自從戈登·摩爾于1965年提出摩爾定律以來，主流芯片集成度(性能)與成本變化曲線基本遵循了摩爾定律的指引，即每兩年集成度提高一倍，同樣集成度產(chǎn)品價格下降一半。
傳統(tǒng)上，主要依靠晶圓制造工藝升級換代以縮小晶體管尺寸就能指數(shù)型提高集成度、提升芯片性能、降低芯片的功耗與成本。歷經(jīng)數(shù)十年發(fā)展，晶體管工藝尺寸已接近10埃米級，超大芯片單顆也可集成超百億個晶體管。在片上系統(tǒng)(SoC)開發(fā)理念主導下，開發(fā)人員將電子產(chǎn)品電路板上的功能不斷集成到芯片內(nèi)部，芯片越來越復雜，帶來的好處是終端產(chǎn)品功能更豐富，同時板級系統(tǒng)構成更簡單。簡而言之，過去幾十年中，在摩爾定律指引下，電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主線就是提升芯片集成度和系統(tǒng)規(guī)模，讓人們用同樣的價格(甚至更低的價格)享用更多的功能，這就是摩爾定律的經(jīng)濟與社會效益。
但隨著晶圓制造工藝接近物理極限，單靠微縮晶體管工藝尺寸，已經(jīng)難以滿足芯片集成度和系統(tǒng)規(guī)模兩年翻一倍的目標，而由于先進工藝芯片產(chǎn)線投資及開發(fā)成本上升劇烈，晶體管工藝尺寸微縮帶來的電子產(chǎn)品成本下降的紅利也開始削弱。數(shù)十年來，電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展預測的基礎就是摩爾定律，摩爾定律放緩無疑將影響到電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度，甚至會整體改變電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式，為了延續(xù)摩爾定律，產(chǎn)業(yè)界前赴后繼，想了很多方法，提出了諸如超越摩爾定律(More than Moore)或芯粒(Chiplet)等概念和方法，這些方法和概念，在一定程度上延續(xù)著摩爾定律的生命。當然，只有More than Moore和Chiplet還不夠。
在2021新思科技全球用戶大會(SNUG World 2021)上，新思科技聯(lián)席CEO、創(chuàng)始人Aart de Geus提出“系統(tǒng)摩爾定律(SysMoore)”概念。系統(tǒng)摩爾定律將提升集成度和復雜度的理念拓展到電子系統(tǒng)的每個環(huán)節(jié)，從硅晶圓、晶體管、芯片、系統(tǒng)硬件到軟件和服務，每一個環(huán)節(jié)都可以為構建更復雜、性能更高、能耗更低而成本更優(yōu)的產(chǎn)品做出貢獻，開發(fā)者不再只依賴工藝和架構等少數(shù)幾個維度去實現(xiàn)性能和復雜度的指數(shù)型提升，將指標分散到不同環(huán)節(jié)去承擔之后，電子系統(tǒng)性能和功能復雜度增長曲線重回指數(shù)型增長軌跡，新思科技為業(yè)界帶來千倍開發(fā)效率和性能提升的承諾。
近日，在新思科技上海新辦公樓啟用儀式上，新思科技首席運營官Sassine Ghazi和全球資深副總裁兼中國董事長葛群向中國媒體就SysMoore做出專業(yè)解讀。
半導體行業(yè)發(fā)展新趨勢
Sassine Ghazi表示，與2005年前后相比，現(xiàn)在半導體生態(tài)發(fā)生了很大變化。
一方面，由于最先進工藝晶圓制造生產(chǎn)線的建設成本不斷抬升——一條最先進邏輯工藝生產(chǎn)線，投入資金從幾億美元上升到如今超百億美元——使得眾多廠商退出了先進工藝制造競賽，在2005年時，擁有先進工藝(130至90納米)晶圓制造產(chǎn)線的廠商有十多家，到2021年，還能持續(xù)進行先進工藝產(chǎn)線投入的廠商只剩下臺積電、三星和英特爾三家。
