MarketWatch市场观察为何半导体业的设计不断加快Why is semiconductor industry design activity accelerating?作者 / 迎九 《电子产品世界》记者摘要：在2018年9月的Mentor Forum 2018（Mentor技术论坛）上，Mentor公司（隶属于Siemens工业软件部门）的中国区总经理凌琳先生，介绍了Mentor总裁兼CEO Walden C. Rhines先生对半导体设计行业的观察，分析了三大原因导致了半导体业设计不断加快，并认为半导体业还有20年的增速发展期。DOI: 10.3969/j.issn.1005-5517.2018.9.001为何半导体业2017年出现了蹿升？半导体业前几年总产值超过了3000亿美元，过去一直徘徊在3%左右的年均增长率，EDA约是6%的增长速率。但是到2017年时，半导体业突然有22%蹿升，产值马上要突破4000亿美元。从VC（风险资本）角度看，前几年整合一直是重要旋律，但这两年来很多重大的整合没发生，例如高通收购NXP没有发生，东芝也没发生，因此整合已经变得无关紧要，对业界的营收增长没有什么贡献。而是一些小事情在影响，例如Memory（内存）的增长有贡献，半导体业2017年增长22%，很大一部分原因是Memory的增长拉动。另外从技术演进和研发角度来看，各家公司发现若要有更高的市场占有率和竞争力，研发是非常重要，因此研发的脚步并没有停止，而且越来越快，例如2017年研发经费有9.8%的增长。最后一个因素是无晶圆厂半导体公司（fabless）的风险投资资金增加。如图1可见，从2009年到2012年的4年间，VC平均投资9.2亿美元，到2013年突然下跌得很少了，没人愿意投资这个产业，因为有很多不确定性，经济也没那么好，平均只有3.8亿美元，但是到2017年和2018年，又有了井喷式的发展。这背后一定是有原因的。谁新进入了芯片设计领域？那么，哪些企业新进入了芯片设计领域，才会促使整个投资往上增长?首先，以前不是传统IC设计的客户也做芯片了。1.例如亚马逊、Google、Facebook等传统互联网公司。2.博世和特斯拉等汽车电子和汽车公司。3.中国对半导体投资的激励。例如2014年开启了第一波图1 Fabless半导体风险资本投资逐年各轮的情况来源：全球半导体联盟（GSA），IMF，VentureSource，Pitchbook，Crunchbase和Mentor Graphics修订，2018年8月16日大基金，第二波是2018年，以促进中国半导体业的创新发展。38ELECTRONIC ENGINEERING & PRODUCT WORLD 2018.10201810正文.indd 82018/10/18 10:52:44MarketWatch市场观察图2是中国IC设计企业数量变化表。可见2016年有1362家企业（来源：魏少军教授在中国ICCAD设计峰会的报告），当然里面也包括一些分公司，因此大概至少有九百家图2 中国IC设计企业数量表来源：中国对半导体产业的影响，普华永道和集邦，2017数据点来自EE Times亚洲2017年11月28日的文章左右的设计公司。而且数量还在持续增长，但不再是井喷式的增长，是比较理性的微增。中国半导体的跳跃式、跨越式的发展是有原因的，像2001年，从1998到2001年的两百家，标志性的事件是2000年开始中芯国际（SMIC）开始在上海浦东的张江高科技园区建厂，上海宏力也在2001年开始建厂，因此有更多的先进制造产能可以供给本土设计企业。此外，本土设计公司获得了很多资金，产品有了新的应用，因此很多创新企业涌现。更重要的是，中国以前小微企业较多，竞争力和价值不够大。经过十年已发展壮大（如图3）。例如2006年时，体现规模效应的100到500名员工的设计企业只有9.8%，大部分都小于50人，大于500员工的企业几乎没有。但十年以后已经很健康了，100到500名员工的fabless已经有43.3%，这是非常好的数据，说明这些小微企业已经长图3 中国Fabless公司变得更大来源：中国对半导体产业的影响：2016年更新，普华永道图4 特定领域体系结构主导的初创公司融资金额来源：全球半导体联盟（GSA），VentureSource，PitchBook及Mentor Graphics分析大了，存活得很好，而且是有竞争力的。大于410ELECTRONIC ENGINEERING & PRODUCT WORLD 2018.10201810正文.indd 102018/10/18 10:52:52MarketWatch市场观察图灵奖的获得者。他指出摩尔定律的终结及更高速的通用计算，使得新的黄金时代已开启。