定制 SoC 成為熱潮

隨著采用尖端制造技術(shù)開發(fā)和生產(chǎn) SoC（片上系統(tǒng)）的成本不斷上升，越來越多的公司選擇開發(fā)獨(dú)特的 SoC 設(shè)計(jì)，以區(qū)別于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。這種趨勢(shì)并沒有讓 AMD、英特爾和高通等標(biāo)準(zhǔn) CPU/SoC 供應(yīng)商受益。然而，對(duì)于代工廠以及其他行業(yè)參與者（包括 EDA 軟件開發(fā)商、知識(shí)產(chǎn)權(quán) (IP) 供應(yīng)商和合同芯片設(shè)計(jì)公司）來說，這有著顯著的好處。

幾個(gè)全球大趨勢(shì)正在影響微電子的發(fā)展。比如：5G、邊緣計(jì)算、SDV、AI、云計(jì)算、高性能計(jì)算等。

人工智能、云計(jì)算和 HPC 等應(yīng)用程序可能會(huì)浪費(fèi)一定的性能，但主要限制因素是數(shù)據(jù)中心的功耗和空間，而不是硬件成本。同樣，SDV 和邊緣計(jì)算設(shè)備需要更高的計(jì)算性能。然而，除了功耗和空間之外，它們還受到成本（即使用的芯片數(shù)量和芯片尺寸）的限制。

人工智能、汽車、云計(jì)算、邊緣計(jì)算和高性能計(jì)算是完全不同的應(yīng)用，可以通過廣泛使用的現(xiàn)成芯片來解決。然而，通過精確調(diào)整芯片以適應(yīng)其運(yùn)行的工作負(fù)載，從成本和功耗的角度來看，它可以更有效地實(shí)現(xiàn)所需的性能和功耗水平。

Arm 基礎(chǔ)設(shè)施業(yè)務(wù)線產(chǎn)品解決方案副總裁 Dermot O'Driscoll 表示：「我們意識(shí)到一刀切的方法無法再滿足計(jì)算需求，更多越來越多的公司正在考慮定制 SoC 項(xiàng)目來獲得高級(jí)計(jì)算能力?！?/p>

此外，知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)、功能差異化、設(shè)計(jì)靈活性和產(chǎn)品的長(zhǎng)期可用性比以往任何時(shí)候都更加重要。針對(duì)這種情況，許多公司正在內(nèi)部開發(fā) SoC 或從代工芯片開發(fā)制造商處訂購 SoC。

Ansys 首席技術(shù)專家 Christophe Bianchi 表示：「我們肯定會(huì)看到越來越多的公司設(shè)計(jì)自己的芯片。Ansys 是分析工具軟件的領(lǐng)先供應(yīng)商以及工程仿真和 EDA 軟件的開發(fā)商。這種轉(zhuǎn)變?cè)诒泵烙绕涿黠@，但 EMEA（歐洲、中東和非洲）和 APAC（亞太地區(qū)）地區(qū)現(xiàn)在也在效仿。」

Sondrel 的創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官 Graham Curren 表示：「擁有定制 SoC 意味著擁有融合了特定且差異化技術(shù)且極難復(fù)制的定制 SoC，這意味著擁有難以實(shí)施的獨(dú)特解決方案。它深深嵌入半導(dǎo)體芯片中，使公司的知識(shí)產(chǎn)權(quán)得到保護(hù)。此外，它在功耗、性能和面積方面都根據(jù)任務(wù)規(guī)范進(jìn)行了精確定制，這是一個(gè)完全合規(guī)的專用解決方案?！?/p>

蘋果如何從自己的定制芯片中獲利

蘋果是新進(jìn)入者的一個(gè)很好的例子，它開發(fā)了自己的 SoC，首先用于智能手機(jī)，然后用于個(gè)人電腦，并獲得了巨額利潤(rùn)。

蘋果表示，它從 2000 年代末開始要求三星電子將蘋果自己的一些定制 IP 植入其 iPhone 應(yīng)用處理器中。不久之后，他們建立了一個(gè)內(nèi)部芯片開發(fā)團(tuán)隊(duì)，并開發(fā)了定制 CPU 微架構(gòu)和加速器，為 iPhone、iPad 和 Apple TV STB（機(jī)頂盒）等產(chǎn)品增加價(jià)值。之后，該公司開始制造用于 PC 的 SoC，它集成了各種類型的定制 IP，以在要求苛刻的應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)更低的功耗、更長(zhǎng)的電池壽命和更高的性能。

「設(shè)計(jì)定制 SoC 的主要原因包括提供專門的加速、實(shí)施獨(dú)特的系統(tǒng)和封裝拓?fù)湟约巴ㄟ^垂直集成優(yōu)化成本。」O'Driscoll 說。

