(jìn)行定制化、實(shí)現(xiàn)異構(gòu)計(jì)算和多種工藝集成。這些終末端計(jì)算和智能在未來(lái)極為重要，ChatGPT最終也要通過(guò)這些端側(cè)設(shè)備來(lái)走入我們的工作和生活。

所以，嵌入式計(jì)算帶來(lái)了更加靈活的Arm架構(gòu)的興起，以及比Arm架構(gòu)更加透明、從而更便于定制的RISC-V架構(gòu)的更快速成長(zhǎng)。在去年，采用RISC-V架構(gòu)的芯片的出貨量超過(guò)了100億顆，其中一直走定制處理器路線(xiàn)的Codasip就支持其客戶(hù)貢獻(xiàn)了20億顆。Codasip的客戶(hù)開(kāi)發(fā)的RISC-V處理器被成功地應(yīng)用在存儲(chǔ)、工業(yè)和醫(yī)療等垂直市場(chǎng)。

還有一個(gè)非常顯著的案例就是5G NR小基站芯片，PC802是比科奇（Picocom）在全球開(kāi)發(fā)的第一顆小基站基帶處理（PHY）系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC），它與采用先進(jìn)工藝的處理器+FPGA的基站架構(gòu)相比，大幅降低了功耗（運(yùn)營(yíng)商可以大幅度節(jié)省電費(fèi)），并在主芯片上具有更高的經(jīng)濟(jì)性，還給下游小基站開(kāi)發(fā)商帶來(lái)更大的靈活性。目前，全球已有數(shù)十家企業(yè)采用比科奇的PC802來(lái)開(kāi)發(fā)5G/4G小基站，其中中科微、東方國(guó)信、幾維通信和易科奇等企業(yè)的小基站產(chǎn)品已經(jīng)通過(guò)了運(yùn)營(yíng)商的測(cè)試。

比科奇PC802小基站基帶SoC

所以，盡管物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式計(jì)算也在不斷采用新的工藝節(jié)點(diǎn)，但并不再過(guò)度追求最先進(jìn)的工藝，而且也無(wú)法充分利用最先進(jìn)節(jié)點(diǎn)的工藝，因?yàn)槔鐭o(wú)線(xiàn)SoC中的射頻部分或者M(jìn)CU中越來(lái)越多的混合信號(hào)部分并不能用先進(jìn)工藝來(lái)縮小芯片面積?；诤线m架構(gòu)的算力+應(yīng)用相關(guān)的特性成為了行業(yè)發(fā)展的模式，這些應(yīng)用相關(guān)的特性，如安全性、功能安全性、可靠性、新的加速器和通信技術(shù)等正在成為市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵。

來(lái)自嵌入式世界一線(xiàn)的觀感

今年三月，在德國(guó)紐倫堡市舉辦的“嵌入式世界（Embedded World）”展覽上，許多行業(yè)領(lǐng)先公司的新產(chǎn)品發(fā)布正在印證這樣的趨勢(shì)，即針對(duì)應(yīng)用和生態(tài)進(jìn)行創(chuàng)新。例如：

全球領(lǐng)先的芯片、軟件和解決方案提供商Silicon Labs展示了其業(yè)界最全面的無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品組合和參考設(shè)計(jì)，包括藍(lán)牙高精度距離測(cè)量（HADM）、帶有加速器的機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）、Matter以及亞馬遜Sidewalk等，用智能無(wú)線(xiàn)技術(shù)滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)未來(lái)應(yīng)用需求。同時(shí)還發(fā)布了超小型的xG27系列藍(lán)牙SoC和BB50微控制器，它們可以支持微型、電池優(yōu)化設(shè)備，例如互聯(lián)醫(yī)療設(shè)備、可穿戴設(shè)備、資產(chǎn)監(jiān)控標(biāo)簽、智能傳感器，以及牙刷和玩具等簡(jiǎn)便的消費(fèi)電子產(chǎn)品等。

Codasip和全球領(lǐng)先的嵌入式開(kāi)發(fā)工具提供商IAR在Embedded World展會(huì)上，共同宣布了將強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手為低功耗嵌入式汽車(chē)應(yīng)用提供全新的創(chuàng)新支持，雙方將聯(lián)手為客戶(hù)提供屢獲殊榮的Codasip L31內(nèi)核和獲得安全性認(rèn)證的最新版本IAR Embedded Workbench for RISC-V開(kāi)發(fā)工具鏈。

