比特微“全定制”顛覆傳統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)，搭載其的神馬M10礦機(jī)9月問世

　　在日前廈門海滄舉行的“2018集微半導(dǎo)體峰會(huì)”的“AI/5G論壇”上，礦機(jī)(區(qū)塊鏈服務(wù)器)及其芯片的黑馬——深圳比特微電子有限公司的董事長、總經(jīng)理兼CTO楊作興博士登臺，介紹了新的全定制設(shè)計(jì)方法，并稱采用該方法設(shè)計(jì)的16nm區(qū)塊鏈芯片BT1800，與競品相比，功耗和成本均降低了50%左右。該芯片將用于9月19日發(fā)布的神馬M10礦機(jī)，算力指標(biāo)是33T到35T。

　　據(jù)悉，成立只有2年出頭的比特微迄今營業(yè)額已累積達(dá)18億元，主營業(yè)務(wù)是礦機(jī)，核心是芯片。為何比特微的全定制芯片如此高效?其設(shè)計(jì)方法學(xué)是否可以推廣至其他芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域?會(huì)上，楊作興博士作了報(bào)告《全定制設(shè)計(jì)——AI和區(qū)塊鏈的基石》，會(huì)后，電子產(chǎn)品世界記者采訪了他。

　　新的“全定制設(shè)計(jì)方法”

　　全定制設(shè)計(jì)不是新方法，其誕生于上世紀(jì)八九十年代，后來被興起的EDA(電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化)工具所掩蓋。

　　其實(shí)，仍然有些公司在用全定制設(shè)計(jì)方法學(xué)，例如高通、蘋果等公司的手機(jī)芯片也許還在采用這種方法，但很少對外界說。

　　全定制有幾個(gè)特點(diǎn)。下圖是業(yè)內(nèi)通常采用的芯片設(shè)計(jì)流程，方法是由高級語言寫代碼，還有代工廠單元庫，綜合成門級網(wǎng)表，然后做自動(dòng)布局，然后再用工具生成時(shí)鐘，之后再布線，形成GDS。

　　全定制設(shè)計(jì)有三個(gè)不同地方，如下圖。

　　第一是不用代工廠的單元庫，用自己的單元庫。為什么用自己的單元庫?因?yàn)榇S的單元庫是面向所有客戶的，要考慮所有應(yīng)用的范圍，所以在一些局部特殊的場景下，可能在面積、功耗、速度方面不是最優(yōu)的。

　　第二邏輯綜合。楊博士現(xiàn)在又重新回到手動(dòng)寫門級網(wǎng)表的時(shí)代。

　　第三是看似最笨的一件事情，就是手動(dòng)布局。很多人會(huì)覺得這比較瘋狂，我們做PCB(印制電路板)的時(shí)候，有幾塊芯片、幾百個(gè)電阻電容，對它們進(jìn)行手動(dòng)布局。但是在芯片里，在幾千萬個(gè)單元器件的情況下，有誰會(huì)傻到用手動(dòng)去布?但是有些時(shí)候不可能的事情其實(shí)是有可能的，比特微進(jìn)行了手動(dòng)布局，用自己的庫手動(dòng)寫門級網(wǎng)表，稱之為“全定制設(shè)計(jì)”。當(dāng)然還有比這更極端的，據(jù)說高通公司能夠做自己的PDK MODEL，是除了代工廠之外能夠自己做PDK MODEL的公司!

　　全定制的優(yōu)勢

　　比特微做了三個(gè)實(shí)驗(yàn)，可以說明全定制好在哪里。

　　第一個(gè)實(shí)驗(yàn)是2011年做的900MHz RFID TAG(射頻識別標(biāo)簽)芯片，它有一個(gè)重要特征：是無源的，所有的能量來自電磁波，從空中吸收電磁波。此時(shí)還不是全定制設(shè)計(jì)，楊博士只做了一件事：把幾千門的邏輯手動(dòng)地寫下來。結(jié)果功耗優(yōu)化了5倍，功耗×面積優(yōu)化比例達(dá)到了11倍。

　　第二次實(shí)驗(yàn)是在2015年(當(dāng)時(shí)做了一個(gè)28nm的BTC(比特幣)芯片。之前的APR方法做出來的功耗是513W(如下表)，友商全定制的方法達(dá)到了300W，功耗×成本優(yōu)化比例達(dá)到了4.28倍。采用比特微的全定制方法設(shè)計(jì)后，與APR方法相比，同樣的功能、工藝下，功耗和成本減少了一半，功耗×成本優(yōu)化了11.88倍。

　　第三次實(shí)驗(yàn)是在兩年后的2017年，在16nm上嘗試BTC的芯片應(yīng)用。比特微又把功耗優(yōu)化到了65W，功耗×成本優(yōu)化比例達(dá)到了5.54倍(如下表的黃色字)。

　　如何實(shí)現(xiàn)全定制設(shè)計(jì)?