另一方面，先進工藝制造成本上升推動了無晶圓模式(即晶圓制造代工與芯片設計分開)持續(xù)繁榮，而芯片設計參與者主體也從芯片設計公司，延伸到了互聯(lián)網(wǎng)巨頭。近年來，國內(nèi)的百度、阿里和騰訊，國外的微軟、谷歌和亞馬遜等都紛紛宣布自研芯片。
雖然成本越來越高，但最先進工藝并不缺用戶。Sassine Ghazi指出，在汽車(自動駕駛)、人工智能和超大數(shù)據(jù)中心等領域，技術人員對先進工藝的追求不遺余力。這三個方向技術復雜度高、處理數(shù)據(jù)量大，而且市場空間廣闊，因此參與者眾。廠商若想在激烈的市場競爭中脫穎而出，就離不開產(chǎn)品差異化，而芯片的功能與性能差異是產(chǎn)品差異化的基礎，如Sassine Ghazi所說：“要想取得競爭優(yōu)勢，廠商需要從芯片級構建專有應用架構(Domain Specific Architecture)，這就是越來越多人開始向硅產(chǎn)業(yè)(半導體)進行投資的原因。”
就這樣，定制化芯片(特別是系統(tǒng)級芯片SoC)決定了電子系統(tǒng)差異化程度，做產(chǎn)品的系統(tǒng)公司如果想在競爭中脫穎而出，就很有必要修煉起芯片設計技能。于是，系統(tǒng)公司在半導體技術上的投入越來越大，大型系統(tǒng)公司在芯片技術上的積累越來越雄厚，成為半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個顯著趨勢。
芯片摩爾定律放緩，系統(tǒng)摩爾定律正當時
Sassine Ghazi解釋，傳統(tǒng)摩爾定律就是不斷增加單芯片集成晶體管的數(shù)量，但集成度越高，芯片規(guī)模越大，需要考慮的參數(shù)越多，開發(fā)成本就越高，最終導致摩爾定律接近失效。摩爾定律的放緩主要體現(xiàn)在三個方面遇到瓶頸，一個是芯片的設計收斂與性能指標越來越難預測評估(Predictability)，一個是成本高昂難以承受(Affordability)，還有一個是開發(fā)難度大幅增加(Ease of design)。
但換個角度看，芯片向工藝制程要的紅利可以分解為三個：降低功耗、增強性能和降低成本，即業(yè)內(nèi)術語PPA(Power、Performance、Area)。當提升單芯片晶體管數(shù)量難以滿足電子產(chǎn)品升級換代對PPA的要求時，新摩爾定律(SysMoore，試譯為“系統(tǒng)摩爾定律”)從系統(tǒng)層面找出路，雖然硅晶圓、晶體管、芯片、系統(tǒng)硬件和軟件每一個環(huán)節(jié)本身在限定開發(fā)時間內(nèi)的PPA提升幅度有限，但不同環(huán)節(jié)銜接處的PPA提升空間巨大，將不同環(huán)節(jié)的技術紅利與環(huán)節(jié)銜接處的技術紅利組合起來，可以打破當前摩爾定律遇到的瓶頸?！皬膯渭兲嵘w管數(shù)量的層面延伸開，站在系統(tǒng)的高度去優(yōu)化，我們就能走出泥潭?！盨assine Ghazi說，SysMoore能讓電子產(chǎn)業(yè)重回指數(shù)型發(fā)展道路
打開千倍技術紅利空間
新摩爾定律SysMoore并不是要推翻傳統(tǒng)摩爾定律，而是引入更多方法為摩爾定律續(xù)命。Sassine Ghazi表示，基于集成度去考核晶體管規(guī)模體量的摩爾定律是SysMoore的基礎，也是電子企業(yè)賺取利潤的前提，仍是電子系統(tǒng)開發(fā)工作的重點和起點。但在SysMoore時代，系統(tǒng)能耗指標變得更重要，開發(fā)者要在提高能效比上做更多工作。
