芯片行业跨入新阶段

大型系统公司看起来更像是集成设备制造商，他们设计自己的先进芯片、封装和系统供内部使用。但由于这些不是纯粹的芯片公司，它们正在破坏从一开始就定义了芯片行业的 10 年定制和标准化节奏，并在没有相关规模经济的情况下延长了创新期。

正在发生变化的是推动摩尔定律和牧本浪潮的基本经济学。芯片被设计为更大系统的一部分，系统公司与芯片公司内部使用的经济性非常不同。成本可以在数千台服务器或数百万辆汽车上分摊，而且设计是如此定制，以至于它们对其他公司几乎没有价值或没有价值。

这种转变包括亚马逊和 Meta 等超大规模制造商，以及通用汽车和福特等汽车原始设备制造商，它们越来越多地开发软件定义汽车。共同点是需要可以与软件紧密集成的高度定制的设备硬件，以及共同努力使供应链免受未来芯片短缺的影响。此外，人们越来越重视对其专有技术的细节保密。

总体而言，这些垂直集成商正处于将其设计和验证业务带入内部的不同阶段，同时利用代工厂和 OSAT 提供的规模经济。

这是 IDM 模式中的一个新问题，该模式可以追溯到一个多世纪以前，行业巨头试图控制他们的整个供应链。在大型机时代，IBM 以开发和制造自己的软件和硬件而闻名，它在内部使用并出售给客户。在芯片领域，相对简单的芯片架构使一家公司能够设计、制造和销售 IC 成为可能的时代的遗迹。

AMD 前 CEO 杰里·桑德斯 (Jerry Sanders) 曾经说过一句名言：“真正的男人拥有晶圆厂”。在这个新的世界秩序中，他们没有。过去的 IDM 巨头正试图在一个需要越来越多的定制和异构芯片和封装的市场中找到一条前进的道路，从而使旧的范式在很大程度上已经过时。

Synopsys的 EDA Group总经理 Shankar Krishnamoorthy 说：“整个工作负载特定计算的概念真的会继续存在。” “基本上，我们现在看到的是，每个人都在做我们所说的‘以上所有’策略。” 你可以扩展，你可以把你的计算和真正敏感的部分放在最新的节点上，但是你可以从许多不同的节点组装小芯片。I/O 可以是 7nm，内存是 8nm 或 12nm。本质上，您将这个系统构建在一个单独的封装中，现在向那个方向发展的速度非常快。”

现在拥抱这一趋势的公司是在该行业发生巨大变化和不可预测的时候这样做的。摩尔定律越来越多地成为更大解决方案中的一个元素。并且Makimoto 的 Wave需要逐个小芯片应用或修改。

Codasip 首席营销官 Rupert Baines 表示：“随着对定制设计解决方案的持续需求，以克服半导体微缩的限制， Makimoto的浪潮已经结束。” “钟摆摆动持续了六年，这也是半导体缩放工作可以预见的时期。换句话说，半导体设计基于越来越小的硅几何尺寸来提供越来越多的性能，从而支持日益增长的复杂性。”

图 1：半导体行业的标准化和定制周期示例。资料来源：Codasip

软件和硬件之间的平衡也在发生变化。“软件仍然是必不可少的，但软件不再提供足够的改进可能性，而要求的计算性能通常无法通过传统的通用处理器内核实现，”Baines 说。“相反，公司正在改变硬件以提高软件运行效率，并设计自己的处理器内核以实现其设计目标。”

Synopsys 的 Krishnamoorthy 同意了。“提供系统级性能的最强大方法之一是在软件和硬件的交汇处，”他说。“系统级别的性能是在工作负载级别吗？有很多不同的方法来获得它。您可以在软件上加倍努力并保持芯片相对简单。或者您可以将复杂性进一步降低。跨领域的协同优化确实是大多数人的目标，尤其是系统公司。汽车公司和超大规模企业将其视为全栈问题，而不是芯片问题和软件问题。”

最终结果对行业来说是新奇的。“如果 Makimoto's Wave 仍然成立，我们应该已经处于标准解决方案的时期，但这种情况不会发生，”Baines 说。“相反，我们看到了一些新的东西，那就是系统公司开发自己的内部 SoC 时的垂直集成。这始于苹果为 iPhone 设计芯片，但现在我们看到更多公司这样做。”

至少部分原因是由于许多此类系统不存在足够好的解决方案，而且在大多数情况下，没有足够的数量来证明投资开发它们的合理性更广泛的客户群。Verific 的首席运营官 Michiel Ligthart 表示，在某些情况下，垂直集成商开始探索芯片世界，因为他们有特定的与电源相关的要求，而现有产品不容易满足这些要求。

此外， Rambus战略营销副总裁 Matt Jones表示，在大多数情况下，这些公司都专注于优化或保护其设备的应用程序或工作负载特定功能。

“在大多数情况下，'为什么'在不同的应用程序集之间存在很强的相关性，”Jones说。“在数据使用和需求不断增长的时代，摩尔定律的放缓继续推动计算和存储资源在应用程序之间的分布。在这些日益异构的架构中，我们看到越来越多的专用处理和存储元素变得更加专为特定应用程序和工作负载而构建。内部设备使公司能够优化解决方案以实现最高性能和效率，同时保护推动差异化的高价值知识资产。”

