著摩爾定律接近極限 芯片行業(yè)正在進(jìn)入新時(shí)代

iPhone 4 上搭載蘋果自研的 A4 處理器之后，蘋果在自研處理器的道路上一路狂奔，2020 年用自研 M1 芯片替換了 Mac 系列上的英特爾處理器。

蘋果的成功給系統(tǒng)公司選擇自研芯片增加了信心。2016 年，谷歌推出第一代自研張量處理器單元 TPU，如今已經(jīng)迭代到第四代。

此后，亞馬遜、阿里巴巴、Baidu 等也紛紛選擇自研芯片。這些對(duì)芯片需求巨大的系統(tǒng)公司們自研芯片，必然會(huì)降低從英特爾、英偉達(dá)、AMD 等芯片巨頭購買芯片的需求，與此相伴的是，傳統(tǒng)芯片巨頭的話語權(quán)也將減弱。

未來，芯片行業(yè)會(huì)被離用戶更近的系統(tǒng)公司們主導(dǎo)嗎?可預(yù)見的是，系統(tǒng)應(yīng)用將是芯片設(shè)計(jì)的核心驅(qū)動(dòng)力，這意味著，芯片設(shè)計(jì)和芯片制造的關(guān)鍵工具 EDA(Electronic Design Automation)需要進(jìn)行革新，以便支持系統(tǒng)應(yīng)用提出的多元化、定制化需求。

面向未來的 EDA 2.0 將在 2026 年開啟全新時(shí)代。而過去 EDA 每一次的突破都給芯片行業(yè)帶來了革命性變化，這是否意味著 2026 年是系統(tǒng)公司主導(dǎo)芯片行業(yè)的起點(diǎn)?

系統(tǒng)公司“被迫”自研芯片

在國內(nèi)，芯片行業(yè)依舊在高速發(fā)展，但全球芯片行業(yè)早已進(jìn)入成熟期，從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)，再到封裝測試，復(fù)雜的芯片產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全球分工協(xié)作。2015 年開始，摩爾定律開始放緩，通用芯片的性能提升越來越慢，但新一輪 AI 熱潮對(duì)芯片算力的需求越來越高，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用對(duì)芯片的需求越來越多樣。

像蘋果、谷歌這樣大量購買芯片的系統(tǒng)公司對(duì)通用芯片性能的提升越來越不滿，于是紛紛開始自研定制芯片。過去的幾十年中，通用芯片從工藝和架構(gòu)改進(jìn)中帶來的性能提升具有優(yōu)勢(shì)，定制芯片因?yàn)橛昧啃?，性能和收益比難以與通用芯片競爭。

然而，過去 40 年主宰芯片行業(yè)的摩爾定律逐漸接近極限，讓業(yè)界對(duì)定制芯片的性能和成本要求逐漸放寬。同時(shí)，在大部分應(yīng)用的需求被通用芯片滿足之后，定制芯片的目的不再是簡單追求高性能，而是為了實(shí)現(xiàn)功能、功耗、安全等的差異化，通過系統(tǒng)層級(jí)的協(xié)同優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新和獨(dú)特的競爭力。

“現(xiàn)在是軟件決定一切，既然系統(tǒng)公司掌握了軟件，就會(huì)有很多想法，他們知道系統(tǒng)的最佳實(shí)現(xiàn)路徑，但芯片公司不知道，EDA 公司也是一樣。”傅強(qiáng)指出。

蘋果就是一個(gè)典型的例子，A 系列處理器在自研的早期相比芯片公司的處理器性能差距明顯，但通過蘋果的系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化，在體驗(yàn)上并沒有顯著劣勢(shì)。通過持續(xù)迭代，蘋果的 A 系列處理器已經(jīng)成為了業(yè)界標(biāo)桿。不僅如此，通過統(tǒng)一內(nèi)存架構(gòu)等創(chuàng)新，蘋果更強(qiáng)大的 M1 處理器實(shí)現(xiàn)了性能和能效的巨大提升，可以替代英特爾成熟的酷睿處理器。