过去的软件和硬件有两方面局限：1.以软件为中心时，好处是可编译现代化脚本语言；不过，尽管对程序员很友好，但对执行过程不友好。2.以硬件为中心时，只有特定域架构可选图5 特定应用程序体系结构主导的Fabless初创公司(1-3轮)来源：全球半导体联盟（GSA），VentureSource，PitchBook及Mentor Graphics分析择；另外只作部分任务，尽管做得非常好。因此，图6 2018年至今，14家Fabless AI公司获得的风投基金来源：全球半导体联盟（GSA），VentureSource，PitchBook及Mentor Graphics分析500人以上的较大企业占6.1%。二者结合后会产生特定域语言和架构。即随着摩尔定律慢慢走向缓慢、甚至终结，其实有更新的、更好的方法出现，这会开启新时代。因为人们已无法从芯片/硬件的特征尺寸缩小中来产生更多的算力，人们必须要从软件、要用特定场合的架构、混合架构去重新思考，以增加IC的竞争力。如图4可见，在特定领域已经凸现其投资变化。新“特定领域”架构的主要浪潮另一个推动设计往前发展很快的原因是新的“特定领域”架构。AI是其中的一个分支。Johm Hennessy是斯坦福大学的校长，也是Google母公司Alphabet的董事长，及2018年世界512ELECTRONIC ENGINEERING & PRODUCT WORLD 2018.10201810正文.indd 122018/10/18 10:53:02MarketWatch市场观察中国也是一个热点，占到了第四位。AI AI是个老概念，1986年已有。那么为何上世纪80、90年代搞不好？没有现在井喷式的发展？图7 特定领域的AI/深度学习控制器来源：全球半导体联盟（GSA），VentureSource，PitchBook及Mentor Graphics分析因为首先缺乏大数据进行分析。因为当时没有互联网、物联网来收集大量数据集。其次，有限的计算能力。传统计算机芯片架构有局限性，使得当时CPU的算力有限。第三是没有更高级的算法支撑。再有，当时的社会缺乏 “杀手级应用”进行盈利。而还不像今图8 HLS和Hard-RTL的比较来源：Mentor天有很多手机APP等应用让人们天天在用，由此可以从中产生利润。现在看所有轮的投资，即第一轮至第九轮投资。可见不仅前三轮有巨额资金，后面还有人持续在投，说明这些公司有可持续发展能力。如图6是14家排名靠前的fabless公司得到的VC，可见2018年到现在已经有接近8亿美元投到AI、深度学习公司里面，其中很多公司是中国公司，据全球半导体联盟（GSA）、VentureSource、Pitch Book及Mentor公司分析，中国得到的VC已经是美国加州的6.1倍，可见中国企业在此已遥遥领先了。那么，这些钱投到哪些方向了？如图7，最多的是面部识别，是基于图形/图像识别的。第二名是数据中心、云AI和高性能高性能计算。第三名是边缘计算，例如手机上也可以装AI算法，然后让手机上的应图9 姜氏曲线(Gompertz Curve)来源：Mentor2017年下半年出现了跳跃，而此前的5年一直是很平稳的，拿到的投资不多。现在资金都投向创新的、做特定应用的处理器和架构的初创公司。这些钱去了哪里？谁拿了最多的投资？毋庸置疑是AI（人工智能）和机器学习（ML）。如图5是7年的数据，从2002年到目前的2018年，可见AI与机器学习获得了11.6亿美元；加密数字货币/比特币是前两年的热点，现在有些回落，但也有4.6亿美元；高速通讯/5G是值得期待的，有3.01亿美元；存储器现在在614ELECTRONIC ENGINEERING & PRODUCT WORLD 2018.10201810正文.indd 142018/10/18 10:53:07MarketWatch市场观察在笑，30%是在哭，是哭笑不得等。因此到了感知层面，很难言表，需要有更多的参数描述。不仅小公司在做AI的数据采集及分析应用，微软也在做。微软开发的Hololens是混合现实（MR）设备，包括定制全息处理单元（HPU），定图10 总晶体管Gompertz曲线来源：VLSI研究，2016制AI处理器，定制飞行时间（FoT）深度相机，4灰度相机，IMU（惯性测量单元）、其他传感器和红外摄像机。特定领域体系结构需要新的设计方法和工具AI/机器学习需要更高级的设计抽象和图11 2040年前需要替代硅晶体管来源：VLSI研究，2016功耗分析，即HLS。仅用过去的硬件表述语言（HDL）是很难去描述一个复杂项目的，必然把抽象层推到用更高级的语言。