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)擴展

回顧即將過去的三月，盡管本月是許多股票上市的半導(dǎo)體公司發(fā)布2022年年報的月份，也是很多全球重要半導(dǎo)體行業(yè)活動開始登場的月份，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，也不是某家公司發(fā)起的大型收購。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)對半導(dǎo)體行業(yè)帶來的機會，以及摩爾定律的提出者戈登·摩爾先生辭世引發(fā)的對行業(yè)發(fā)展規(guī)律的進一步探索。

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。摩爾先生對半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的貢獻給我們的工作和生活帶來了巨大的影響，仙童半導(dǎo)體點燃了硅谷之火，英特爾則是今天數(shù)字世界的一個重要推動者；摩爾先生也致力于慈善事業(yè)，特別關(guān)注環(huán)境保護、科學(xué)探索和患者護理改善，他與妻子一起成立的戈登和貝蒂·摩爾基金會共向慈善事業(yè)捐贈了超過51億美元。

戈登·摩爾（圖片來源于英特爾官網(wǎng)）

摩爾在1965年提出的摩爾定律（Moore’s Law）準(zhǔn)確地預(yù)測了半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展，他在最初提出時預(yù)測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兩年增加一倍。盡管對摩爾定律會在什么時候失效的討論從未停止過，但是這項預(yù)測不斷被半導(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“集體路線圖”的同時，也在過去數(shù)十年中啟發(fā)和激勵了半導(dǎo)體行業(yè)的從業(yè)人員充滿激情并不斷地去創(chuàng)新，用更多更先進的半導(dǎo)體技術(shù)為人類帶來福祉。

摩爾定律的擴展與更多的爭論

戈登·摩爾的產(chǎn)業(yè)洞察力還激發(fā)了更多行業(yè)人士對科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)律的探索，針對半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢，不僅提出了“More Moore”和”More than Moore”這樣的趨勢，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的首席營銷官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首席營銷官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)帶來的機遇：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兩個好處，其一是新一代芯片的功耗與上一代芯片大致相同，其二是可以通過增加時鐘頻率來提高性能。此外，阿姆達爾定律指出可以通過使用并行處理器來處理潛在的執(zhí)行加速問題，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認為摩爾定律、登納德縮減定律和阿姆達爾定律正面臨諸多挑戰(zhàn)，這是因為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)也要符合技術(shù)經(jīng)濟學(xué)規(guī)律。比如，對于90nm及以下的工藝，漏電流（leakage current）在芯片設(shè)計中就變得非常重要，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。這時如果時鐘頻率太高，就會存在芯片熱失控的風(fēng)險；這意味著時鐘頻率有一個實際的上限，很少有設(shè)計能達到2 GHz以上。

ChatGPT也需要越來越豐富的終末端場景

另外一個促使行業(yè)偏離這些定律的驅(qū)動力是芯片應(yīng)用場景的多元化，物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式計算、邊緣計算、智能汽車和其他各種智能化應(yīng)用中的處理器不僅無法像PC/服務(wù)器的CPU和手機/平板電腦里的AP一樣靠巨大的批量來攤銷先進工藝制程的成本，同時還需要針對應(yīng)用來進行定制化、實現(xiàn)異構(gòu)計算和多種工藝集成。這些終末端計算和智能在未來極為重要，ChatGPT最終也要通過這些端側(cè)設(shè)備來走入我們的工作和生活。

所以，嵌入式計算帶來了更加靈活的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。在去年，采用RISC-V架構(gòu)的芯片的出貨量超過了100億顆，其中一直走定制處理器路線的Codasip就支持其客戶貢獻了20億顆。Codasip的客戶開發(fā)的RISC-V處理器被成功地應(yīng)用在存儲、工業(yè)和醫(yī)療等垂直市場。

還有一個非常顯著的案例就是5G NR小基站芯片，PC802是比科奇（Picocom）在全球開發(fā)的第一顆小基站基帶處理（PHY）系統(tǒng)級芯片（SoC），它與采用先進工藝的處理器+FPGA的基站架構(gòu)相比，大幅降低了功耗（運營商可以大幅度節(jié)省電費），并在主芯片上具有更高的經(jīng)濟性，還給下游小基站開發(fā)商帶來更大的靈活性。目前，全球已有數(shù)十家企業(yè)采用比科奇的PC802來開發(fā)5G/4G小基站，其中中科微、東方國信、幾維通信和易科奇等企業(yè)的小基站產(chǎn)品已經(jīng)通過了運營商的測試。

