[原创] Chiplet和Tier-1 IC品牌商赋能AIoT时代

2019-04-01 14:00:15 来源: 半导体行业观察

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根据摩尔精英CEO 张竞扬于2019.3.9 CASPA硅谷春季论坛演讲整理

摘要：半导体行业对AIoT一直抱有很高的期望，希望这些新应用能带来一个像PC电脑或者智能手机那样，海量的、统一的芯片市场。然而今天的现实是，大部分AIoT应用需求是碎片化、小批量的，为其投入一颗SoC的经济回报，甚至很难收回其NRE成本。我们应该坐等奇迹发生吗？还是需要转换思路，寻找消除这种不匹配的解决之道？在本文中，我们将探索Chiplet和Tier-1 IC品牌商带来的新可能，并探讨这将如何改变IC行业的业态，催生新的商业模式。

AIoT 是人工智能和物联网的融合

图片来源：Samsung

AIoT可以看成是物联网的下一个阶段——从简单的物物相连，到AI加持的智能设备万物互联。人工智能和物联网的融合是大势所趋，因为它们刚好互补，AI（无论Cloud还是Edge侧）需要物联网收集的数据来训练算法，物联网也需要AI算法建立的模型来作出决策。

近几年，各种智能硬件层出不穷，我自己就是一名发烧友，Google Glass, HTC Vive, HoloLens, MagicLeap等各种AR/VR, 无人机，智能电视，智能门锁，智能灯，扫地机器人等等，市面上能买到的智能硬件，大部分我都会买来试一试。那么，这些智能设备的用户体验到底如何呢？

尽管DIY的智能家居系统对我这个科工男来说还不错，朝我理想中的未来生活方式又迈了一步，但这个系统只对我特别友好，对于父母一代人来说，似乎就不那么智能也不那么方便了，Wi-Fi信号问题，电源中断，操作系统更新，电池耗尽......一个微小的干扰可能会破坏整个系统。当系统出现问题或者需要改变设置的时候，家里人觉得找我，比鼓捣设备或者App要来得方便，于是我就变成了一个人肉中央遥控器:-)

今天的IoT还远远谈不上成熟，对于大部分用户来讲还是太复杂，如果终端设备还需要人工干预，连接，登录，配置，那还真的是不够智能，也很难大规模地商业化落地。正因如此才有人说，目前所有的芯片都应该被重做一遍以支持AI功能。

今天的人工智能真的智能吗？

我们可以随机做个测试，拿出你的智能手机，对语音助理说：推荐餐厅，不要中餐，看看反馈的效果令你满意吗？即使是这样简单的一个对话场景，今天的语音助理也搞不定，未来两年内，我们很有可能仍将面临如此尴尬的情况。

为什么人类已经能够可以设计出像IBM Watson，Google AlphaGo这样强大的AI，却无法实现一个简单的聊天机器人呢？在去年的Google I/O开发者大会上，新一代谷歌助手采用Google Duplex技术已经可以像人类一样打电话，令人惊叹；但为啥一到手机上就货不对板了呢？

今天人工智能的硬件性能、成本和功耗，离日常使用还存在很大差距。AlphaGo的硬件成本和功耗都非常昂贵，在它和围棋世界冠军、职业九段棋手李世石的著名对决中，花费了约2万美元的电费。回到语音助理订餐的问题上，你愿意为餐馆推荐支付多少钱？

生物大脑vs超级计算机芯片

《深度学习》这本书的作者谢诺夫斯基，上世纪80年代就在研究神经网络计算， 1989年，谢诺夫斯基到麻省理工学院计算机实验室访问。气氛不算融洽，那里的人都质疑他的方法。午餐之前，谢诺夫斯基有五分钟的时间，给所有人介绍一下他讲座的主题。谢诺夫斯基临场发挥，以食物上的一只苍蝇为题，说了几句话。谢诺夫斯基说，你看这只苍蝇的大脑只有10万个神经元，能耗那么低，但是它能看、能飞、能寻找食物，还能繁殖。MIT有台价值一亿美元的超级计算机，消耗极大的能量，有庞大的体积，可是它的功能为什么还不如一只苍蝇？