谷歌的自研 TPU 也很好地滿足了自身地圖、相冊(cè)、搜索等業(yè)務(wù)，用更低的成本實(shí)現(xiàn)更差異化的功能和更好體驗(yàn)。展現(xiàn)谷歌自研處理器優(yōu)勢(shì)有一個(gè)量化的數(shù)據(jù)，其自研的視頻編碼單元 VCU 用于加速 YouTube 的視頻編解碼，有分析師預(yù)計(jì)，VCU 將能幫谷歌替換 3300-4400 萬個(gè)英特爾 CPU。

成熟的芯片產(chǎn)業(yè)以及摩爾定律的失效，讓系統(tǒng)公司走上了自研芯片的道路。但芯片行業(yè)有非常高的技術(shù)門檻，即便有成熟的芯片產(chǎn)業(yè)鏈分工，想要縮短芯片設(shè)計(jì)周期挑戰(zhàn)巨大。

因此，谷歌已經(jīng)開始用 AI 降低芯片設(shè)計(jì)的難度，近期還在 Nature 上發(fā)表了題為《一種用于加速芯片設(shè)計(jì)的布局規(guī)劃方法》的論文，利用深度學(xué)習(xí)優(yōu)化芯片的布局規(guī)劃方法自動(dòng)生成平面圖，優(yōu)化芯片的性能、功耗和面積。人類工程師需要數(shù)月完成的工作，谷歌用 AI 僅需要 6 小時(shí)就能達(dá)到相同效果。

實(shí)際上，谷歌的試驗(yàn)正說明當(dāng)前的 EDA 需要更多的革新。

芯片行業(yè)需要“從頭”變革

EDA 過去幾十年來已經(jīng)成為了芯片設(shè)計(jì)模塊、工具和流程的代稱，芯片設(shè)計(jì)、驗(yàn)證的全流程以及工藝制造都離不開 EDA。芯片設(shè)計(jì)工具的每一次突破，都會(huì)給芯片帶來革命性變革。

1970 年之前，集成電路設(shè)計(jì)是純手動(dòng)描繪版圖。1970 年計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)的出現(xiàn)，相對(duì)于手工設(shè)計(jì)方法是一個(gè)更大的改進(jìn)。1990 年代，EDA 技術(shù)的誕生讓工程師可以用硬件描述語言描述設(shè)計(jì)，通過仿真在流片前提前驗(yàn)證，提高效率的同時(shí)大大減少芯片制造的風(fēng)險(xiǎn)。

有 20 多年 EDA 行業(yè)從業(yè)經(jīng)驗(yàn)的芯華章董事長兼 CEO 王禮賓說：“目前我們正在使用的 EDA 設(shè)計(jì)制造流程都是基于 2000 年左右開始形成的基礎(chǔ)，我們可以稱之為‘EDA 1.0’。之后 20 多年 EDA 的發(fā)展，都是在 1.0 上逐漸增加各種內(nèi)容，比如基于 FPGA 的驗(yàn)證、低功耗設(shè)計(jì)、基于 IP 組件的設(shè)計(jì)復(fù)用等。這些疊加式的改進(jìn)基于 EDA 1.0，不斷提升 EDA 設(shè)計(jì)的效率，但是從抽象層級(jí)、設(shè)計(jì)方法學(xué)角度看，沒有出現(xiàn)很大的改變，可以認(rèn)為一直到今天我們都還處于‘EDA 1.X’的發(fā)展過程中。”

他發(fā)布的《EDA 2.0 白皮書》指出，EDA 1.X 有六大顯著的挑戰(zhàn)：

應(yīng)用需求分化：芯片應(yīng)用場景更加細(xì)分，不能滿足系統(tǒng)公司習(xí)慣的快速創(chuàng)新和迭代的要求。

驗(yàn)證工作復(fù)雜：復(fù)雜的系統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)驗(yàn)證工作越來越困難，驗(yàn)證的工作量往往需要獨(dú)立團(tuán)隊(duì)耗費(fèi)數(shù)個(gè)月才能完成，據(jù)統(tǒng)計(jì)，芯片制造過程中 70% 的時(shí)間成本都會(huì)消耗在驗(yàn)證上。