Apple 正在從 M 系列 SoC 的努力中獲得巨大收益。2019 年第一季度，該公司在 PC 市場(chǎng)的份額為 6.4%（出貨量 3,791,000 臺(tái)），2022 年第一季度增至 9.3%（銷量 7,324,000 臺(tái)）。此外，該公司 2022 財(cái)年的研發(fā)費(fèi)用為 262.51 億美元（高于 2019 財(cái)年的 162.17 億美元），其中大部分用于半導(dǎo)體芯片開發(fā)。

過去，半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)是 IBM、思科系統(tǒng)公司和 Sun Microsystems（現(xiàn)為 Oracle）等大型、利潤(rùn)豐厚的制造商的專利。隨后，蘋果向世界展示了消費(fèi)級(jí) SoC 的用途，華為和三星等公司也紛紛效仿。

到 2010 年中期，互聯(lián)網(wǎng)巨頭們經(jīng)歷了顯著的增長(zhǎng)和利潤(rùn)的擴(kuò)大。這些公司開始開發(fā)自己的半導(dǎo)體也就不足為奇了。

現(xiàn)在，汽車制造商正在追隨蘋果的腳步。

技術(shù)信息服務(wù)公司 TechInsights 的副主席丹·哈欽森 (Dan Hutchenson) 表示：「近年來，自行設(shè)計(jì)芯片的制造商數(shù)量呈爆炸式增長(zhǎng)。比如 IBM、蘋果、谷歌、Meta、亞馬遜、百度、特斯拉等巨頭都在開發(fā)自己的芯片。2021 年左右開始，各大汽車制造商都開始設(shè)計(jì)自己的芯片?！?/p>

領(lǐng)先的超大規(guī)模企業(yè)

目前，蘋果是唯一一家開發(fā)自己的定制處理器的主要個(gè)人電腦制造商。鑒于 PC 制造商對(duì) Windows 開發(fā)的控制力明顯低于 Apple 對(duì) MacOS 開發(fā)的控制力，PC 制造商不愿意開發(fā)自己的 SoC。

超大規(guī)模企業(yè)與 PC 制造商的不同之處在于，他們對(duì)自己的硬件和軟件擁有近乎絕對(duì)的控制權(quán)。因此，超大規(guī)模廠商開發(fā)自己的定制 SoC 是很自然的事情。

「超大規(guī)模是定制芯片開發(fā)的最初驅(qū)動(dòng)力，」Bianchi 說，「對(duì)人工智能計(jì)算和云性能的需求推動(dòng)了這種增長(zhǎng)?！?/p>

谷歌運(yùn)營著一些世界上最著名的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，包括用于人工智能訓(xùn)練和推理加速的張量處理單元（TPU）、用于 YouTube 的視頻轉(zhuǎn)碼單元（VCU）以及服務(wù)器 SoC，擁有多方面的定制數(shù)據(jù)中心芯片策略。傳聞中的谷歌服務(wù)器 SoC 是否會(huì)比 AMD 的 EPYC 或英特爾的 Xeon 更好還有待觀察。

與此同時(shí)，谷歌的 TPU 和 VCU 已經(jīng)提供了該公司擴(kuò)展其 AI/視頻服務(wù)所需的性能、可擴(kuò)展性、功能和成本。

Cambrian-AI Research 創(chuàng)始人兼首席分析師 Karl Freund 表示：「成本和定制化是這些制造商開發(fā)自己芯片的驅(qū)動(dòng)力，我們希望用芯片支持的關(guān)鍵應(yīng)用之一是人工智能工作負(fù)載?！?/p>

EDA 工具和 IP 巨頭 Cadence 的數(shù)字/簽核小組產(chǎn)品管理副總裁 Kam Kittrell 表示：「構(gòu)建超大規(guī)模芯片比批量購買芯片更便宜，省去了中間商。擁有有價(jià)值的專用軟件，可以以更高的能源效率交付軟件工作負(fù)載?！?/p>

新玩家不斷涌現(xiàn)

SiPearl 和 Tenstorrent 可能是最引人注目的新進(jìn)入者，它們希望在定制芯片開發(fā)方面挑戰(zhàn)行業(yè)巨頭。SiPearl 為歐洲的百億億次超級(jí)計(jì)算機(jī)提供基于 Arm 的 CPU。Tenstorrent 是一家基于 RISC-V 指令集架構(gòu) (ISA) 的超高性能 AI/HPC 解決方案的開發(fā)商和制造商。