比科奇PC802小基站基帶SoC

所以，盡管物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式計算也在不斷采用新的工藝節(jié)點，但并不再過度追求最先進的工藝，而且也無法充分利用最先進節(jié)點的工藝，因為例如無線SoC中的射頻部分或者MCU中越來越多的混合信號部分并不能用先進工藝來縮小芯片面積?；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)等正在成為市場競爭的關(guān)鍵。

來自嵌入式世界一線的觀感

今年三月，在德國紐倫堡市舉辦的“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，即針對應(yīng)用和生態(tài)進行創(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)界最全面的無線產(chǎn)品組合和參考設(shè)計，包括藍牙高精度距離測量（HADM）、帶有加速器的機器學(xué)習(xí)（ML）、Matter以及亞馬遜Sidewalk等，用智能無線技術(shù)滿足物聯(lián)網(wǎng)未來應(yīng)用需求。同時還發(fā)布了超小型的xG27系列藍牙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便的消費電子產(chǎn)品等。

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

此次合作推出的Codasip的雙內(nèi)核鎖步參考設(shè)計可為汽車應(yīng)用開發(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了TüV SüD的認證，符合10個不同標(biāo)準(zhǔn)的要求，其中也包括ISO 26262功能安全標(biāo)準(zhǔn)。

越來越強大的嵌入式計算和邊緣計算世界

盡管嵌入式計算、邊緣計算乃至部分采用先進工藝的異構(gòu)計算并沒有按照摩爾定律來做芯片的集成，但是目前也不妨礙它們在特定的應(yīng)用市場和生態(tài)中變得更加強大。如我們前面所分析，根據(jù)其各自應(yīng)用的要求，這些芯片通過引入安全性、功能安全性、硬件加速器以及其他措施來提高可靠性和性能。國內(nèi)中國芯企業(yè)在相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)也已取得了巨大的進展，例如泰斗微電子推出的北斗/GPS雙模衛(wèi)星導(dǎo)航SoC芯片通過了極為嚴(yán)格的AEC-Q100 Grade 2車規(guī)認證，兆易創(chuàng)新采用IAR合規(guī)開發(fā)工具的MCU產(chǎn)品獲得車規(guī)認證等等。

在計算性能方面，越來越多的嵌入式和邊緣計算芯片平臺通過引入諸如嵌入式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了1500萬。全球數(shù)十家頂級科技企業(yè)正在應(yīng)用這種eFPGA來打造自己的芯片，用于網(wǎng)絡(luò)加速、智能汽車、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)計歷久彌新

安全也是另一個非常重要的話題，也是一個具有廣闊前景的市場。根據(jù)在香港上市的中國電子華大科技有限公司（00085.HK）發(fā)布的2022年業(yè)績報告，該公司旗下的國內(nèi)首家自主集成電路設(shè)計企業(yè)北京中電華大電子的安全芯片得到廣泛的應(yīng)用，該公司的凈利潤比2021年增長了325%達5.31億港元。該公司表示：隨著5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的推廣對信息安全需求有所增加，使本集團在智能網(wǎng)聯(lián)車及物聯(lián)網(wǎng)安全芯片應(yīng)用市場的推廣上取得較好效果。年內(nèi)eSIM芯片、智能網(wǎng)聯(lián)車安全芯片及高端SIM芯片市場需求大幅增加，銷售量較去年大幅增長。

結(jié)語

作者單位北京華興萬邦管理咨詢有限公司十幾年來為國內(nèi)外很多處理器芯片設(shè)計公司提供了中國市場服務(wù)，包括全球第一家Arm Server Chip開發(fā)商、全球最高集成度的DSP cluster開發(fā)商，CPU、GPU、RISC-V芯片和IP，F(xiàn)PGA芯片和IP，各種無線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)開發(fā)放在比生態(tài)建設(shè)更優(yōu)先的位置上。其實這兩個方面都同樣重要，對嵌入式計算、邊緣計算和異構(gòu)計算尤其如此。