IP 復(fù)用價(jià)值沒有完全發(fā)揮：IP 的選擇和配置對(duì) SoC 設(shè)計(jì)的影晌無法在前期確認(rèn)，IP 模塊支持快速 SoC 設(shè)計(jì)的復(fù)用價(jià)值被削弱。

人才不足：EDA 是一個(gè)跨學(xué)科的復(fù)合型領(lǐng)域，因此人才的培養(yǎng)需要更多的時(shí)間和資源。

開放性不足：語言、接口和數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化或者開放還不夠，很多環(huán)節(jié)缺少開放的功能和數(shù)據(jù)接口，不同工具之間往往無法直接互連，中間數(shù)據(jù)也經(jīng)常是工具私有。

歷史包袱：EDA 1.X 的工具是在二十多年的時(shí)間里漸進(jìn)式發(fā)展起來的，這決定了它還背負(fù)了過程中的兼容性要求、歷史代碼、遺留架構(gòu)等很多歷史包袱。

要解決 EDA 1.X 的挑戰(zhàn)，提升芯片設(shè)計(jì)效率，滿足系統(tǒng)公司的需求，可以借鑒軟件發(fā)展的成功經(jīng)驗(yàn)。中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所副所長包云崗表示：“我一直覺得軟件領(lǐng)域有很多值得芯片行業(yè)借鑒的經(jīng)驗(yàn)。有統(tǒng)計(jì)指出，超過 90% 甚至 95% 的企業(yè)，都是混合使用各種模塊，已經(jīng)在整個(gè)軟件生態(tài)里發(fā)揮非常重要的作用，尤其在標(biāo)準(zhǔn)接口方面，EDA 2.0 的開放和標(biāo)準(zhǔn)化路徑可以對(duì)系統(tǒng)交互和先進(jìn)芯片設(shè)計(jì)起到積極作用。”

開放和共享只是從軟件發(fā)展過程中可以借鑒的一個(gè)重要經(jīng)驗(yàn)。白皮書指出，今天軟件行業(yè)和應(yīng)用的蓬勃發(fā)展，離不開軟件開發(fā)流程和工具抽象程度不斷提高、表達(dá)形式從機(jī)器語言靠近自然語言、開發(fā)者從硬件和系統(tǒng)專家轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)用和行業(yè)專家、工具不斷自動(dòng)化和智能化、最終不斷提高軟件開發(fā)效率的過程。

“增加更多的中間表達(dá)層、盡可能形成模塊和復(fù)用、開發(fā)效率為第一優(yōu)先、推動(dòng)智能化開發(fā)、充分利用最新的硬件架構(gòu)、新的商業(yè)模式都是 EDA 可以借鑒的經(jīng)驗(yàn)。基于此，我們認(rèn)為 EDA 2.0 是后摩爾定律時(shí)代片設(shè)計(jì)發(fā)展的未來方向，實(shí)現(xiàn) EDA 2.0 也不是一個(gè) 0 和 1 的狀態(tài)變化，而是基于目前的 EDA 1.X 不斷采用創(chuàng)新改進(jìn)滿足快速發(fā)展的芯片行業(yè)需求，是 EDA 行業(yè)長期發(fā)展的目標(biāo)。”

五年后，EDA 2.0 將開啟芯片行業(yè)的新時(shí)代

“可能每個(gè)人心目中的理想狀態(tài)都不完全一樣，他將 EDA 2.0 的核心目標(biāo)定義為‘基于開放的工具和行業(yè)生態(tài)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化的芯片設(shè)計(jì)及驗(yàn)證流程，并提供專業(yè)的軟硬件平臺(tái)和靈活的服務(wù)，以支持任何有新型芯片應(yīng)用需求的客戶快速設(shè)計(jì)、制造和部署自己的芯片產(chǎn)品’。實(shí)現(xiàn) EDA 2.0 需要全行業(yè)的共同努力，其中關(guān)鍵的路徑包括開放和標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化和智能化、平臺(tái)化和服務(wù)化三個(gè)方面。”王禮賓表示。

