Paul Teich 是 Tirias Research 的首席分析師，他在最近的 DAC 會議上做了一個充滿挑釁意味的演講“集成讓設計創新的空間更小了嗎？（Is Integration Leaving Less Room for Design Innovation?）”答案并非表面看上去那么簡單。

“集成過去是增加硅的能力的驅動力，”Teich 說，“漸漸地，它將被用于將一個完整系統的更多功能都整合到一個硬件系統之上。”

在 DAC 展館的 Paul Teich，照片來自 Jesse Allen

Teich 談到 IP 正變得越來越復雜。他解釋了用來生產最優的內存、無線電或邏輯的工藝正變得非常不同，使得我們正從系統級芯片（SoC）轉向系統級封裝（SiP）。“對于 SoC，你要將所有東西都集成到同一個 die 上，所以獲取 IP 是非常重要的。對于 SiP，重點卻是合作關系和封裝技術。我們現在所看到的情況是封裝方面有大量創新，很多人在嘗試合作，以便他們能獲取其他人的當前最佳的已知的優良 die。每次都嘗試將所有東西都整合到一個 die 上，你會讓人覺得做系統設計在設計工程資源方面是一個失敗的主張。”

在討論了一些知名的 SiP 產品之后，他又談到了在硬件之上構建的更高層面的系統和服務。“我們看看創新的發展方向，我認為它不會再往系統級芯片設計上的集成有太多發展，因為它的方向是封裝單個芯片、排放熱量并且確保你能夠從中收到清晰的無線電信號。每個做物聯網（IoT）設計的人都必須記住，IoT 中的 I 意味著產品不是獨自工作的。當你在決定需要將什么東西放進你的產品中時，你要決定一些本地的東西，也要考慮背后提供更深度的背景的云。你需要競爭的地方在于每個人都會把從你的 IoT 傳感器收集到的數據傳輸到云上進行數據的收集、分析和得出某種模式層面的結論。”

所以，這個行業的其他人對此怎么看，他們認為創新的發展方向是什么？Semiconductor Engineering 與硬件和系統設計等領域的人談了談——并且發現在一些不同地方，創新仍然有聲有色。

服務產品

媒體當然會重點關注新市場和新收入來源，尤其是那些和云相關的。服務已經變成了賺錢機器，而不再是產品。但從芯片層面看，其中每一個市場都需要定制或半定制的硬件和軟件。而且盡管集成是其中的關鍵部分，但也基本不會是千篇一律的設計。

“今天，它從應用變成了可以影響社會的事物。”Lanza techVentures 的董事總經理 Lucio Lanza 說，“我們正處在這一變化之中。比如，新一代人并不喜歡花時間在商場周圍散步。簡直浪費時間。他們不需要在商場認識什么人，他們可以在 Facebook 上認識。”

Joe Costello 在一個 DAC 主旨演講中談到了 Enlighted 最初開發 IoT 邊緣設備的方式。這家公司這么做的目的是為了了解市場，以便提振收入。今天，這家公司在銷售基于自己所創造的平臺的服務。“你必須放棄你公司前五年所創造的大部分東西。你必須將垂直線（vertical）轉變成一系列水平線（horizontal），這樣才能贏得世界，而這非常困難。這就是擴展的方式。”

Lanza 完全認同這一點：“我可以預見，一旦你有了數字化的數據集合并且有了網絡，你就可以將事物水平化。現在你已經有了可以在其上構建很多事物的平臺，接下來就是要試圖找到這些水平面中的哪個垂直領域會向上發展并獲得成功。”

水平線的概念一直在隨時間改變。“在那之上有很多層軟件以及服務。”OneSpin Solutions 的 Dave Kelf 說，“更底層的軟件變得越來越像硬件。因為這變成了一個更大的問題，所以更底層的模塊開始商業化，服務于更高層的模塊。而在最高層上，還有很多東西可以創新。”

開發一款垂直線進行測試、推廣成水平線、再讓新的垂直線從中涌現，這樣的周期循環是技術創新的核心。集成和技術進步讓我們可以構建更大的平臺，所有這些都會帶來越來越多的創新。技術創新的速度并沒有放緩。

但其中可能存在價值脫節。Kelf 說：“如果你是一家硬件 IP 公司，并且開發出了一些精巧的 IoT 模塊，那賺錢的唯一方法是讓其他人使用這些模塊來創造應用。在更高的層面上，創造出的任何服務都能生錢；所以在硬件本身上，你可能會有規模經濟和缺乏實際價值的問題。”

Sonics 首席技術官 Drew Wingard 認同這一看法。“在過去硬件為王的時代，系統公司賺的錢仍然比硬件公司多得多。系統公司通過圍繞硬件開發而增加價值，而那些做硬件的家伙從來沒享受到那些做系統的所得到的那種利潤。”