　　這里有四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，第一是單元庫，第二是手動(dòng)布局，第三是時(shí)鐘，第四是手動(dòng)門級網(wǎng)表。

　　*單元庫。比特微做的庫的功耗、面積、速度有很大優(yōu)勢。但是有些很特殊應(yīng)用環(huán)境，如果處理不好會(huì)出問題。比特微的庫從28nm到16nm，做了所有的庫。

　　*手動(dòng)布局。一般APR方法是做到50%~70%，在比特微全定制里最好的記錄是能做到97%。因?yàn)樵诒忍匚⒌脑O(shè)計(jì)里，每個(gè)地方都是寸土尺金，不能讓版圖里有空檔。

　　*時(shí)鐘。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是SKEW越小越好，但是在全定制里是反過來——所有的寄存器不能在同一個(gè)時(shí)鐘相位工作，需按照一定的規(guī)劃錯(cuò)峰執(zhí)行，這樣在功耗和速度方面會(huì)有很大的好處。

　　*門級網(wǎng)表。需要前后端耦合在一起設(shè)計(jì)，其難度較大。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的芯片設(shè)計(jì)是邏輯設(shè)計(jì)和物理設(shè)計(jì)分開做，各部門存在一定的隔閡。例如寫代碼的人不知道最終單元器件是什么樣，不知道自己的作品最終是什么樣。后端工程師也不知道這個(gè)功能是怎么一回事。而全定制設(shè)計(jì)在寫代碼的時(shí)候要知道你所寫的器件的面積、功耗、速度是不是唯一的，如果不是唯一的，要問一下有沒有更好的選擇。在設(shè)計(jì)一個(gè)器件的時(shí)候，需要考慮你需要跟誰連，線有多長，它的速度是多少，功耗是多少，會(huì)不會(huì)不平衡等問題。

　　“全定制設(shè)計(jì)方法”可推廣到其他領(lǐng)域

　　全制定方法學(xué)會(huì)先在虛擬貨幣和AI領(lǐng)域成為主要方法學(xué)，然后有可能逐步擴(kuò)展到手機(jī)、PC、服務(wù)器和IoT領(lǐng)域。全定制設(shè)計(jì)雖然是手動(dòng)，但是也使用模塊化概念，只是與以前的模塊有不一樣的地方。以前的模塊只有邏輯信息，沒有物理信息，現(xiàn)在除了邏輯信息，還有物理信息，這樣可以一層層壘出來。

　　虛擬貨幣領(lǐng)域從2013年開始，中國力量最開始是參與，到2015年的時(shí)候，中國力量開始領(lǐng)先，到今年——2018年時(shí)，在全世界做虛擬貨幣的只有中國力量。相信全制定方法學(xué)可以幫助中國力量在世界半導(dǎo)體歷史上起到一個(gè)中堅(jiān)力量。

　　設(shè)計(jì)業(yè)可以靠“全定制”扛起摩爾定律大旗

　　從28nm到16nm、10nm、7nm，甚至到未來的5nm……，半導(dǎo)體工藝一代代地演進(jìn)，但是也即將遇到一個(gè)殘酷的現(xiàn)實(shí)，雖然在每18個(gè)月內(nèi)，半導(dǎo)體工廠/代工廠非常辛苦地讓我們的晶體管數(shù)量在單位面積里不斷增加，但是我們悲觀地發(fā)現(xiàn)，雖然工藝在進(jìn)步，但是帶來的好處卻越來越少，例如從28nm到16nm，面積縮小了40%，速度提高了30%~ 40%。而同樣電壓下的功耗沒有什么改善。而在28nm之前的好處是功耗降低了一半，面積縮小了一半多，速度增加一倍多。但目前來看，這樣好事已經(jīng)一去不復(fù)返了。

