敏捷开发之道如何10倍提升芯片设计效率?

在10月18日于苏州举办的CNCC 2019中国计算机大会的“集成电路芯片的敏捷开发之道”论坛上,摩尔精英董事长兼CEO张竞扬发表了“1/10资金、1/10时间、1/10团队,如何做出物联网芯片?”的专题演讲。

摩尔精英董事长兼CEO 张竞扬

现场演讲中,张竞扬表示,CNCC 论坛是在他2019年被邀参加的众多半导体行业论坛中最让他期待、也最有纪念意义的论坛之一。

芯片敏捷开发很可能开创半导体行业的下一个时代,为什么他会这么说? 

“高速发展的半导体行业与潜力巨大的碎片化市场”

2017年全球半导体产业产值约4300亿美金,2018年4700亿美金,但其实只占全球GDP(83万亿)的0.6%左右。半导体产业总值从1996年的1400多亿美金增长到今天的不到5000亿美金,年复合增长率平均在6%左右。占比相对小,增长相对快,半导体行业才刚刚成年。未来20~30年,半导体仍将是科技进步的主要推动力之一。

张竞扬提到,中国的半导体行业产值年度复合增长率在20~30%左右,去年是31%,未来的十年可能还会保持一个非常高速的增长,所以今天我们在这个行业的人是幸福的。从近两年的行情来看,IC行业硕士毕业起薪的平均涨幅是超过房价的。

“芯片国产替代,滚雪球的坡道又高又长”

2018年中国芯片进口3120亿美金,使用了世界上约2/3的芯片(注:尽管其中一大部分又被加工为电子产品出海了),但国产芯片仅380亿美金,自给率为11%左右。国家希望在2025年,实现芯片自给率70%的目标。按照整个半导体市场以6%左右的CAGR来估算,到那时整个半导体市场的体量将会在5000亿美金左右,我们的目标是70%,即3500亿美金,能够自产自用。

正所谓一眼万年,十年内要让本土芯片产业取得近十倍的增长,一代人,必将走过千山万水。这既是所有半导体人的机会,也是义不容辞的责任。从全球半导体行业规模年均4700亿美金与中国芯片自产率仅11%的巨大差距中,我们看到了中国本土芯片未来的成长空间。

摩尔定律发展到今天,给了更多人站在别人肩膀上创新的机会。当技术节点的迭代停滞,对底层工艺提升的依赖性减弱,有更多的机会在芯片设计上做文章,不断提升的芯片性能,这就给了后进者更多追赶的机会。半导体产业大环境正在发生剧烈变化,规则变化是新公司崛起的摇篮。同时,无论是自动驾驶还是智能图像/语音识别,市场上眼花缭乱的人工智能终端应用,都在呼唤更好的硬件性能,大量的钱等着买单。

“行业规则改变,芯片从标准产品到定制服务”

过去,PC和智能手机市场几乎被全球前十大芯片公司垄断,今天,AIoT时代到来,我们看到了明显的转变,市场的需求表现出前所未有的多样性,虽然单品的出货很小,但在聚沙成塔的效应下,这是一个非常大的市场。张竞扬认为,芯片将从“标准化的产品”转变成“定制化的服务”。一方面,定制能够在同等工艺条件下带来成百上千倍的性能提升;另一方面,芯片也越来越需要同终端应用相结合,站在欧美总部大楼拍脑袋定产品的时代已经过去了。

在性能-灵活度的折中上,像CPU这样的通用处理器享有最大的可编程性和灵活度,但同等功能性能下,功耗最大; ASIC(Application Specific Integrated Circuit 专用集成电路)等于将使用场景固化,灵活度最小,但效率更优。

今天的大多数芯片,即使是许多所谓的ASIC,本质上仍然是多用途的。我们常常直接使用商业化IP和晶圆代工厂的标准单元库,尝试在一款芯片中尽可能多地组合功能,通过一次流片覆盖更多市场,快速上市。但所有这些捷径,都以降低芯片性能为代价。

如果我们把ASIC设计推向单一化的极致(Domain Specific, Dedicated ASIC),结果令人震惊。以加密货币挖矿计算为例,Benchmark的结果显示,同样成本下的专用ASIC效率,可以达到CPU的数十万倍。这些设计者们采用全定制基本单元库,手工来优化布局布线,挑战晶圆代工厂DRC的极限,用设计SRAM基本单元的方式设计芯片,任何能够优化的地方,他们都会大胆一试。有人说这是一种设计方法的倒退,浪费了大量的时间去做无意义的工作,但是矿机ASIC确实取得了惊人的性能。

我们看到芯片设计的潜能是巨大的,今天之所以没有太多的芯片被定制化到这么极致的性能,原因在哪里?

