芯片设计也讲究个性定制：从ICCAD盛会看中国半导体之设计服务篇

2019 ICCAD年会盛况空前，吸引了来自全球及海外的3000多位半导体行业专业人士参与。在本届年会的高峰论坛上，有四家芯片设计服务公司分别做了主题演讲，并接受了《电子工程专辑》、《电子技术设计》等行业媒体的采访。这4家芯片设计服务公司的演讲人及其主题分别为：
* 芯原微电子董事长兼总裁戴伟民博士《世界半导体产业的第三次转移》
* Socionext中国董事长铃木寿哉《探索与挑战，SoC驱动未来创新》
* 摩尔精英董事长兼CEO张竞扬《1/10资金，1/10时间，1/10团队，如何高效设计芯片？》
* 北京芯愿景联合创始人兼董事总经理张军《构建有效的硅知识产权保护体系》

《电子工程专辑》和《电子技术设计》编辑记者团队根据现场采访报道，对芯片设计服务趋势分析总结如下：
* Chiplet是后摩尔时代的IP？
* 从Fabless到Design-Lite
* 芯片设计也讲究个性定制
* 芯片公司专利诉讼案件频发

Chiplet是后摩尔时代的IP？

Chiplet(芯粒)类似于IP，但不是以软件形式出现，而是以裸片(die)形式提供。 Chiplet可将不同工艺节点、不同材质、不同功能的裸片封装在一起，可以缩短芯片开发周期，降低芯片设计总成本。美国DARPA有一个CHIPS（通用异构集成和IP复用策略）项目专门开发chiplet，其成员包括Intel、Micron、新思、Cadence，以及一些大学和国防工业企业。2018年成立的开放专用域架构(OSDA)组织现已有50家公司会员，专注于制定 Chiplet开放标准，促进形成Chiplet生态系统，，并催生低成本SoC替代方案。其它跟 Chiplet相关的标准协议还有缓存一致性互联协议CCIX，以及开放互联技术标准CXL。此外，Intel还开放AIB(高级接口总线)接口许可，以支持广泛的 Chiplet生态系统。

半导体企业在 Chiplet方面的研究进展
* Marvell最早于2015年提出模块化芯片(MoChi)架构的概念，为物联网、智能电视、智能手机等应用提供了基准架构。
* AMD的Rome第二代霄龙EYPC Zen2架构CPU就采用了 Chiplet，其内部集成了8个7nm CPU裸片，以及一个14nm I/O裸片。
* Intel则将其嵌入式多硅片互联(EMIB)技术升级为逻辑晶圆3D堆叠技术，命名为Foreros。其2D EMIB技术的升级版Co-EMIB能够将2个或多个Foreros芯片互连起来。
* 台积电自行设计了一颗 Chiplet，名为“This”，采用7nm工艺和CoWos晶圆级封装，面积为4.4mmx6.2mm。
* 芯原提出IP as a Chiplet(IaaC)理念，旨在以 Chiplet实现特殊功能IP的“即插即用”，可以将图像处理(ISP)、VIP(NPU)、VPU(视频)和GPU等内核IP以不同工艺节点的 Chiplet实现，然后与CPU和片上缓存互联，最后形成系统级封装(SiP)芯片。

随着半导体工艺节点逐渐趋向物理极限，业界都在积极寻求延续摩尔定律的新方法。Chiplet似乎成了企业、研究机构和政府都比较认同的解决方案，它可否在后摩尔时代成为业界通用的IP模式，从而继续提高集成度并降低成本呢？芯原微电子董事长兼总裁戴伟民博士认为是芯片设计的昂贵和长周期这些问题驱动业界寻求像Chiplet这类新的模式， 因为采用chiplet方式可以更高效率复用一些标准化功能的IP模块，也可根据芯片性能需求，通过在一颗芯片上封装集成不同工艺制程的die来降低先进工艺下整体芯片的成本。