在场的教授都未能回答好这个问题，倒是一个研究生给出了正确答案。他说这是因为生物的大脑是高度专业化的，进化使得它只具备这些特定的功能，而我们的计算机都是通用的，你可以对它进行各种编程，它理论上可以干任何事情，问题的症结也正在于此，因为专业化和通用化的结构不同，1百万神经元的昆虫专用大脑可以超过80亿个晶体管的通用芯片。

AIoT实现大规模商业化的前提，就是芯片要以相当低的成本和功耗，实现足够强大的性能，摩尔定律过去50年的发展，CPU的性能有了超过40万倍的提升，让AI实现有曙光，又远不能满足AI落地的性能、成本、功耗需求。

用专用ASIC（Domain Specific, Dedicated ASIC）来榨出极致性能

我们知道，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。

过去大量的应用都可以用通用计算来解决，但是在AIoT的未来，硬件性能没有冗余，并且长期存在瓶颈，加密货币的案例给了我们一些启示，我们将一定需要ASIC，来释放出极致的性能。

每个物联网细分市场都用得起ASIC吗？

虽然明确ASIC在性能方面的优越性，但半导体行业从来都要算一笔经济账，碎片化的物联网市场，能够负担得起ASIC的投入吗？

过去，设计一款28纳米芯片的研发成本约为5000万美元，7纳米的研发成本上涨到3亿美元，而预测3纳米的芯片研发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，AIoT的早期无法一夜之间提供这样的市场机会。

另一方面，尽管AIoT市场总量巨大，但每个细分市场都过于分散，单品的需求量不大，为其投入一颗ASIC的经济回报，甚至很难收回其NRE成本。“物联网”这个词非常具有误导性，它将成千上万的碎片组合成一个单词，一个集合的概念。总量看起来是个巨大金矿，实际上是个高度碎片化而且贫瘠的领域。但是如果没有ASIC来提高性能和用户体验，这一个个细分市场又很难成长到上亿量级的出货。

专业化、多品类、小批量的芯片，要求上市时间更短，性能更高，还需要成本更低，多、快、好、省，简直就是Mission Impossible，我们如何才能完成这一不可能的任务？

摩尔定律暗藏伏线 - 异构集成Heterogeneous Integration

当1965年，戈登摩尔发表他那篇充满传奇色彩的论文 - Cramming More Components onto Integrated Circuits，他不仅提出了后来被称为“摩尔定律”而为人们所熟知的经典预言；同时，他也给我们留下了一条线索，如何用较小的组件，快速经济地构建一个大型的系统，那就是Heterogeneous Integration（异构异质集成）。

戈登摩尔在论文中写道： It may prove to be more economical to build large systems out of smaller functions, which are separately packaged and interconnected.

对于极度追求性能却又碎片化的AIoT市场而言，异构集成可能是一条很好的出路。

Chiplet：类似乐高积木的“裸片IP”复用

最近，Chiplet这个概念热了起来。简单来说，Chiplet技术就是像搭乐高积木一样，把一些预先生产好的实现特定功能的芯片裸片（die），通过先进的封装技术（比如3D, 2.5D）集成在一起形成一个系统芯片。而这些预生产裸片就是Chiplet。从这个意义上来说， Chiplet是一种新的“裸片IP”复用。

像乐高积木一样，把不同模块组合在一起的想法，已经被半导体行业讨论了近十年，但真正进行商业化探索，还是在近几年，晶体管的尺寸越来越接近技术极限，按照摩尔定律进一步缩减晶体管特征尺寸的难度越来越大之后。

Marvell的创始人Sehat 博士，在ISSCC 2015上提出了Mochi（模块化芯片）架构的概念。2017年，DARPA推出了CHIPS计划，专注于开发可根据需要组合的芯片，即将一系列模块化芯片或Chiplets，通过die-to-die的互连方案封装集成。理论上，Chiplet是一种开发周期短且成本较低的方法，可以将各种类型的第三方芯片（如I / O，内存和处理器核）组合在一起。