过去,设计一款28纳米芯片的设计成本约为5000万美元,7纳米的设计成本上涨到3亿美元,而预测3纳米的芯片设计成本将达到难以置信的15亿美元之多。已经很少有芯片设计公司,能够承受得起这么昂贵的前期投入了。先进工艺制程的芯片研发成本不断攀升,大公司要看到10亿美金,100亿以上销售预期的市场才会进入,早期的AIoT产品无法一夜之间提供这样的市场机会。

“如何用1/10的资金,1/10的时间,1/10的团队能做出同样的芯片”

随着工艺节点演进,芯片设计成本节节攀升,芯片设计方法学需要新的尝试,这就是今天大家不约而同地讨论”敏捷开发“的原因。

芯片成本结构里面很大的一块是EDA跟IP,尤其是在产品研发阶段,这是公司早期很大的一笔投入。全球的SDE/EDA和IP市场,加起来一共98亿美金左右,其中IP市场体量约36亿美金,而全球芯片销售总额约4700亿美金,IP在其中只有,区区0.8%。

但是,几乎所有人都在抱怨IP卖的贵,为什么?

张竞扬指出,核心症结在于过去的“商业模式”,在于收钱的时间节点太早。IP厂商的初始授权费+Royalty的模式,在手机市场还能行得通,但在物联网芯片市场,芯片公司刚成立,刚融到第一笔钱,开始做设计,买IP,这个时候,一上来就要收很多钱,打个比方,先收取100万美金。这100万美金对于一个初创的物联网芯片公司意味着什么呢?按照A轮融资出让25%的股权,融到500万美金计算,在成立之初支付给IP公司的100万美金,意味着拿走公司5%的股权就和买房类似,首付比例越高,购买的意愿度越低。

而且,这个收费模式在于假定(绝大多数)客户一定会失败,所以一定要把收费的始点提前,而且希望第一笔收的越多,才越安全。从这个角度来看,IP卖的贵吗?当然贵,因为客户还没有开始赚钱,就要付出很多钱,这样无疑抬高了芯片设计起步的门槛,如果融不到足够的钱,或者目标市场不够大,不能支撑前期IP的投入,故事就结束了,Up-front Cost高首付扼杀了绝大多数的创意,逼迫芯片公司选择有共识的大市场,过度竞争杀到血海一片,而很多物联网芯片无人问津。

如何解决芯片“首付款”太高的痛点?

其实很简单。类似的问题,很多行业都遇到过,游戏行业尤为典型。过去,盗版游戏很多,后来的解决方案就是网络游戏,用户开始玩的门槛很低,几乎免费,但后续购买道具、购买装备、不断升级,反而为游戏公司创造了源源不断的营收。

所以今天摆在我们面前的,是一个巨大的机会。EDA+IP上云,等于单机游戏网络化。第一个好处是延缓收费,如果实现IP上云,让客户不用在开始阶段就付大量的钱(降低首付),而是在芯片开始出货、开始赚钱的时候,再去分他的利润,这样可以大量提升芯片设计初始化率。

第二个好处是,如果大家的设计都在云端,基于IP设计完成的系统级芯片数据,又可能变成新的IP,这样IP可以不断地嵌套和生长,今天的IP市场规模只有不到40亿美金,其实是被远远低估的。今天,在许多芯片设计公司内部仍存在大量in-house IP的重复开发。一颗芯片产品中可能集成上百个模块,少数几个模块采购自IP厂商,大部分模块自主研发,自研的模块中,可能只有1/3做到了世界级水平,其他的性能一般,但也流片生产了。如果每家公司都是这样,那最终的芯片竞争力不能达到最优;但如果每家公司能把自己擅长的IP拿出来,和别人最擅长的IP相结合,芯片的效果会更好。芯片公司因为云端IP授权的实时可控,会愿意授权内部IP,降低芯片研发风险,加速芯片的研发周期。如果大家都这样做,今天40亿美金的IP市场可能成长到400亿美金。