中國科學(xué)院 EDA 中心主任陳嵐在《EDA 2.0 白皮書》的發(fā)布會(huì)上提到，過去的 EDA 工具是滿足高端通用的復(fù)雜的芯片設(shè)計(jì)需求，而未來更加開放的模式，可以快速的讓新技術(shù)融入到 EDA 的流程當(dāng)中，同時(shí)避免流程轉(zhuǎn)化中的設(shè)計(jì)冗余，用更低的成本，讓更多的用戶使用，快速的對(duì) EDA 進(jìn)行驗(yàn)證與迭代，提高芯片設(shè)計(jì)的總體效率。

陳嵐也強(qiáng)調(diào)，EDA 是我們整個(gè)行業(yè)基礎(chǔ)的牽引性技術(shù)和產(chǎn)品，與軟件出現(xiàn)問題可以改漏洞不同，EDA 作為工業(yè)軟件，以開放與合作的心態(tài)推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的同時(shí)，也要保證使用 EDA 軟件工具設(shè)計(jì)出來的芯片可以正常流片。

楊曄表示，“EDA 行業(yè) 40 年來發(fā)展的一些精標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)計(jì)規(guī)則一定會(huì)繼續(xù)長期存在于芯片設(shè)計(jì)行業(yè)，繼續(xù)不斷向更加精細(xì)化的方向演進(jìn)，支持高端芯片設(shè)計(jì)的需求。進(jìn)入到 EDA 2.0 時(shí)代，這些標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)驗(yàn)將被提煉出來，成為模型、算法，或者自動(dòng)化的流程，讓系統(tǒng)工程師和軟件工程師也可以參與到芯片設(shè)計(jì)中來，這不代表 EDA 的可靠性降低了，而是工具內(nèi)部會(huì)比以往更加復(fù)雜，對(duì)于用戶來說則是更簡單了。”

“2026 年，我們將開啟 EDA 2.0 的新時(shí)代”，他們認(rèn)為技術(shù)需要沉淀和準(zhǔn)備，生態(tài)的培育也需要時(shí)間。

但即便 2026 年芯片行業(yè)進(jìn)入 EDA 2.0 的時(shí)代，EDA 1.X 與 EDA 2.0 仍將并存很長一段時(shí)間。

兩個(gè)時(shí)代的長期并存，也是 EDA 2.0 解決挑戰(zhàn)變革芯片行業(yè)的過程。

就開放和標(biāo)準(zhǔn)來說，傅強(qiáng)認(rèn)為，“整體看 EDA 1.X 很多已有的標(biāo)準(zhǔn)沒有得到廠商的統(tǒng)一支持，導(dǎo)致流程比較封閉和碎片化。其實(shí)，工業(yè)界沒有哪個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是一定要用，最終還是以價(jià)值為導(dǎo)向，提供給用戶價(jià)值就會(huì)有人用，用的人多了就慢慢變成標(biāo)準(zhǔn)。未來 EDA 產(chǎn)業(yè)的開放和標(biāo)準(zhǔn)化將不僅僅由 EDA 廠商或標(biāo)準(zhǔn)化組織決定，而應(yīng)該由產(chǎn)業(yè)鏈上游的 EDA 生態(tài)和下游的業(yè)界共同定義。”

來自芯片設(shè)計(jì)公司的專家也表達(dá)了自己對(duì)于 EDA 開放和智能化的期待。他說：“以機(jī)器學(xué)習(xí)為代表的技術(shù)在芯片設(shè)計(jì)的空間探索、驗(yàn)證或者加速方面確實(shí)潛力巨大。雖然在 EDA 中引入 AI 沒辦法一蹴而就，但我希望 EDA 公司可以大膽或積極的嘗試，在一些比較關(guān)鍵、成熟的技術(shù)中，引入 AI 相關(guān)的技術(shù)和算法加強(qiáng) EDA 功能。”

