工具和体系结构推进摩尔定律

所有这些器件都变得越来越复杂。摩尔定律扩展的放缓(这是一种成本上升、功耗和性能改善减少的函数)迫使芯片制造商采用新的体系结构、先进的封装和处理更多数据的创新方法。与此同时,终端市场对其投资的使用寿命提出了更高的要求,由于复杂性、定制化和小批量生产,投资寿命有所增加。

OneSpin Solutions的首席执行官Raik Brinkmann说:“在技术方面,有更多可预见的结果,包括需要在整个产品生命周期中对硬件平台进行持续验证,以及在管理安全威胁方面加强审查。

他表示:“为了跟上需求的变化,随着时间的推移对硬件进行定制是至关重要的。可重构硬件平台允许所需的灵活性、定制升级和差异化,而无需重建。异构计算环境(包括软件可编程引擎、加速器和可编程逻辑)对于实现平台可重构性以及满足低延迟、低功耗、高性能和容量需求至关重要。这些复杂系统的开发成本很高,因此在保持定制的同时,任何能够延长硬件使用寿命的方法都是必不可少的。”

在更长的生命周期内实现质量变得更加困难,因为芯片需要随着算法或用例的变化而更新。Brinkmann说:“要实现这种灵活性和连续性,就需要在定制和变更过程中不断进行验证。这种增加的验证复杂性要求详细跟踪每个实例的需求、特性、测试和覆盖范围。如果我们看一个敏捷开发流程,其中一个原则就是执行持续的集成和测试。如果我们把它应用到硬件开发中,我们就可以理解这一点。还必须进行验证,以确保更改不会引入新的错误、安全问题或安全漏洞。”

EDA和数据分析公司认为这是一个巨大的机会,尽管这是一个需要多年才能站稳脚跟的机会。西门子EDA IC执行副总裁Joseph Sawicki表示:“越来越多的先进系统公司将开始利用硅生命周期管理技术。这使公司能够在IC设计过程的早期阶段将特定的IP块(沿着可测性设计(Design For Test)线)插入到他们的设计中。

他说:“这些IP块监控诸如性能、功耗、错误,甚至IC内部的安全漏洞。当IC在系统中实现和运行时,它们可以(通过一些工程)报告实时性能、功耗、错误,甚至安全漏洞数据。然后,这些信息反过来可用于识别问题、触发操作员警告、安排预防性维护,甚至可用于进一步完善衍生/未来一代IC的设计和制造。”

英特尔、AMD和Marvell等IDM已经实现了一个重大转变,那就是向小芯片(chiplet)的方向发展。随着其他芯片制造商开始利用经过预验证的硬IP块,这一趋势有望得到推动。所有主要的代工厂的路线图上都有小芯片。

Arteris IP董事长兼首席执行官K．Charles Janac说:“芯片将变得越来越重要。有些将用于特定功能,有些需要专门的处理器。但要实现所有这些工作,互联将需要变得比今天更复杂。互联的好处是几乎有无限的创新可能性。有很多方法可以增值。”

这反过来会使定制更简单,成本更低。整个行业的努力已经在进行,并将在2021年及以后继续进行,包括从专门的加速器到更标准化的表征和更好定义的算法。

Imperas Software首席执行官Simon Davidmann说:“我们看到的是,所有这些机器学习算法都得到了很好的定义,现在人们正试图构建硬件架构来高效地实现它们。”

他表示:“如果你开车,你需要实时的数据。安全摄像头就不一样了。如果你在几秒钟内拿到,没关系。但是对于一辆车,如果有人走在你前面,你就需要立刻发现。这需要大量的计算,而且因为你不可能把所有的事情都加速,你最终会和很多很多的处理器并行进行。”

中国举足轻重

所有这些技术都需要从地缘政治的角度来看待,而在过去几年之前,芯片行业基本上还没有这种技术。在整个2020年,其中一个重大事件就是美中贸易战。目前尚不清楚拜登政府将如何应对中国,但普遍的共识是,即使两国关系没有完全解冻,两国关系也会有所改善。