SEMI公司营销副总裁 Sanjay Malhotra对此表示赞同，并指出汽车 OEM 继续设计需要更多芯片的产品，同时应对持续的芯片短缺问题。“如果他们在内部进行设计并去代工厂让芯片专门为他们制造，那么它不仅会为他们贴上专有标签，而且还可以确保自备供应。”

同时，这些系统公司还依靠经过验证的内存和 I/O 接口 IP 解决方案来缩短设计周期并满足关键的上市时间目标。或者换句话说，一种解决方案并不适合所有应用程序，但其中一些部分可以在许多应用程序中重复使用。随着需求激增，这反过来又导致供应链失衡，这一问题在当今汽车供应链中尤为明显。

“最终导致芯片短缺，” Ansys产品营销总监 Marc Swinnen 说。“当他们争先恐后地追赶时，他们发现确实控制其芯片的特斯拉正在领先。每个人都担心他们会被抛在后面。”

可以肯定的是，垂直整合并不是针对每家公司或该公司内的每一种硬件需求的，并且有各种原因导致特定组织可能选择走不同的道路。例如，TTTech Auto 的首席技术官 Stefan Poledna 指出，制造芯片的经济性可能使汽车 OEM 将芯片设计工作主要集中在应用量最大的硬件上。

Poledna 说：“我怀疑通过生产特定的‘Brand X’芯片来减少芯片的体积是否实际可行，例如，仅 100 万个。” “与可以安装在 3000 万辆汽车中的制造商的芯片相比，这使汽车制造商处于劣势，他们在协同设计中考虑了对他们来说很重要的功能。”

如果公司不太愿意相互合作，超定制和保密的趋势是否有可能导致创新步伐放缓？

答案并不明确。Verific 的 Ligthart 说这是可能的，尽管他认为最终结果不会在宏观层面上可见。

TTTech Auto 的首席增长官 Friedhelm Pickhard 指出了汽车技术的相反趋势，称为横向化，这创造了更具竞争力和创新性的环境。“汽车制造商可以使用统一的软件平台来集成不同重点的不同芯片模块，例如安全性、高性能计算或 DNN，从而也可以运行来自不同制造商的应用程序，”他说。“如果这个软件平台既与硬件无关，又与应用软件无关，那么给定的芯片可以运行来自特定供应商的软件，但任何其他软件也可以在其上运行。所以性能和速度是相同的，但汽车制造商并不依赖于任何特定的硬件。这会刺激竞争和创新，从长远来看将带来更具成本效益的解决方案。”

在短期内，垂直整合最明显的影响是寻求与芯片和系统设计各个方面相关的服务的客户组合发生了变化。例如，Rambus 表示，由于垂直集成商进入客户群，它的客户组合更加多样化。同样，SEMI 营销传播总监 Samer Bahou 表示，随着这些公司越来越接近半导体供应链，过去几年来超大规模企业和汽车公司的成员数量急剧增加。

在过去三年中，这些变化缓慢而稳定地加速。Ligthart 说，更多的系统公司表示有兴趣与 Verific 合作，尽管这不像是有人打开了开关。“垂直集成商对利基市场和定制化的重视正在引发 EDA 领域的相关趋势。内部半导体开发的趋势是真实的。我们都在我们周围看到它，它通常被称为“定制硅”。不太明显但同样有趣的是，这种趋势与“定制 EDA”开发密切相关，后者是为解决特定领域挑战而量身定制的 EDA 应用程序。定制 EDA 为定制芯片提供了优势。”

Cadence Digital & Signoff Group 产品管理和业务开发副总裁 Kam Kittrell说，Hyperscale和其他人已经改变了定制硅的市场动态，他认为这是对定制 ASIC 的重命名。“他们正在制造自己的芯片或定制自己的芯片，因为他们希望将这些卡复制到机器中，并将 10,000 台机器放入数据中心，在地球上放置 10,000 个数据中心，并向客户提供增值软件。经济上的变化让 ASIC 回归。几年前，推动市场的是移动设备。接下来，5G 真正改变了游戏规则，AI 紧随其后。人们正在制造定制的芯片，制造硬件来驱动特定的软件堆栈。垂直集成商同时做这四件事，其他成功的公司也在效仿。”

垂直整合也重新混合了整个生态系统的竞争动态。几十年来争夺市场份额的竞争对手现在必须合作才能生存。例如，英特尔正在推行一项名为“ IDM 2.0 ”的代工战略，其中包括扩大自己的芯片制造能力以及为无晶圆厂公司提供制造服务。首席执行官 Pat Gelsinger本月早些时候表示，他将为 AMD 等竞争对手制造芯片感到“兴奋”。

“它本质上是在说，'我们既是您的竞争对手，也是您的客户，”SEMI 的 Malhotra 说。“我们可能会看到更多这样的交叉连接，这取决于对某种工艺、技术和产能的需求。”

垂直集成商的统治将持续多久还有待观察，但大多数专家认为它不会转瞬即逝。“我相信这是一个方向或矢量转变，而不是一种短暂的趋势，”Rambus 的Jones说。“增加数据计算、使用和存储的驱动力继续超过传统系统架构跟上步伐的能力。我相信，随着公司寻求优化和保护其差异化算法和功能，更多异构模型以及特定于工作负载的计算和存储资源将继续推动将设备内部化。”

这些公司未来还能迎来标准化的新阶段吗？Codasip 的 Baines 说：“这次我们需要一种新的推动力来摆脱定制化的时代。” “到目前为止，还不清楚那会是什么。”