“摩尔芯片云:芯片生态协作赋能基础”

摩尔精英对于整个“芯片云”的规划将于下个月在中国集成电路设计业2019年会 (ICCAD 2019) 上正式发布,包含三块内容:

一是底层基础架构(Infrastructure),这一层主要是今天的公有云厂商(AWS, Azure, 阿里云等均有技术布局和相关服务发布),提供网络、存储和算力;

二是中间层平台(Platform) ,主要是在公有云的基础架构基础之上,针对芯片设计的需求搭建的软硬件、文件、工具的平台支撑层,这一层里面包括了CAD Flow, Reference Design, EDA, PDK, Emulator Cluster等。以CAD Flow为例 ,通过明确定义数据输入输出和设计流程优化,可以帮助芯片公司用初级工程师干高难度的活,从而提升效率。

“像AMD、英特尔这样的大公司,可能它百分之六七十的芯片设计是设计流程贡献的,Design Flow 团队里面,集中了大量的资深专家,甚至是顶尖科学家、院士(Fellow)。

三是最顶层的服务(Service),即在云端慢慢地形成服务生态,包括IP GitHub, Data Analysis,Turnkey Kits, Security等等。以IP GitHub(托管、交易、复用)为例,我们希望未来的芯片设计云上,不仅有IP厂商的IP,也有大量来自芯片设计公司的IP,大家只需要做自己最擅长的事情,让合作伙伴利用这些IP进行开发,形成完整的生态。

“芯片云的1.0形态——共享IT/CAD服务”

摩尔精英用近两年时间,打造了芯片设计的IT/CAD标准架构,并通过IT/CAD服务对用户设计环境进行标准化构建。今天绝大多数本土芯片公司对于该如何构建安全高效的IT/CAD环境仍然缺乏足够的知识和经验,所以我们在过去的一年半的时间里面帮助30多家芯片设计公司完成了设计环境的整体优化和提升。

这一套标准的IT/CAD架构具有很强的无缝扩展能力,可以很方便地接入云端,而不改变用户的使用习惯。云上和云下的资源构成了一个混合的、透明的设计环境,整个资源将根据用户的需求进行弹性分配,从而达到资源的高效使用和成本优化。也就是平时你可以用本地的服务器,但是当你需要更多算力的时候,或需要跟别人进行多方合作的时候,你不需要像以前那样频繁地拷贝设计数据,“混合云”形成了一个secure chamber,可以在安全级别定义框架下进行设计数据共享和设计协同。

“中国2000家初创芯片公司的本质是芯片产品部门”

根据中半协的统计数据,2018年中国芯片设计公司,只有208家超过1亿人民币营收,只有165家超过100人规模,占比不到10%。中国的2000家芯片公司(去掉前十大公司),加起来只有200多亿美金的营收,平均一家不到1000万美金;而国际上成熟芯片公司的体量大概是这些初创公司的一百倍,从产品线和营收体量的对比来看,差距是悬殊的。

为什么?因为国内近一半的芯片设计公司是近三年内成立的,团队规模较小,产品线相对单一,更像一个“芯片产品部门”。这些芯片创业的科学家,更像一个大厨,有一身高超的技艺,但让大厨出来创业开餐馆,浪费了很多精力,也并不擅长。

“迫切需要芯片全产业链的一站式服务平台”

芯片公司要完成设计,需要和产业链十几个环节的供应商打交道,谈判交易成本很高,初创公司没有经验,没有时间,也没有订单规模(成熟公司规模的1/100),来克服环节间的交易成本,所以中国的“芯片产品部门”想要突围,迫切需要芯片全产业链的一站式服务,来提升环节间效率。