SoC，Chiplet和PCB的比较

对SoC，Chiplet和PCB进行设计成本、时间、风险和性能、功耗、产品尺寸等多维度的比较，可以看到Chiplet是SoC和大多数分立器件PCB之间的折衷方案，相比SoC，只牺牲了少量性能，但研发投入和研发周期已经大大降低。

特别的，针对AIoT市场， Chiplets模式提供了制造工艺选择的灵活性。我们可以经济高效地将先进工艺制造的高性能计算单元，和主流成熟工艺制造的模拟/射频模块，集成在一个封装中。

Marvell Intel AMD zGlue 的Chiplet探索

Marvell自4年前推出MoChi架构以来，推出了一系列Virtual SoC产品（从产品Datasheet里可以看到），Mochi可以是许多应用的基准架构，包括物联网，智能电视，智能手机，服务器，笔记本电脑，存储设备等。但遗憾的是，随着创始人Sehat卸任CEO，近一两年没有听到太多Mochi相关的新消息。

Intel在高级封装领域一直处于领先地位，之前的EMIB技术就有其独到的优势，而2018年12月Intel发布的Foveros技术则是3DIC方面一个长足的进步。Foveros架构中，芯片3D堆叠在有源硅载片上，并通过硅载片做互联。相比2.5D封装，使用Foveros的3D封装大大提升了集成密度，同时芯片与有源硅载片之间的IO带宽也有潜力能做更大，从而获得更大的性能提升。

Intel的Foveros多少也是对AMD于前一个月发布的Rome架构处理器的回应。2018年11月，AMD发布的Rome架构处理器也是基于高级封装，由多块7nm Zen2处理器芯片粒和一块14nm 互联和IO芯片使用2.5D技术封装而成，其中每块7nm Zen2芯片粒都含有8个核，而多块芯片粒经过组合最多可以实现64核，芯片粒之间则通过14nm互联芯片进行芯片间通信。

初创公司zGlue也宣布了针对物联网的商业产品，帮助客户加速产品开发和将差异化产品推向市场。他们提出了一个称为ZiP的集成平台，利用Chiplet，Smart Fabric™可编程interposer，和基于云的设计软件，实现芯片的低成本快速开发。

Chiplet普及化有机会催生新的商业模式

在今天的半导体产业价值链中， IC设计公司起着至关重要的主导作用，他们从供应商处购买IP（Intellectual Property），采购EDA（Electronic Design Automation）工具进行设计，再向晶圆厂下单进行芯片制造，再封测，最终直接或者通过分销商，销售芯片给系统公司客户。但如果某天，Chiplet成为主流的选择，当小芯片的标准建立起来时，有数十万个商业化的Chiplet可供选择，接下来会发生什么？

半导体产业的新结构 - Tier-1 IC品牌商

生产力的进步，必然带来生产关系的变化。

如果我们看看汽车工业会发现，经过一个多世纪的发展，现在这个成熟行业的分工，包括汽车整车厂OEM，Tier-1，Tier-2，Tier-3供应商。一级和二级供应商的合作关系很有趣，一级供应商高度依赖二级供应商的专业技术技能，从Tier-2购买组件并将其打包成汽车级系统卖给整车厂，二级供应商制造零件并乐于将其销售给Tier-1。整车OEM客户更加信任一级供应商，基本上都是从Tier-1供应商处进行采购。

今天，半导体产业链中还没有Tier-1、Tier-2的结构，传统的IC设计公司同时兼任了两者，他们设计整个芯片，最后销售芯片产品。 Chiplet，可能推动整个半导体行业的演化，Tier-1芯片供应商这一新物种将会出现。就像汽车行业一样，一级芯片供应商（我们也可以称之为品牌商）可以从二级Chiplet供应商处购买小芯片，并将其整合成SIP。Tier 2制造小芯片并且很乐意将它们出售给Tier-1，系统公司将主要信任和采购来自Tier-1 IC供应商的器件。