　　現(xiàn)在輪到做設(shè)計(jì)工程師為這個(gè)產(chǎn)業(yè)作貢獻(xiàn)的時(shí)候了，而且設(shè)計(jì)里還有很大的挖掘空間，能夠接替制造業(yè)，繼續(xù)扛起摩爾定律大旗，使摩爾定律再前行五年、十年。

　　熱門問答

　　*全定制與人的關(guān)系極大

　　實(shí)現(xiàn)這種全定制方法與人有很大關(guān)系，對工程師的悟性要求非常高。之前我們做芯片喜歡用EDA工具，以后更要精雕細(xì)刻地去做，每個(gè)部分都要恰到好處。

　　實(shí)際上，有兩樣?xùn)|西需要積累，一個(gè)是IP。二是會(huì)的人很少，不是自己看書就可以學(xué)會(huì)，要師傅帶徒弟，所以人才的積累是需要一點(diǎn)時(shí)間的。楊作興博士認(rèn)為兩三年、五年、十年應(yīng)該可以培養(yǎng)出這樣的人才。

　　但是在做小芯片方面，全定制和EDA工具兩種方法的效率差不多。例如全定制芯片三個(gè)月到六個(gè)月完成(注：全新的約是六個(gè)月完成)。對于未來，比較大的CPU、AI芯片，全定制方法會(huì)慢一些，需要一個(gè)過程。

　　*區(qū)塊鏈對芯片的需求

　　區(qū)塊鏈對芯片的需求主要有兩個(gè)，一個(gè)是做BTC，一個(gè)是做ETH，例如比特幣、ETH等這些適合做ASIC。

　　比特微的第一代芯片是BT1000，也是有1億顆的銷售量，現(xiàn)在要推第二代——16nm的BT1800芯片，但是比目前同行號稱16納米的性能高一些，功耗約是同行的一半，成本大概低50%。

　　所以全定制很大性能的拓展?jié)摿?。如上文所述，楊作興博士也是通過兩年時(shí)間超越自己1倍。為什么能超越?就是因?yàn)閮赡觊g有一些新的想法加進(jìn)來。

　　*區(qū)塊鏈與AI的關(guān)系

　　談到區(qū)塊鏈與AI的關(guān)系，楊作興博士認(rèn)為區(qū)塊鏈解決的是生產(chǎn)關(guān)系，AI是解決生產(chǎn)力的問題。因?yàn)閰^(qū)塊鏈?zhǔn)墙鉀Q信任問題，因?yàn)閰^(qū)塊鏈用技術(shù)的力量把制度寫到代碼里，這個(gè)系統(tǒng)沒有人可以運(yùn)行，使機(jī)器也非?？尚拧I最重要的是要解決生產(chǎn)力的問題。人工智能現(xiàn)在有N個(gè)應(yīng)用，但楊博士認(rèn)為最好的應(yīng)用是在工業(yè)中提高生產(chǎn)效率方面，這是對人類影響最大的一個(gè)地方。

　　*比特幣走勢

　　當(dāng)前比特幣的價(jià)格下滑，未來市場走勢如何?楊作興指出，比特幣市場周期很大程度是跟四年減半有關(guān)系的，當(dāng)時(shí)是在2016年減半，減半以后，2017年猛漲。此前的2012年減半，然后2013年又漲了，猛漲完了以后熊了一年，今年是猛漲之后又可能會(huì)熊一年。

　　我們做電子產(chǎn)品的人看重是這個(gè)產(chǎn)品是不是解決剛需。楊博士對比特幣的未來充滿了期待，也許比特幣會(huì)跌好幾倍，但是未來還會(huì)再漲N倍。

　　*下一步AI芯片的規(guī)劃

　　AI是比特微的重要方向，計(jì)劃2019年開始試著做。比特微在等兩個(gè)東西，第一個(gè)足夠的資金，因?yàn)樽鲂酒瑨赍X是很難的，例如楊作興博士從2001年做芯片到現(xiàn)在，在方舟、中星微等多家公司工作過，深切地體會(huì)到掙錢的艱辛，所以一直在考慮芯片如何盈利。盡管AI是重要的方向，但是AI要賺錢要等待應(yīng)用和算法成熟。而且做芯片和算法都是非常艱苦的工作，不像軟件——一個(gè)19歲的學(xué)生就可以做，做芯片沒有一二十年的經(jīng)驗(yàn)積累是不行的。所以比特微將堅(jiān)持芯片與算法合作的策略。算法公司是AI行業(yè)的先進(jìn)者，希望他們先幫芯片公司多趟趟雷。前期肯定不容易，特別是做芯片，芯片的特點(diǎn)是不能有任何改動(dòng)，芯片出去了以后就再也動(dòng)不了了。