Quik-Pak母公司Promex总裁兼首席执行官Richard Otte表示:“我们迎来了一位新总统,人们对新政府的政策抱有很大的期待,有些情况也令人担忧。但他们显然将在许多方面与我们过去的情况有所不同。我个人预计,我们与中国的关系将继续遇到困难,与欧洲的关系将有一点紧张。这些都在影响生意。我不知道我是否会称之为冷战,但与中国肯定有一场冷战。我们的许多行业产品来源于中国,由于人们不能前往中国,我们在沟通许多项目和解决问题方面遇到了困难。那会造成延误。但它不会阻止亚洲货物流向北美,但货物将在岸上停留更长时间。这将是未来几年逐渐形成的趋势。随着联邦政府对支持美国技术和制造业越来越感兴趣,你将看到更多的资金直接投资于此,而且大部分是间接投资于此,由政府来支持美国制造业——特别是支持军队,也许还有新兴的航天工业。”

贸易战的影响已经对芯片行业的许多领域产生了直接影响。这一点在中国台湾尤其令人担忧,那里有两个大型商业代工厂——台积电(TSMC)和联华电子(UMC)——以及全球最大的OSAT(封装测试企业)——ASE。在那里,政商平衡既微妙又复杂。

“半导体行业是一个协作、共生的生态系统,”ASE首席运营官Tien Wu在最近的一次圆桌讨论中表示。“代工厂并不拥有这个市场。我们没有关键材料设备技术。我们拥有的是加工和制造的灵活性。”

他说:“我们之所以占据全球半导体制造业的22%,因为大家都知道这里是一个很好的位置。每个人都需要我们。每个人都愿意帮助你。我们从欧洲得到关键设备。我们从日本得到所有关键的材料加工设备。我们正在为美国和中国做生意,没有人为此感到不安。”

新兴市场汽车最大

芯片最大的新兴市场之一是汽车。2015年至2018年期间,汽车市场快速增长,之后随着汽车主机厂退潮并重新评估其目标和体系结构,市场大幅放缓。汽车主机厂们并没有试图在每辆车上都安装一台超级计算机(这在经济上是不现实的),而是将重点放在可扩展的体系结构上,以处理越来越多的驾驶员辅助功能。

尽管疫情造成了交通和新车销售的损失,但这项工作仍在进行。Fraunhofer的Schneider说:“这一点,加上度假旅行仍将受到限制,不可避免地将对汽车和航空业的电子元件供应商产生负面的影响。至少在欧洲,汽车工业面临的困难局面是越来越严格的气候保护要求。创新的辅助和娱乐系统将无法弥补从内燃机转向电动汽车所造成的销售损失。”

然而,正如所有电子公司都知道的那样,成功走出低迷的唯一途径是设计创新。因此,汽车芯片设计开始再次增加,随之而来的是对边缘电气化和通信基础设施的需求。

Mixel总裁兼首席执行官Ashraf Takla说:“我们支持汽车需求已达10年。从需求和我们需要做的事情来看,这种变化真的很惊人。就像一个新的生态系统从零开始诞生,每个人都在学习。真的没有专家。每年都有新的要求,我们需要做新的仿真,我们需要遵循更多的规则。”

但汽车也带来了一系列严格的要求,既有行业驱动的要求(ISO 26262和ASIL A、B、C、D),也有主机厂驱动的要求(18年零缺陷),这对测试测量行业产生了影响。

Takla说:“这对CAD公司非常有利。你需要更多的工具。老化和电迁移非常重要。对于消费电子产品,设计通常是三西格玛。对于汽车来说是五西格玛或六西格玛。幸运的是,这一切并不是一夜之间发生的。但它将在2021年和未来几年继续存在。”