哪些玩家有机会成为Chiplet和Tier-1 IC供应商？

新结构，新牌桌。谁将最有可能赢得这场新游戏呢？

小型的芯片设计公司，IP供应商，甚至晶圆制造和封装测试供应商，都有机会成为Chiplet供应商。最终，IC设计公司和IP供应商之间的界限将会模糊，它们将全部转变为小芯片或者说硬IP供应商，并将Chiplets推向市场。

如果一家芯片设计公司可以通过Chiplets轻松获利，而不必担心供应链，销售和市场营销，那么这将像独立工作室一样敏捷、灵活、高效；如果工程师可以作为独立设计工作室赚大钱，那么对于大型设计公司而言，按照原先的利益分配机制，想要留住这些天才，将会更加困难。

另一方面，谁将有机会成为一级IC供应商？

大型IC设计公司，分销商，模块制造商都可能有发言权。事实上，他们会争先恐后地竞相成为一级IC供应商，以获得更多利润。以经销商为例，在传统的半导体行业成本结构中，他们通常只能赚到芯片销售额3-5％的毛利（如果不是缺货炒货的话）; 但一旦成为一级供应商，购买Chiplet并集成到SIP中，将有机会将毛利率提升至50%！（按IC设计公司毛利率的中值估算）经销商对市场趋势和要求非常敏锐，一旦他们获得像Chiplet这样的强大武器，补齐技术短板，他们也可以像芯片设计公司一样逐鹿中原。

Tier-1 IC品牌商诞生后的全新生态系统

凯文凯利说，所有企业都难逃一死，所有城市却几乎不朽，企业总想成为封闭的帝国，城市才是开放的生命体。

经过多年的商业实践，领先的芯片设计大公司已经开发出一套高效的内部协作机制，用集团层面的供应链运营能力，支持数百个研发部门，同时用统一的渠道和品牌来销售所有产品。每个研发部门都像特种部队，快速移动，共享资源，从整合的后台得到及时的支持，快速发展。

随着Tier-1 IC品牌商、Tier-2 芯片Chiplet供应商的出现，可能会出现一个更开放、更有活力的新生态系统。 “但求所用，不求所有” ，未来，不一定所有资源和技术能力都属于某家大公司，而更有可能是一个由许多 Chiplet Studios（芯片设计工作室）有机组合的生态系统，依托生态系统所整合的强大制造和运营能力，聚焦核心研发，完成快速创新。

规模化的品牌商，Tier-1 IC供应商大公司，拥有成熟完善的供应链体系，甚至工厂，销售渠道，是芯片设计工作室的核心技术能力的放大器。这种一级芯片供应商+芯片设计工作室的开放生态系统，能够更好地服务碎片化的AIoT市场。

摩尔精英：半导体的阿里巴巴，让中国没有难做的芯片

为了共同创造这个开放的芯片生态系统，摩尔精英进行了一些探索。为了使芯片设计简单高效，我们正在构建未来的半导体基础设施，赋能芯片设计公司，提升行业效率，就像阿里巴巴在电商领域提供流量、物流、支付服务，赋能平台上的电商一样。

目前摩尔精英在全球拥有超过260名全职员工，包括芯片设计工程师、供应链运营专家、晶圆技术服务工程师、封装测试工程师等等。我们为全球超过1,500家无晶圆厂IC客户提供芯片设计服务，供应链运营，人力资源和企业服务，正在努力成为半导体行业的阿里巴巴，成为孕育Chiplet的土壤，帮助中小型芯片设计公司获得成功。

支持IC Design Studio的一站式平台

大多数芯片设计初创公司，特别是中国本土很多不超过50人的初创公司，从规模上来说，实际上都接近一个产品研发部门或设计工作室，他们最重要的核心能力是技术，对于这些CTO背景的企业家来说，学习一套完整的公司运营体系，销售运营供应链，消耗了本应投入核心产品定义和研发的，大量的时间和精力，同时，在芯片起量到一定规模之前，招聘一个十项全能的完整团队也是不经济的。

摩尔精英提供一站式半导体专业服务平台，将这些CTO技术大牛们从繁琐的公司销售、运营和供应链事务中解放出来。我们希望帮助这些IC Design Studio专注于发展其核心技术长板，成为其细分市场的全球前三名。

总结