　　那么，現(xiàn)在有很多算法公司自己在推芯片，是不是做AI芯片的時(shí)間點(diǎn)快到了?楊作興博士指出，不是說多少人做芯片，時(shí)機(jī)就到了。比特微的想法很簡單，比別人的功耗低就行了。

　　*為何目前只有中國在做比特幣芯片?

　　搭載比特微芯片BT1800的神馬礦機(jī)產(chǎn)品今年9月19日將會(huì)對外發(fā)布， M10礦機(jī)產(chǎn)品目前的指標(biāo)是33T到35T，這是目前市面上性能最高的。

　　為何目前只有中國在做比特幣芯片?實(shí)際上，芯片看似簡單，但是難的是實(shí)現(xiàn)，即便有些大公司人很多，但也無濟(jì)于事，就好像特種兵一樣，不需要很多人，不是靠堆人堆出來的。

　　集成電路領(lǐng)域需要最頂尖、極致的人才。因?yàn)樾酒袠I(yè)與其他行業(yè)不同，別的行業(yè)都有產(chǎn)業(yè)壁壘，而我們芯片行業(yè)沒有，需要精品。芯片制造工藝到了7nm以后，每個(gè)產(chǎn)品的銷售量需要上億才合算，而能上億的爆品很少，目前來看也就手機(jī)能上億，PC銷量已在下滑了。所以未來每個(gè)領(lǐng)域有一個(gè)頂尖的人領(lǐng)頭做芯片就可以了，全世界有十來個(gè)領(lǐng)頭的就夠了，沒有必要搞十幾萬人做設(shè)計(jì)。

　　*比特微2017年有數(shù)億元的凈利潤

　　比特微2016年成立。含礦機(jī)在內(nèi)的業(yè)務(wù)，第一年銷售了4.3億元，凈利潤7千多萬;2017年上半年有13億元的銷售額，有幾億元的凈利潤，上繳了近1億元的稅。

　　*中國是做產(chǎn)業(yè)的沃土

　　很多人創(chuàng)業(yè)成立公司是有海歸背景——在國外做了一二十年，但是楊作興博士一直在本土做芯片設(shè)計(jì)。為何他當(dāng)年沒有選擇出國，他成功的資本是什么?楊作興博士稱，做產(chǎn)業(yè)的話，還是在國內(nèi)做比較好，因?yàn)楹芏嗤瑢W(xué)從國外回來創(chuàng)業(yè)，與此同時(shí)，國內(nèi)同學(xué)已經(jīng)搞了10來年了，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

　　楊作興博士最大的感受是：在自己沒錢的時(shí)候特別想有錢，等到有錢的時(shí)候就想做點(diǎn)事情，為這個(gè)產(chǎn)業(yè)做點(diǎn)事情。楊博士希望全定制方法學(xué)在區(qū)塊鏈和AI中起到更大的作用。

　　關(guān)于受訪人楊作興博士及比特微、集微大會(huì)，請參考以下新聞背景資料。

　　清華博士從業(yè)二十余年

　　楊作興先生是清華大學(xué)工程物理系博士，具有20多年芯片、硬件設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，歷任多家公司芯片/硬件工程師、技術(shù)主管、CTO、總經(jīng)理、董事長等職務(wù)，積累了豐富的芯片、硬件設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，獨(dú)創(chuàng)全定制低功耗、高性能芯片設(shè)計(jì)方法學(xué)，在多款芯片上成功應(yīng)用，并取得商業(yè)上的成功。楊作興博士同時(shí)也擁有豐富的技術(shù)管理、業(yè)務(wù)管理、公司經(jīng)營經(jīng)驗(yàn)。

　　2016.7-現(xiàn)在 創(chuàng)建比特微，任董事長、總經(jīng)理，兼CTO。主導(dǎo)設(shè)計(jì)28nm低功耗高性能區(qū)塊鏈BT1000芯片，其應(yīng)用的產(chǎn)品銷售額約20億元RMB。第二代16nm芯片BT1800芯片，功耗和成本業(yè)界領(lǐng)先，預(yù)計(jì)可創(chuàng)造約100億元銷售額。