这正是摩尔精英在努力探索的方向。我们通过“人才赋能、设计赋能、生产赋能和企业赋能”一站式服务,帮助芯片创业团队专注在他们的核心设计上,目标是把原来跟十个供应商打交道才能完成的芯片,在同一个服务平台上就能高效闭环。

在2018年的ICCAD会议上,张竞扬提出了一个阶段性目标,十年再造一个TI,希望十年后,能够实现百亿美金的营收。怎么做到呢?就像过去大公司通过统一后台来支持数百个研发部门一样,依托我们整合的一站式服务平台,去支持成千上百家独立的芯片设计公司。

在摩尔精英的生态链平台上,共享IP资源,共享销售渠道,调用整合的芯片工程实现能力、供应链生产能力和公司运营后台资源,并用这样的体系去支持上千家公司、几十万人,实现各自的芯片研发和销售。这就是我们理想中的,Powered by MooreElite. 通过全流程追踪的供应链认证和质量管控体系,让终端用户在摩尔严选芯片(IP+Chiplet+SiP)生态链平台上,买芯片放心,品质有保证。

总结一下,敏捷芯片设计的关键包括4点。

1.底层技术稳定:即工艺技术不能每18个月升级一代。当制程演进太快,芯片产品主要被底层技术推动升级;而今天已经具备了底层技术相对稳定的条件,摩尔定律的迭代变得越来越慢,十年、二十年的时间,足够我们建立一个新的协作体系。

2.市场需求碎片:如果是过去PC和手机这样大一统的市场,大公司可以赢家通吃;只有碎片化的市场,对小公司和敏捷开发来讲才是机会,才有胜算。

3.生态协作赋能:云计算技术和底层基础设施经过多年发展,已经越来越成熟,具备了支持敏捷芯片设计的条件,芯片行业也有越来越多的公司开始尝试和实践。

4.创业热情高涨:需要更多的芯片创业公司和团队,因为小公司更加开放,更愿意变化,更愿意把自己的开发经验与别人分享,通过协作来最终创造产品。

我们希望实现的敏捷芯片设计目标是:把原来需要3500万投资、100位工程师、历时3年完成的芯片,降低一个数量级。

1.如何用1/10的资金做到?答案在于充分复用芯片/裸片,一次芯片流片(Full Mask Tapeout),可以在十个不同的产品中,通过系统级封装SIP的方式,反复地利用这些裸片,提升芯片设计NRE投入的产品化率。

2.如何用1/10的时间完成?那就必须要多用别人的IP,因为每个人都不比别人笨。如果想用10%的时间去做所有的事,世上没有这样的魔法;而如果90%的设计采用外部IP,自己的团队专注做10%的差异化部分,并且努力做到世界级的水平,最终的芯片性能反而可以胜出。

3.如何用1/10的团队实现?解决之道就是复用经验、复用研发资源。90%的设计用外脑,10%由自有团队设计。目前中国的芯片人才严重不足,我们应该鼓励一些优秀的人才,以芯片设计工作室的形态,凭借自己的经验和技术能力,赋能更多的公司和产品。

“摩尔精英,让中国没有难做的芯片”

摩尔精英的梦想是“让中国没有难做的芯片”,希望和志同道合的半导体人一起,早日变这个梦想为现实。

关于摩尔精英

摩尔精英公司是领先的芯片生态链平台,使命是“让中国没有难做的芯片”,提供一站式 “芯片设计服务、供应链管理、人才和企业服务”等专业服务,客户覆盖全球1500家芯片公司。我们致力于提升效率,赋能芯片公司用1/10资金、团队和时间完成芯片设计。

我们拥有从180nm到8nm的设计服务能力,支持Turnkey、NRE和驻场等灵活服务模式,提供从Spec/FPGA/算法到芯片交付,包括:架构规划、IP选型、前端设计、DFT、验证、物理设计、版图、IT/CAD PaaS、流片、封装和测试等服务。产品涵盖:消费电子、物联网、高性能计算、汽车电子、工业等。

摩尔精英目前全球员工超过300人,总部位于上海,在合肥、北京、深圳、重庆、苏州、广州、成都、西安、南京、厦门、新竹和硅谷等地有分支机构。

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