系統選擇

很多人將系統看作是水平線平臺，但即使這方面也還是存在許多選擇，最終的決定會產生非常廣泛的影響。“一位行業高管曾給我分享了一項最近的研究，說是集中式處理而不在邊緣處理的系統具有最優的功率效率和性能。”Uniquify, Inc. 營銷副總裁 Graham Bell 說，“邊緣的本地處理需要自己的軟件棧。通過消除邊緣的軟件棧并將所有輸入發送到中央處理器，就可以實現更加高效的封閉系統。這種方法更為特定于應用，因此需要實現更加定制化的創新。”

這肯定不是現今市場中許多或一些高度成功的產品背后都有的觀點。Lanza 說：“停下來思考一下，如果我們要將計算機應用到更多社會方面，計算機很可能就必須學習更多軟性的維度，而不只是計算機速度。為了學習，CPU 必須更快嗎？不是的。上次我看人類的時候，我們的大腦里也還沒有超快的計算機。”

我們現在可能依賴于集中式計算，但那只是因為我們還在等待創造新的水平線，而它會將計算能力投放到更小型的設備中；而且這可能不會遵循我們過去遵循的路徑。Kelf 補充說：“我們不能依賴同樣的硬件設計然后進行擴展。我們知道出現了一些新方法，我們無法再繼續保持一樣的設計。我們需要思考用來解決難題的新硬件結構，而不只是依賴于性能。”

硬件與系統和服務越來越遠了嗎？“集成的水平越高，半導體從業者就離硬件系統的極限越近，而他們就必須越來多地考慮軟件在硬件上做的工作。”Wingard 說，“這意味著芯片開發者將越來越像硬件系統設計者，但這并不會改變形勢。硬件系統設計者并沒有掌握全部力量，而是實際的系統公司決定使用硬件系統來做什么以及它們需要哪種軟件、它們將運行什么應用或它們可以銷售怎樣的服務。這些服務和硬件之間的層級數量實際上正在減少。”

創新的新方向

盡管摩爾定律可能正在放緩，但這不可能會使芯片設計領域的進步和創新停滯。摩爾定律減速的威脅帶來了其它領域的創新，比如封裝領域。“有可能系統設計的下一次演進將會發生在基于基底的多芯片系統（substrate-based multi-chip system）領域，其中一些芯片是 10/7nm 而另一些則是 26/16nm。”Cadence 設計 IP 的營銷總監 Tom Wong 說，“由于智能手機的外形尺寸、性能和低功耗需求，我們已經見證了 POP（封裝體疊層技術）和低成本 2.5D interposer 的大規模應用。而在數據中心的和企業領域，我們看到了對非常高端的 2.5D interposer 技術的應用，另外 3D 封裝也被用到了網絡應用的高性能內存子系統上。”

還有很多可能，我們也許只看到了冰山一角。Bell 說：“系統級封裝為納入其它系統 IP 提供了另一個維度，其中比如說 MEMS、傳感器、無源器件、RF 和內存。比起使用前沿工藝強迫將所有 IP 都放在芯片上，這個解決方案有更低的成本和更高的效率。每個 IP 都可以使用對其特定應用而言完美的硅工藝節點。這一類的異構集成促進了大量不同的可能應用的定制化和創新。”

芯片內的創新

芯片內部還有很多實現創新和差異化的空間。“SoC 架構、硬件/軟件分區、設計方法和封裝都是創新的康莊大道。”Mobiveil CEO Ravi Thummarukudy 說，“性能、功率和成本也能提供很好的差異化。”

事實上，一些人認為新一波創新浪潮才剛剛開始。“正如牧村浪潮（Makimoto’s Wave）預測的那樣，半導體業務在標準產品（ASSP）和定制產品（ASCP）之間循環。”Cadence 的 Wong 說，“最近我們已經見證了應用處理器從來自 SoC 提供商的‘標準解決方案’變成了來自主要消費電子設備制造商的‘定制解決方案’。創新從專門的供應商轉移到了 OEM，因為它們也建立了自己內部的設計團隊。隨著公司變得垂直，也正在發生一些重新聚合。這只是另一個循環周期的開始。”

“如果我們通過組合 IP 來開發芯片，這就能避開硬件創新嗎？”Wingard 問道，“我認為這不過是換了一種決定方式——即不是使用晶體管，而是使用被稱為標準單元（standard cell）的基本元素來構建數字組件。這并不會損害創新。這僅僅意味著你可以使用更高層的構建模塊進行開發了。所以基于 IP 的設計方法允許芯片設計者更好地選擇系統，以便更好地進行優化，因為他們不必在細節上耗費太多時間。”

當今的設計具有大量交互式元素。“設計者可以使用預驗證過的子系統，這讓他們可以專注于最終應用，而不是在搭建基本基礎設施和功能上耗費大量時間。”SoC Solutions 總裁 Jim Bruister 說，“創新和差異化在于使最終應用有用的獨特功能（定制 IP），比如一種特殊的傳感器、特殊的無線電或甚至特殊的安全算法。”