　　2015.2-2016.6 以兼職身份，采用自創(chuàng)的全定制設(shè)計(jì)工程方法，主導(dǎo)北京比特大陸公司設(shè)計(jì)了S7、S9、L3三款區(qū)塊鏈礦機(jī)專用芯片，功耗和成本當(dāng)時(shí)業(yè)界領(lǐng)先，其產(chǎn)品S7、S9、L3為其公司創(chuàng)造利潤20億、200億、20億元RMB。

　　2014.3-2015.2 進(jìn)入?yún)^(qū)塊鏈行業(yè)，創(chuàng)建深圳高德麥納科技有限公司，后進(jìn)入深圳比特泉科技，任IC設(shè)計(jì)首席工程師，將自創(chuàng)的芯片全定制設(shè)計(jì)工程方法，首創(chuàng)應(yīng)用到區(qū)塊鏈芯片設(shè)計(jì)，功耗和成本降低了50%，引領(lǐng)行業(yè)技術(shù)方向。

　　比特微成立2年，主做區(qū)塊鏈服務(wù)器及ASIC

　　深圳比特微電子科技有限公司(以下簡稱“比特微”)，成立于2016年7月，主營業(yè)務(wù)為區(qū)塊鏈、人工智能等領(lǐng)域?qū)Ｓ眉呻娐沸酒爱a(chǎn)品/方案的研發(fā)、生產(chǎn)及銷售，并提供相應(yīng)的系統(tǒng)解決方案及技術(shù)服務(wù)。

　　比特微研發(fā)團(tuán)隊(duì)擁有多名清華、北大等名校博士、碩士，平均有15年以上的知名集成電路和通訊公司芯片設(shè)計(jì)、產(chǎn)品的成功研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)是國內(nèi)最早將專用集成電路引入?yún)^(qū)塊鏈計(jì)算設(shè)備領(lǐng)域的團(tuán)隊(duì)之一，比特微現(xiàn)有研發(fā)人員占公司的40%以上。

　　比特微是一家芯片設(shè)計(jì)和產(chǎn)品公司，擁有完整的設(shè)計(jì)流程和大量自主核心技術(shù)，核心技術(shù)涵蓋了算法、集成電路微結(jié)構(gòu)的精細(xì)優(yōu)化、低功耗技術(shù)、高級芯片封裝技術(shù)、系統(tǒng)級供電與散熱技術(shù)等。這些核心技術(shù)和工程方法在公司的區(qū)塊鏈服務(wù)器芯片和產(chǎn)品的量產(chǎn)中得到成功驗(yàn)證和應(yīng)用。

　　比特微現(xiàn)階段主要產(chǎn)品為區(qū)塊鏈服務(wù)器及其專用集成電路芯片，其自主研發(fā)的芯片產(chǎn)品，相對業(yè)內(nèi)之前所使用的GPU方案和FPGA方案，大幅提升了計(jì)算性能、降低了系統(tǒng)成本，在區(qū)塊鏈計(jì)算領(lǐng)域具有明顯的競爭優(yōu)勢。比特微除了目前所專注區(qū)塊鏈領(lǐng)域外，響應(yīng)國家芯片戰(zhàn)略，根據(jù)公司發(fā)展戰(zhàn)略和規(guī)劃，正計(jì)劃通過自主研發(fā)、戰(zhàn)略合作等形式，將其芯片及產(chǎn)品核心研發(fā)能力向人工智能等其他重復(fù)并行計(jì)算領(lǐng)域探索延伸。

　　“第二屆集微半導(dǎo)體峰會(huì)”廈門舉行

　　中國廈門2018年8月31日 由集微網(wǎng)、中國半導(dǎo)體投資聯(lián)盟、廈門半導(dǎo)體投資集團(tuán)有限公司主辦的第二屆2018集微半導(dǎo)體峰會(huì)在廈門海滄隆重舉行。峰會(huì)以“產(chǎn)業(yè)資本的風(fēng)向標(biāo)”為主題，規(guī)模更勝首屆，近千名來自中國半導(dǎo)體行業(yè)的高管、投資機(jī)構(gòu)高層以及各地政府高級公務(wù)人員參與了本次會(huì)議，共同探討中國集成電路產(chǎn)業(yè)的投資與發(fā)展大計(jì)。