到目前为止，做芯片设计的人追求的是PPA（性能，功耗，面积），在规范化总设计和验证时间比较方面，用HLS来写的时间只有Hard- RTL的1/10；在不同的模块中实施下来，平均好四倍（如图8）。因此，HLS方非常好，它可以更简短、快速地去把想要达到的目的写下来，之后生成的机器语言质量也更高。更好的是，用高阶语言写的任务，可以从定向到各种不同的方案里去。另外，可以更快地切换工用程序跑得更快，使手机可以进行面部识别解锁，最新的应用是识别更多的环境景象参数。第四名汽车电子，包括汽车的自动驾驶和辅助驾驶，全球EV（电动汽车）的初创公司大概是三百多家，其中中国有一百多家，所以一半在中国。第五名是语音。现在的AI已经发展到什么程度？人们正在开发情感处理器单元（EPU），不仅能特定地采集数据，甚至还有表情，例如你到底是在哭还是笑，还是在奸笑、傻笑？这提高了处理器的识别难度。EPU已经达到感知层，就不再是0和1了，是模糊数学，例如56%716ELECTRONIC ENGINEERING & PRODUCT WORLD 2018.10201810正文.indd 162018/10/18 10:53:10责任编辑：王莹艺，所定义的参数不用重写Code。线，发现我们现在处在非常婴儿的阶段——量还没有例如英伟达的Tegra X1的千万门视频解码器采用真正起来（如图10）。了HLS，将验证成本降低80%。那么什么时候是终点呢？如图11，大概到36.8%这个最大切线角度的时候是2038年，(下转第31页)半导体市场成熟了吗？半导体市场2017年突然井喷式发展，到底是成熟了？还是回光返照？姜氏曲线(Gompertz Curve) [1]可以代表其规律。该曲线的特点是初期增长缓慢，以后逐渐加快，当达到一定程度后，增长率又逐渐下降，最后接近一条水平线。其最大增长率的点大概在整个曲线的36.8%之处（如图9）。该曲线是1825年数学家Benjamin Gompertz提出的，用以预测所有事物的生长周期，无论是肿瘤的生长过程、人口增长，还是手机的上升过程，就算在金融界，这也是一个非常好的模型。它本质上是一个指数的指数，以时间为序列。从总晶体管数量拟合的姜氏曲线可见，把从2005年到2017年这段挖出来，耦合出一根曲www.eepw.com.cn 2018.10178201810正文.indd 172018/10/18 10:53:12基金攻关项目展示Fund Projects Showing标误码率和固定功率分配的约束下，通过子信道信噪比[2]ANCILLOTTI E，BRUNO R，CONTI M.Review: The role of communication systems in smart grids: Architectures,technical solutions and research challenges[J].Computer 估计值和多子信道信噪比估计值获得可以增加至OFDMCommunications，2013，36(17-18) : 1665-1697．[3]谷志茹.面向AMI的低压电力线信道特性与传输性能优化方法研究[D].湖南大学，2015.[4]Ho-Lung Hung.Adaptive Resource Allocation Algorithm Based on Minimize Average Bit-符号的额外比特，自适应的分配给对平均误比特率影响Error-Rate for OFDM Systems [J].Springer,2017(94):3091-3112[5]Najib A.Odhah,Emad S.Hassan,Moawad I.Dessouky,Waleed E.Al-Hanafy, Saleh A.Alshebeili,Fathi E.Abd El-Samie.Adaptive Per-spatial Stream Power Allocation Algorithms 最小的子信道，从而得到接近最优传输率for Single-User MIMO-OFDM Systems[J].Springer,2018(98):1-31[6]Sima Bahrani,Mostafa Derakhtian,Alireza Zolghadrasli.Performance analysis of a low-complexity MAP algorithm for automatic modulation classification in adaptive OFDM systems[J].