这场疫情也为医疗器械和设备打开了一个巨大的市场,多年来,在政府监管和医疗专业人员对采用新技术的抵制下,医疗器械和设备已停滞不前。

Promex的Otte说:“医疗器械在历史上是用独特材料制成的机械产品。但近年来,人们开始将电子器件与现在能够收集信息的设备结合起来,电子设备可以处理信息,并将信息以无线电信号的形式呈现出来,可以闪光、鸣叫或显示。电子技术与医疗设备和医疗需求的结合正推动着行业的发展。许多事情都是可能的,其中一些都是与手机提供的处理能力和互联网连接在一起运作的。”

远程诊断和通信的可能性刚刚开始得到认可。Takla说:“现在更强调远程访问。这些领域的技术已经从中受益,甚至在后疫情时代也将继续受益。新的常态将是更多的人远程工作,因此支持这类活动的网络和半导体将从中受益。追踪工作也将继续,也许在美国不会那么多,但在中国和世界其他地区肯定会。我们还会看到更多的5G和AI。”

安全成为主流

不过,连接更多的设备需要有另一种要求。安全性是一个日益严重的问题,随着汽车等安全关键设备中半导体含量的不断增加,人们的担忧将继续增加。

为系统设计师提供构建最安全完整解决方案的Tortuga Logic执行主席兼临时CEO Andreas Kuehlmann说:“安全性正遵循我们多年前在软件领域看到的相同趋势。每个人都处在不同的阶段,随着事件的发生,他们真的很挣扎。安全将成为一个更加密集的实践。

他表示:“不仅仅是半导体公司讨论安全问题,他们知道该怎么做。更大的问题是如何评估风险。这已经在金融业开始,并正在转向汽车业。我们希望在医疗器械领域也能看到类似的努力。”

安全性影响到每一个设备的每一层,以及在遥远的供应链中制造这些设备的每一个过程。OneSpin的Brinkmann说:“如果我们深入探讨安全问题,就会想起最近有关SolarWinds黑客攻击的头条新闻。这次攻击证实了软件供应链是脆弱的,但我们需要记住,硬件供应链也容易受到安全风险的影响。具体来说,IP块(如处理器、片上通信和数据路由)都构成了一个重要的无保护攻击面,尤其是在设计过程的早期。使用标准方法很难或几乎不可能检测到这些漏洞。如果在流程的早期没有检测到这些安全漏洞,它们可能会一直处于休眠状态,直到部署系统,从而导致灾难性的后果。”

疫情与经济复苏

关于冠状病毒大流行的后果,人们已经写了很多文章并进行了推测。普遍的共识是,全球大流行将以疫苗和群体免疫结束,但在某些地方结束的速度要比在其他地方快得多。这将决定各地区的经济复苏时间表。

Cadence的陈立武说:“辉瑞公司、强生公司和其他公司的首席执行官们说,他们将在3月份前推出1亿剂疫苗。到明年下半年,疫苗应该可以广泛使用。因此,第一季度半导体行业仍将面临挑战,因为科威特,尤其是在英国和美国,Q2将更加稳定。然后,因为被压抑的需求,第三季度和第四季度将好转。因此,鉴于半导体需求强劲,加上库存水平良好,我谨慎看好2021年,甚至2022年。”

OneSpin的Brinkmann表示同意。“随着我们进入2021年,有一些影响市场的明显因素将从2020年延续下来。大流行仍在肆虐,在疫苗得到广泛分发之前,疫情很可能不会停止。这意味着,至少在今年上半年,2020年的商业实践将以大致相同的方式进行。除此之外,还有其他一些环境因素将造成不确定性,包括英国脱欧将如何处理、新总统政府的影响以及贸易战的影响。”

尽管如此,工程师和科学家在未来的工作地点和工作方式仍不确定。Xilinx的Peng说:“2020年的疫情在远程工作、学习、医疗保健、娱乐、工厂运营等方面都是一个启示。疫情将在2021年进一步加速这些趋势,并推动新的创新和商业模式。更笼统地说,我们将见证从端点到边缘和云的普及,以及互联智能的数字化加速对高性能、低延迟和自适应计算的需求,以及应对摩尔定律的终结。