Socionext中国事业部总经理刘珲从Chiplet产生的源头给出了解释，数字逻辑在工艺上的演进速度比模拟要快。数字不存在多次迭代，但模拟需要多次迭代，赶不上数字对于工艺的要求，因此模拟IP技术在早期工艺导入时，很难匹配数字芯片的进度要求。Chiplet可以解决两大问题，一是在先进工艺节点早期阶段，一些复杂高速的模拟或接口电路的”有无”问题；另一个是灵活性问题，例如有些芯片在不同场景下，对接口或模拟的通道数量要求不同，如果都集成在一颗die上缺乏灵活性，PPA方面难以做到最优。Chiplet通过数字和模拟更好地解决了场景化的灵活性问题。与此同时chiplet也面临着诸多挑战，例如接口标准化、接口间巨大的数据量造成裸片和裸片间互联所产生的大功耗，以及高成本所带来的未来大规模化应用等问题。

图1：芯原微电子董事长兼总裁戴伟民博士(左二)、Socionext中国事业部总经理刘珲（左三）与其他嘉宾在ICCAD会议上接受媒体采访

从Fabless到Design-Lite

戴伟民博士在ICCAD高峰论坛的主题演讲中回顾了全球半导体产业的三次转移，从上世纪60年代Fairchild和TI主导的美国军工时代，到70年代日本主导的家电时代，再到80-90年代Intel主导的PC时代，以及2000年以来Arm和台积电主导的智能手机时代，直到现今的AIoT时代。

随着半导体产业从重到轻，从美国到日本，再到韩国和台湾，直到今天和未来10年往中国大陆的转移，我们同时也看到芯片设计逐渐变轻。从最初的系统厂商，到IDM，再到晶圆代工和Fabless，芯片设计和制造逐渐分离。半导体产业发展到今天，即便Fabless也是很重的，开发一颗芯片需要几百人花费几年时间才能量产商用，这样的花费和耗时显然已经不能满足5G+AI+IoT融合的快速发展时代的需求了。

下图是2018年全球Top 10 Fabless公司的研发费用与营收对比。可以看出大部分Fabless公司的研发投入占营收的比例都超过20%，如果芯片产品的毛利率达不到50%的话，就很难赚钱。有时候看到有些公司将整个产品线关闭，主要原因也就在此。

图2：2018年全球前10大Fabless芯片设计公司的R&D投入与营收占比

除了传统的大中型fabless公司外，电子系统厂商、汽车厂商和互联网公司现在都在尝试做自己的芯片，而以AI芯片为首的芯片设计初创公司也希望低成本、高效率地开发特定领域专用的芯片。像芯原、摩尔精英、Socionext这类提供芯片设计专业服务的公司已经看到了这样的需求趋势，在设计和服务理念上也在做出相应的改变，从“重设计(Design-heavy)”到“轻设计(Design-lite)”的理念也就自然浮出水面了。

对芯片设计初创企业来说，“轻设计”是很自然的选择，因为尽量选择芯片设计服务公司提供的标准IP、软件工具和设计服务，可以降低风险和成本，并快速将芯片推向市场。当然，自己核心的技术是不能外包的，否则就失去了市场竞争力。

对于那些财大气粗的系统厂商和互联网企业，“重设计”还是“轻设计”？就要慎重选择了。这类客户设计芯片不是对外销售，而是满足自己特定的需求，芯片不是其核心业务和技术，很多行业通用的IP、软件和最佳实践其实没有必要再从头设计了。按照戴伟民博士的想法，这类客户也应该尽量选择”轻设计“。

图3：摩尔精英董事长兼CEO张竞扬(左一) 与其他嘉宾在ICCAD会议上接受媒体采访

摩尔精英董事长兼CEO张竞扬在高峰论坛演讲中，展望了一个只花费传统芯片设计1/10的资金、时间和人力来设计IoT芯片的场景，其实这就是”轻设计“理念的实践。虽然理想的轻设计要真正在中国半导体行业落地还需要时间，但随着EDA工具、IP和chiplet、晶圆代工，以及芯片设计服务的完善，相信中国芯的”轻设计“会逐渐成为主流。