的调制方法，降低了运算的复杂度，提高IET Communications,10（7）,pp:2363-2371[7]VOTN,AMIS K,CHONAVEL T,et al.Achievable throughput optimization in OFDM systems in the presence of interference and its application to power line networks[J].IEEE Transactions on 了传导速率，增强了吞吐量，提升了实用Communications,2014,62(5):1704-1715[8]朱继华,王竟鑫，申茜，邱飘玉，王永，袁建国.OFDM系统中一种改进的低复杂度自适应比特功率分配算法[J].重庆邮电大学学报（自然科学版），2017，Vol29,NO.2:203-207价值。[9]Xi Chen, Zhenhua Feng, Ming Tang,Huibin Zhou,Songnian Fu, Deming Liu．A 3-D Adaptive Loading Algorithm for Direct Detection Optical OFDM System[J].IEEE,2016,2-5参考文献：[10]Lee.K.C,Wang.S.H,Li.C.P,Chang.H.H,Li.H.J.Adaptive resource allocation algorithm based on cross-empty method for OFDM systems[J].IEEE [1]马晓奇.电力线信道通信技术发展现状及其应用前景[J].机电设备，2014(3):36-40.Transcations on Broadcasting,2017,60:524-531(上接第8页)所以还有20年的增速发展。每一年的速然加速，2018年下半年存储器价格会出现负增长。持率应该是增加的，一直到2055年以后，续强劲的非存储器市场的增长是由于：1.IC设计业有新才会放缓，渐渐倾向于收敛。参与者，2.中国对半导体的投资。3.初创企业活动的加我们那时要有新材料、新的特别技术才能维持增速，4.引入“特定域处理器”。特定域架构和学习曲速。虽然这个增速不会再保持更高。所以用传统的目前线将实现下一波增长，带来低功耗、高性可预见的硅晶体管，大概是这样一个曲线。所以半导体能、低成本，同时减少设计时间和设计成业至少还有20年在这里好好享受它的增长。本。小结参考文献：[1]王莹.预测半导体的下一波浪潮.电子产品世界,2016(9):3IC设计正在迅速增加。2017年半导体收入增长突[2]迎九. 本土部分存储器及存储控制器厂商的发展策略.电子产品世界,2018(8): 14-20补充问答为何一些代工厂放弃先进制程的研发？不会减少，因为每做一个芯片设计，最后都要sign off（签格芯（GLOBALFOUNDRIES）和联电（UMC）分别核），事实上绝大部分企业是用calibre来做最后sign off的。宣布放弃了7nm和12 nm及以下的制程研发。现在剩下的代工企业不多了，有台积电，三星，英特尔。因为逻辑CMOSMentor的EDA4.0战略越做越贵，很多来源于它的机台和硬件成本非常高昂。Mentor提出了EDA4.0口号，体现在两点。第一是Mentor公司中国区总经理凌琳先生称，首先，从代工Mentor与西门子合并，成为西门子工业软件的一部分之后厂来看到，不仅有尖端的Node（节点）在做，还有很多特的理想愿景，由EDA4.0可以联想到 “工业4.0”、智能制殊工艺，例如High-V、RF等。所以虽然7 nm、12 nm的造、西门子的“Vision 2020+”等。展望未来，Mentor加上代工厂变少了，但或许会推动设计者去做More than Moore西门子的工业软件，无疑是一个更强的组合。因为两家的（超越摩尔定律）的产品，例如，以前很少有人做40 nm业务加起来，营收已经接近40亿美元，这是传统EDA公司的嵌入式Memory，现在有很多公司在做这方面的方案，达不到的；而且Mentor/西门子工业软件走向了更广阔的甚至推向28nm NVM平台都会有的[2]。因此，会很多人在客户群，从原有的IC设计、PCB（印刷电路板）业务，面14 nm做更多More than Moore选择，例如做特殊工艺的平向更广阔的智能制造，即Mentor的E-CAD是EDA工具，西台。门子有很多M-CAD机械的仿真软件，如果把这两者有机EDA公司也在向宽度扩展，在既有的node（节点）结合起来，会使系统级设计受益。所以把EDA扩展到4.0，扩展offer。因此用Mentor公司的Licence（授权许可）并Mentor进入到新的更高的层次。3140ELECTRONIC ENGINEERING & PRODUCT WORLD 2018.10201810正文.indd 402018/10/18 10:53:52