立體封裝、異質(zhì)集成的2.5/3D多裸片(Die)設計是當前成熟的超越摩爾定律(More than Moore)實現(xiàn)方法，也是SysMoore的重要支撐，實現(xiàn)2.5/3D多裸片設計的關鍵是IP化開發(fā)，新思科技的IP為2.5/3D多裸片設計和Chiplet等新型封裝技術普及打通了道路。
隨著電子系統(tǒng)復雜度的提升，芯片的運行狀況和可靠性對系統(tǒng)運營成本影響巨大，在超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心和汽車行業(yè)尤其明顯，這些行業(yè)一旦出現(xiàn)故障往往會造成極大的損失。因此，對芯片全生命周期進行狀態(tài)管理和監(jiān)控成為關鍵行業(yè)應用的一個趨勢，在SysMoore時代，這一點也將被加強。
Sassine Ghazi強調(diào)，在SysMoore時代，要提高硬實力，更要重視軟實力。一方面，開發(fā)工作中軟件占比越來越高，必須重視云技術的杠桿作用，而人工智能將在軟硬件開發(fā)的各個環(huán)節(jié)都發(fā)揮重要作用。此外，隨著軟件占比增加，開發(fā)者必須重視軟件質(zhì)量，軟件的可信度與安全性都將是成熟產(chǎn)品的重要考核指標。
打個比方，SysMoore類似現(xiàn)代物流業(yè)，通過互聯(lián)網(wǎng)技術組合高鐵、公路、空運、海運以及最后三公里快遞員的電動貨運小車等運輸手段，充分利用不同運輸方法的優(yōu)勢，縮小上下游銜接的冗余時間，極大程度上解放了運輸潛能，和SysMoore一樣，高效物流具備杠桿作用，其對社會的貢獻并非局限于物流業(yè)本身，而是影響到社會經(jīng)濟的方方面面。
Sassine Ghazi說：“新思科技對行業(yè)承諾，我們有志于用SysMoore完整解決方案幫助客戶把生產(chǎn)率提高一千倍。”
新思科技的SysMoore
系統(tǒng)摩爾定律SysMoore并不是新思專屬，但首倡SysMoore的新思科技已經(jīng)為行業(yè)接受SysMoore開發(fā)理念做好了準備。作為電子系統(tǒng)開發(fā)工具鏈產(chǎn)品最豐富的公司，新思科技的解決方案貫穿從硅晶圓到軟件的全流程，除了前述傳統(tǒng)工具、3D IC和硅生命周期管理(SLM)等，Sassine Ghazi還重點介紹了融合設計平臺(Fusion EDA)、設計與空間優(yōu)化AI工具DSO和軟硬件原型驗證等開發(fā)工具和技術理念。
新思科技全球資深副總裁兼中國董事長葛群則指出，SysMoore時代，新思科技瞄準兩個發(fā)展方向，一個是解決半導體工藝建模和抽象難題，能夠讓從業(yè)者更好地控制、使用不同的半導體工藝;另一個是降低開發(fā)門檻，讓更多人參與到半導體產(chǎn)業(yè)當中來，滿足信息技術規(guī)模不斷擴大的需求。
Sassine Ghazi表示，針對當前行業(yè)痛點，新思科技能提供全方位一體化的解決方案，以幫助客戶破解系統(tǒng)復雜性指數(shù)型上升的難題。而在當前社會數(shù)字化轉型過程中，提出SysMoore更有特殊意義。
葛群表示，中國具備全球最齊全的工業(yè)門類，通過數(shù)字化改造提高生產(chǎn)力和生產(chǎn)效率的需求很迫切，但將傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)進行數(shù)字化改造所面臨的挑戰(zhàn)，比數(shù)字化技術本身面臨的挑戰(zhàn)要大很多。葛群說：“依靠SysMoore理念，把芯片技術和電子技術在具體行業(yè)中落地，幫助中國進行數(shù)字化轉型，就是新思接下來最主要做的工作。”
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