个性化定制芯片

据刘珲介绍，Socionext于2015年由富士通和松下半导体整合成立，业务分为ASSP（专用标准产品）和ASIC（定制化SoC）两大板块。Socionext中国董事长铃木寿哉在高峰论坛主题演讲中回顾了ASSP和ASIC的发展历史，针对5G、数据中心、人工智能等新兴市场的快速增长这一变化，公司加大了对消费、汽车和工业市场3大关键领域的技术研发。Socionext灵活依托在ASSP产品技术和长期积累的设计经验，再根据客户需求和诉求提供了丰富的ASIC设计服务，从产品设计开发到生产，帮助客户以低成本实现低功耗、高性能等功能并快速投入市场。

根据美国市调公司Transparency的调查，全球定制化SoC市场预计将以8.4%的年复合增长率增长。近年中国的AI和汽车电子等新兴行业市场发展势头强劲，再加上半导体产品的本土化趋势，定制SoC的市场需求有望大幅增长。

一直倡导芯片设计即服务(SiPaaS)模式的芯原在全球和中国市场的定制SoC设计服务也享受到快速增长的利好。例如，博通选择芯原Vivante VIP8000/VINano系列AI处理器IP以开发新一代机顶盒系统级芯片。芯原的视觉图像处理器也已经应用于很多智慧城市和安防监控系统中。

针对中小芯片设计公司的个性化定制需求和低成本要求，摩尔精英提出了“各自成云、永不落地”的想法。张竞扬解释道，每一家IP和EDA厂商都可以在云端租一个自己的空间，因为在统一的公有云上，可以自己设置访问权限，这样EDA/IP供应商就不必担心泄露和偷盗问题。芯片设计公司可以在云平台上选择各自需要的IP、EDA和设计服务以便低成本地满足自己的个性定制需求。通过这种共享和个性化的服务模式开发的芯片会通过摩尔精英统一的渠道送去晶圆厂流片。

芯片公司专利诉讼案件频发

半导体是一个资金、技术和人才智力密集型产业，为保护各自辛苦多年研发的技术专利而相互诉讼的案例时有发生。从三星和苹果的恩怨情仇，到高通与苹果的恨爱交加，再到最近格芯与台积电的相互起诉。随着最近几年本土芯片公司的蓬勃发展，国内芯片行业的专利技术诉讼案例也开始明显增多。指纹识别芯片厂商汇顶科技诉讼上海思立微以及台湾神盾只是众多诉讼案例的冰山一角。

图3：北京芯愿景总经理张军(右一) 与其他嘉宾在ICCAD会议上接受媒体采访

从事多年产品反向分析、芯片设计及芯片知识产权专利诉讼服务的北京芯愿景总经理张军对此深有感触。他说公司现在几乎每天都会接到有关芯片设计技术和专利纠纷的案子，但涉及的专利和技术一般都不是特别先进和精尖。就拿专利来说，很难找到好的专利，一个好的专利会给公司带来非常大的价值。

除了技术本身外，国内公司的技术人员对专利的理解偏差也不容忽视。一个专利无论是硬件、软件还是算法，都必须可以取证才行。另外在申请专利时也要尽量描述清楚，不然在发生专利纠纷时就难以界定。他建议芯片设计企业在开始一个设计项目之前一定要多方咨询，尽可能全面了解涉及的专利和专有技术，以免等产品上市盈利后因诉讼而影响公司业务发展。

除了芯片公司之间的专利和技术诉讼外，还有一种专门的”专利流氓“公司也要引起注意。这类公司俗称“TROLL”，专门收购一些衰落或倒闭企业的专利，然后到处寻找潜在的”猎物“。很多中小公司缺少专利和法律方面的专业人员，从公司长久发展来看，是非常不利的，一个公司发展到一定规模的时候，束缚公司最终成为行业翘楚的关键通常不是技术本身而是知识产权雷区无法逾越。

从ICCAD盛会看中国半导体发展系列报道：

1. EDA设计需要从芯片到系统的新思维

2. 小小IP是一门大生意

3. 芯片设计也讲究个性定制

责编：Steve Gu