“另外，我們發(fā)現(xiàn)在芯片設(shè)計(jì)中使用 AI 會(huì)面臨一些算力瓶頸，所以希望在 EDA 中引入 AI 技術(shù)的時(shí)候，也能留有強(qiáng)化硬件的接口，這樣在整個(gè)設(shè)計(jì)流程中會(huì)有更高的實(shí)用性。同時(shí)，現(xiàn)在的 EDA 更像是一個(gè)黑盒子，對(duì)于使用者而言很難理解底層的物理機(jī)制，因此也希望 EDA 工具更夠稍微開放一些，把對(duì)芯片性能有很大影響的參數(shù)開放，有利于我們進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。”

楊曄補(bǔ)充，EDA 2.0 時(shí)代的開放，包括工具軟件接口(API)更開放、數(shù)據(jù)格式開放或數(shù)據(jù)訪問接口開放、EDA 軟件針對(duì)更多硬件平臺(tái)的開放、芯片內(nèi)外部的總線和接口標(biāo)準(zhǔn)化、商業(yè) EDA 與開源 EDA 的結(jié)合、更開放、便捷的 IP 模塊。EDA 2.0 中的智能，也不僅僅是狹義的加入 AI，還包含流程的自動(dòng)化等一切減少人力投入的改進(jìn)。

至于 EDA 2.0 的平臺(tái)化和服務(wù)化，則會(huì)帶來這個(gè)行業(yè)商業(yè)模式的創(chuàng)新。傅強(qiáng)說：“EDA 工具上云的嘗試過去二十年不斷有廠商在推動(dòng)，但是到今天為止實(shí)際應(yīng)用范圍還不夠廣泛。EDA 2.0 是滿足不同規(guī)模和不同階段的芯片設(shè)計(jì)有多樣化的需求，結(jié)合云原生技術(shù)為用戶提供近乎無限的計(jì)算彈性、存儲(chǔ)彈性和訪問便捷性，因此 EDA 2.0 應(yīng)該與云平臺(tái)和云上多樣化的硬件結(jié)合，充分利用成熟的云端軟硬件生態(tài)。”

在這種變化下，EDA 2.0 還應(yīng)該是產(chǎn)品和服務(wù)的結(jié)合。他們開創(chuàng)性提出的 EDaaS(Electronic Design as a Service)，用一個(gè)服務(wù)化、可定制的完整平臺(tái)服務(wù)不同系統(tǒng)應(yīng)用需求。

也就是說，EDA 2.0 時(shí)代的到來，將給 EDA 公司帶來更大的挑戰(zhàn)，系統(tǒng)公司設(shè)計(jì)芯片的門檻將進(jìn)一步降低，隨之而來的，將會(huì)是芯片行業(yè)由上至下的一系列變革。

小結(jié)

摩爾定律成就了眾多通用芯片公司，但隨著摩爾定律接近極限，芯片行業(yè)正在進(jìn)入新的時(shí)代，異構(gòu)、定制化的趨勢(shì)越來越明顯。越來越多系統(tǒng)公司開始自研芯片，一方面是對(duì)通用芯片性能和成本的不滿，另一方面是系統(tǒng)公司自身繼續(xù)保持競爭力的不二選擇。

但系統(tǒng)公司要更高效率、更低成本定制芯片，就需要最上層的 EDA 工具的突破。眾多資深業(yè)內(nèi)人士已經(jīng)明確看到 EDA 行業(yè)正站在突破的拐點(diǎn)，這也是近年來眾多 EDA 三巨頭高管離職創(chuàng)業(yè)并獲得資本關(guān)注的重要原因，當(dāng)然也疊加了國內(nèi)市場的需求以及政策利好的因素。

EDA 2.0 的到來，是中國 EDA 實(shí)現(xiàn)換道超車，打造國產(chǎn) EDA 全流程，為芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展與數(shù)字化時(shí)代發(fā)展注入新動(dòng)力的必經(jīng)之路。

芯片行業(yè)正在醞釀一場全新變革，誰將成為芯片行業(yè)新時(shí)代的主導(dǎo)者?

關(guān)鍵詞： 摩爾定律 芯片 AMD 芯片行業(yè)