兩家公司采用不同的方法。

SiPearl 計(jì)劃于 2024 年將其擁有多達(dá) 72 個(gè)內(nèi)核的「Rhea」處理器商業(yè)化。它使用經(jīng)許可的現(xiàn)成 CPU 內(nèi)核「Arm Neoverse V1」，設(shè)計(jì)由半導(dǎo)體制造合同制造商負(fù)責(zé)。SiPearl 高管表示，他們選擇 Arm 內(nèi)核是因?yàn)槠淠苄?、軟件兼容性和成本的最佳組合。

SiPearl 首席執(zhí)行官 Philippe Notton 表示：「我們選擇 Arm ISA，是因?yàn)?Arm 擁有經(jīng)過驗(yàn)證的服務(wù)器處理器軟件生態(tài)系統(tǒng)，這是市場(chǎng)的基本組成部分。我們還選擇了 Arm Neoverse V1 內(nèi)核，因?yàn)樗且粋€(gè)理想的選擇。標(biāo)量/矢量處理性能和能源效率（每 1W 性能），對(duì)于服務(wù)器處理和 HPC 來說是世界一流的，該架構(gòu)可以節(jié)省數(shù)百萬美元的開發(fā)成本，并將開發(fā)時(shí)間縮短數(shù)年。」

此外，SiPearl 還從 IP 供應(yīng)商處獲得內(nèi)存和 PCIe 控制器等標(biāo)準(zhǔn)塊的許可，并從歐洲處理器倡議 (EPI) 成員處獲取其他 IP。

「我們目前正在開發(fā)與關(guān)鍵性能/功能相關(guān)的 IP，例如架構(gòu)實(shí)現(xiàn)和內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)，」Notton 說，「我們使用 PCIe 和內(nèi)存控制器的標(biāo)準(zhǔn)塊，這些塊價(jià)格昂貴且難以開發(fā)?！?/p>

Synopsys 表示 SiPearl 的方法在業(yè)界相當(dāng)普遍。

Synopsys 解決方案集團(tuán)營銷和戰(zhàn)略副總裁 John Koeter 表示：「對(duì)于剛剛接觸 SoC 設(shè)計(jì)的系統(tǒng)制造商來說，采購盡可能多的 IP 是有意義的，特別是在接口 IP 和通用處理器方面這些公司通常會(huì)花費(fèi)時(shí)間和資源來使自己脫穎而出，例如解釋算法和優(yōu)化軟件工作負(fù)載?！?/p>

許多公司通過設(shè)計(jì)對(duì)其系統(tǒng)重要的特定塊來使自己脫穎而出。通過這樣做，您可以創(chuàng)建 USP（獨(dú)特的銷售主張）并獲得優(yōu)于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的優(yōu)勢(shì)。這占所需 IP 的 10%。

Tenstorrent 希望將所有可能的性能、靈活性和功能融入其芯片中，并決定基于所選的定制 RISC-V 微架構(gòu)設(shè)計(jì) SoC（最終是多芯片解決方案）。這確保了性能和功耗之間的適當(dāng)平衡。

Tenstorrent 通信副總裁 Bob Grim 表示：「鑒于 Jim Keller 和首席 CPU 架構(gòu)師 Wei-Han Lien 在 Arm 方面的經(jīng)驗(yàn)，我們計(jì)劃使用 Arm 來實(shí)現(xiàn)我們的高性能 CPU 內(nèi)核。我們最初考慮使用 Arm 是因?yàn)樗哂袕?qiáng)大的性能。軟件堆棧和一個(gè)好的編譯器，考慮到我們對(duì)人工智能的關(guān)注是必不可少的，我們選擇了 RISC-V?！?/p>

Grim 提到的數(shù)據(jù)格式是 BF16，廣泛用于 AI 應(yīng)用。同時(shí)，Tenstorrent 用于 AI/ML 工作負(fù)載的基于 RISC-V 的核心 Tensix 支持多種數(shù)據(jù)格式：BF4 和 BF8、INT8、FP16、BF16 甚至 FP64。目前，這種組合在商用內(nèi)核中尚不可用。如果公司需要在未來的產(chǎn)品中添加新的格式，他們可以按原樣進(jìn)行。

Grim 表示：「采用 RISC-V 是一個(gè)偉大的決定，因?yàn)橄?RISC-V 這樣的開源解決方案使我們能夠在需要時(shí)進(jìn)行所需的更改。如果存在任何錯(cuò)誤或問題，我們可以進(jìn)行修改我們不必等待許可方發(fā)布修改或更新的版本。事實(shí)上，我們對(duì) Tensix 內(nèi)核的 RISC-V 的經(jīng)驗(yàn)表明，我們可以將 RISC-V 用于高性能 CPU 內(nèi)核。對(duì)使用 V 有了信心?！?/p>