IP 集成也有多個層面的問題。“選擇一種 IP 的過程需要 ASIC 集成商考慮所有與系統相關的硬件和軟件分區的問題和挑戰。”Open-Silicon 業務發展和 IP 解決方案高級總監 Elias Lozano 說，“一個 IP 不能被看作是單片 RTL 或 Hard IP 模塊，而應被看作是解決片上/片外封裝難題以及芯片內部難題的組件。這個 IP 會如何影響功率、多電壓域和新優化的時鐘方案？難點不在于這個 IP，而在于需要理解所有這些問題的領域專家（人力資本）；有了他們才能為他們的應用提出創造性的且有成本效益的解決方案。”

Wingard 說：“我從不相信提供集成技術能抹殺人的創新能力。我希望通過讓組合更簡單，我能增強他們的創新能力。”

另外還有成本因素。Thummarukudy 說：“開發一個標準 IP 模塊的成本大約是從第三方拿授權的 3 到 5 倍。如果僅需 30% 的成本就能獲得一個經過驗證的成熟模塊，還自己去設計開發，那就在經濟上是不合理的。”

架構也很重要，不久前就有證明。“蘋果第一款真正的設計震撼了這個市場，因為他們讓 GPU 的區域達到了 CPU 區域的四倍。”Wingard 說，“這是一個變革性的舉措。應用處理器一直以來都是 50 平方毫米大小，因為諾基亞曾經說他們只想在上面投入 X 美元，而且使用這么多錢也只能開發出這樣的。蘋果開發了一款大 2.5 倍的。他們做了不同的選擇，而世界格局再也沒回到從前。”

模塊內的創新

在模塊層面也有創新的空間。“IP 處于價值鏈的底層，所以我看到在 IP 層面上出現了越來越多的創新機會。”Savage 說，“此外，IP 公司正在為它們的客戶提供定制 IP 服務，讓它們可以增加一些差異化。通常這種定制都是由它們的客戶（系統公司）推動的。”

即使最基本的模塊也在改變。Lanza 聲稱：“一切都是關于內存。這是基本單位。將內存和它們的內容快速地連接起來。這就是我們大腦的工作方式，這需要出現在計算機中。內存技術比其它任何技術都發展得快。”

標準也在不斷演變。“USB 標準在不斷演進，為了優化成本，你現在只需要單一的標準和單一的連接器就能支持多種模式，比如 DisplayPort 和 HDMI，而且可以在芯片中高效地選擇它們。” Synopsys 解決方案組營銷副總裁 John Koeter 說，“這只是在標準上持續創新的一個案例。”

“所有的設計 IP 并不是平等的。”Bell 說，“比如說，考慮一下 DDR 接口 IP。盡管市場中已有很多玩家，但僅有一家擁有具備 16 項專利的創新架構。這能給系統提供更好的性能、更小的尺寸、更低的功耗和更大的可靠性。”

另外還有一些有趣的方式也許可以讓低級的模塊成為高水平的收入來源。Koeter 補充說：“我們有一款產品是信任/安全模塊的硬件根基。它為啟動你的設備和在網上授權提供了一個安全的硬件基礎。這個安全的受信任的執行環境支持空中下載更新，所以可以安全地升級。這就帶來了一個可為用戶提供服務的安全區域，比如可用于密鑰配置、或視頻流媒體和移動銀行等終端用戶服務。我們通過合作關系看到了一條發展路徑，讓我們不僅能受益于每塊芯片的銷售，而且還能得益于這些芯片中發生的每一筆交易。”

工具、方法和流程

創新所必需的工具也在變化。“盡管仍然高度依賴于‘芯片’，我們這個行業正在快速遠離 EDA 為王的‘以芯片為中心’時代，邁向以系統為中心設計的新時代。”ESD Alliance 的執行董事 Bob Smith 說，“預計將看到會有更多創業公司通過利用日益流行的 IP 作為構建模塊來解決系統設計的自動化問題。”

當前的驗證流程已經給 IP 集成帶來了阻礙。“比如那些基于新興的 Portable Stimulus 標準的驗證工具讓 IP 組裝流程變得更加簡單。”Breker Verification Systems 首席執行官 Adnan Hamid 說，“它既有助于 IP 組裝問題，也能確保系統級的功能能以一種有效的方式得到驗證。工程開發團隊現在可以將更多時間花在芯片設計的創新方面。”

結論

技術有兩個作用。現有的技術基礎可以創造新市場，而且這些平臺會隨時間演進。硬件行業可能不知道實現了什么東西。PC、智能手機和最近被一些人稱為 IoT 的連接傳感器節點的通信基礎設施就是這樣。半導體行業創造了這些平臺，即使新應用很稀少。

技術帶來的第二個機會是：一旦一個市場得以確立并足夠穩健，技術就能實現優化，讓產品更小、更便宜、更低功耗。這需要市場的成功。

“它們兩者之間存在一個良性循環。”Wingard 說，“有時候技術能真正使能。在你得到特定的技術組合并且進行了足夠的優化以實現市場之前，是不會有什么經濟模式和使用模式的。”

Wong 補充說：“在當今的復雜系統中，創新可以發生在系統中、軟件中、架構中、硬件加速中或封裝中。”