此次合作推出的Codasip的雙內(nèi)核鎖步參考設(shè)計(jì)可為汽車(chē)應(yīng)用開(kāi)發(fā)人員提供一條便捷之道，以幫助他們推出基于多功能的Codasip L31內(nèi)核且符合ISO 26262認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式應(yīng)用；IAR Embedded Workbench for RISC-V的功能安全版本已通過(guò)了TüV SüD的認(rèn)證，符合10個(gè)不同標(biāo)準(zhǔn)的要求，其中也包括ISO 26262功能安全標(biāo)準(zhǔn)。

越來(lái)越強(qiáng)大的嵌入式計(jì)算和邊緣計(jì)算世界

盡管嵌入式計(jì)算、邊緣計(jì)算乃至部分采用先進(jìn)工藝的異構(gòu)計(jì)算并沒(méi)有按照摩爾定律來(lái)做芯片的集成，但是目前也不妨礙它們?cè)谔囟ǖ膽?yīng)用市場(chǎng)和生態(tài)中變得更加強(qiáng)大。如我們前面所分析，根據(jù)其各自應(yīng)用的要求，這些芯片通過(guò)引入安全性、功能安全性、硬件加速器以及其他措施來(lái)提高可靠性和性能。國(guó)內(nèi)中國(guó)芯企業(yè)在相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)也已取得了巨大的進(jìn)展，例如泰斗微電子推出的北斗/GPS雙模衛(wèi)星導(dǎo)航SoC芯片通過(guò)了極為嚴(yán)格的AEC-Q100 Grade 2車(chē)規(guī)認(rèn)證，兆易創(chuàng)新采用IAR合規(guī)開(kāi)發(fā)工具的MCU產(chǎn)品獲得車(chē)規(guī)認(rèn)證等等。

在計(jì)算性能方面，越來(lái)越多的嵌入式和邊緣計(jì)算芯片平臺(tái)通過(guò)引入諸如嵌入式FPGA（eFPGA） IP等產(chǎn)品，可以提供人工智能推理等更高的性能。根據(jù)全球最大的獨(dú)立FPGA芯片和eFPGA IP提供商Achronix提供的數(shù)據(jù)，該公司Speedcore eFPGA IP在去年年中出貨量超過(guò)了1500萬(wàn)。全球數(shù)十家頂級(jí)科技企業(yè)正在應(yīng)用這種eFPGA來(lái)打造自己的芯片，用于網(wǎng)絡(luò)加速、智能汽車(chē)、通信基礎(chǔ)設(shè)施和金融科技等應(yīng)用。

Speedcore eFPGA可以最小化芯片面積，提高性能，降低功耗，減少成本并且令SoC設(shè)計(jì)歷久彌新

安全也是另一個(gè)非常重要的話(huà)題，也是一個(gè)具有廣闊前景的市場(chǎng)。根據(jù)在香港上市的中國(guó)電子華大科技有限公司（00085.HK）發(fā)布的2022年業(yè)績(jī)報(bào)告，該公司旗下的國(guó)內(nèi)首家自主集成電路設(shè)計(jì)企業(yè)北京中電華大電子的安全芯片得到廣泛的應(yīng)用，該公司的凈利潤(rùn)比2021年增長(zhǎng)了325%達(dá)5.31億港元。該公司表示：隨著5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的推廣對(duì)信息安全需求有所增加，使本集團(tuán)在智能網(wǎng)聯(lián)車(chē)及物聯(lián)網(wǎng)安全芯片應(yīng)用市場(chǎng)的推廣上取得較好效果。年內(nèi)eSIM芯片、智能網(wǎng)聯(lián)車(chē)安全芯片及高端SIM芯片市場(chǎng)需求大幅增加，銷(xiāo)售量較去年大幅增長(zhǎng)。

結(jié)語(yǔ)

作者單位北京華興萬(wàn)邦管理咨詢(xún)有限公司十幾年來(lái)為國(guó)內(nèi)外很多處理器芯片設(shè)計(jì)公司提供了中國(guó)市場(chǎng)服務(wù)，包括全球第一家Arm Server Chip開(kāi)發(fā)商、全球最高集成度的DSP cluster開(kāi)發(fā)商，CPU、GPU、RISC-V芯片和IP，F(xiàn)PGA芯片和IP，各種無(wú)線(xiàn)SoC、各種AI加速器...... 但是并不是每一家企業(yè)都取得了巨大的成功，原因是一些企業(yè)都把技術(shù)開(kāi)發(fā)放在比生態(tài)建設(shè)更優(yōu)先的位置上。其實(shí)這兩個(gè)方面都同樣重要，對(duì)嵌入式計(jì)算、邊緣計(jì)算和異構(gòu)計(jì)算尤其如此。