然而，盡管 Tenstorrent 使用開源 ISA，但它選擇了對(duì)接口等進(jìn)行許可。

Tenstorrent 工程副總裁 Stan Sokorac 表示：「對(duì)于從頭開發(fā)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，例如 PCIe、DDR 和以太網(wǎng)，我們通常會(huì)授予 IP 許可?！?/p>

Grim 表示，「軟件方面的開發(fā)進(jìn)展迅速，Tenstorrent 計(jì)劃繼續(xù)使用 RISC-V?！?/p>

Grim 補(bǔ)充道：「一旦人們轉(zhuǎn)向開源，他們就不會(huì)再回到專有解決方案，因?yàn)殚_源的好處是如此強(qiáng)大?！顾f。

GPU 在 AI 領(lǐng)域大展實(shí)力

處理新人工智能工作負(fù)載的另一種方法是設(shè)計(jì) GPU。

美國研究公司 Jon Peddie Research 總裁 Jon Peddie 表示：「新進(jìn)入者最常見的目標(biāo)市場(chǎng)是人工智能、光線追蹤和游戲?！?016 年，有 5 家公司為 x86 平臺(tái)生產(chǎn) GPU；現(xiàn)在有 17 家制造商和幾家 IP 公司。

對(duì)于 Biren Technology 和 MetaX 等中國公司來說，圖形處理并不是首要任務(wù)，它們希望首先解決快速增長(zhǎng)的人工智能、高性能計(jì)算問題。與之形成對(duì)比的是中國的摩爾線程技術(shù)。該公司將游戲 GPU 投入市場(chǎng)，不僅作為游戲用圖形卡，還作為遠(yuǎn)程游戲用和 AI 工作負(fù)載用的數(shù)據(jù)中心板提供，可以清楚地看到該公司有意利用 AI 大趨勢(shì)。

汽車行業(yè)追隨蘋果的道路

汽車制造商正在追隨蘋果的腳步。這背后是向 SDV 轉(zhuǎn)型的趨勢(shì)。汽車正在發(fā)展成為緊密互連的軟件定義平臺(tái)，并且可以隨著時(shí)間的推移增強(qiáng)功能。

當(dāng)汽車基于數(shù)十個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)每秒執(zhí)行數(shù)百次操作時(shí)，協(xié)調(diào)傳統(tǒng)上由車載計(jì)算機(jī)或 ECU（電子控制單元）管理的眾多電子組件變得效率低下。因此，將硬件與軟件分離，像傳統(tǒng) PC 一樣操作汽車更為實(shí)用。后者可以受益于定制 SoC，汽車也是如此，因此許多汽車制造商現(xiàn)在都在設(shè)計(jì)自己的芯片。

仿真軟件供應(yīng)商 Ansys 首席技術(shù)專家 Christophe Bianchi 表示：「第二波定制芯片設(shè)計(jì)浪潮來自汽車行業(yè)，它除了是實(shí)現(xiàn)高級(jí) ADAS（高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)）的關(guān)鍵組件之外。此次活動(dòng)讓傳統(tǒng)汽車制造商認(rèn)識(shí)到 SDV 也是增加服務(wù)收入的關(guān)鍵?！?/p>

有趣的是，在芯片復(fù)雜性方面，汽車制造商正在迅速趕上超大規(guī)模和 AI/HPC 的芯片設(shè)計(jì)。據(jù)悉，許多汽車制造商已經(jīng)在研究分布式多芯片解決方案。

「在汽車行業(yè)，越來越多的原始設(shè)備制造商正在考慮專有設(shè)計(jì)，這無疑是由于 L3 和 L4 級(jí)自動(dòng)駕駛車輛的 ADAS 應(yīng)用日益復(fù)雜所推動(dòng)的，」Koeter 分析到。

盡管汽車行業(yè)如今發(fā)展迅速，但它是一個(gè)極其保守的行業(yè)，因?yàn)樗a(chǎn)的設(shè)備（車輛）通常使用時(shí)間超過 10 年，可靠性極高。

擁有良好業(yè)績(jī)記錄的芯片制造商聲稱他們的芯片可以使用很多年，但沒有人知道這些公司 10 年后會(huì)是什么樣子。因此，汽車制造商確保其關(guān)鍵芯片使用壽命超過 10 年的一種方法是自行開發(fā)。

Bianchi 表示：「由于并購和剝離，半導(dǎo)體行業(yè)的優(yōu)先事項(xiàng)和參與者情況會(huì)發(fā)生快速變化，尤其是在汽車行業(yè)，需要三到五年的時(shí)間來開發(fā)和成熟硬件和半導(dǎo)體平臺(tái)。」