DSA芯片，会成为主流吗？

从小型微控制器到尖端芯片，所有类型的设计都面临着特定领域设计（domain-specific design ）是否会变得普遍的问题，或者是否会陷入首先定制，然后是低成本、通用的历史模式。

定制硬件始终是一把双刃剑。它可以为芯片制造商提供竞争优势，但通常需要更多时间来设计、验证和制造芯片，这有时会浪费市场窗口。此外，对于除了最具价格弹性的应用程序之外的所有应用程序来说，它通常都太昂贵。这是设计前沿的一个众所周知的方程式，特别是在涉及生成式人工智能等新技术的情况下。

但随着平面扩展的结束，以及针对特定领域定制的更多功能，芯片行业正在努力弄清楚业务/技术等式是否正在经历根本性的、更持久的变化。目前，大约 30% 到 35% 的设计工具被出售给大型系统公司，用于生产永远不会进行商业销售的芯片，这一事实使情况变得更加混乱。在这些应用中，提高每瓦性能所带来的集体节省可能会使在大型数据中心设计、验证和制造高度优化的多芯片/多小芯片封装的成本相形见绌，从而引发关于定制与通用的争论比以往任何时候都更加不确定。

“如果你在工程组织中走得足够高，你就会发现人们真正想做的是软件定义的东西，无论它是什么，”西门子 EDA高级综合项目总监 Russell Klein 说。“他们真正想做的是购买现成的硬件，在上面安装一些软件，使其增值，然后发货。这种范式在许多领域都被打破了。当我们需要极高的性能或极高的效率时，它就会崩溃。如果我们需要比现成系统更高的性能，或者我们需要更高的效率，我们需要电池持续更长时间，或者我们只是不能燃烧那么多的电力，那么我们就必须开始定制硬件。”

甚至处理单元的选择也可以定制解决方案。“特定领域计算已经无处不在，”Mythic 首席执行官兼联合创始人戴夫·菲克 (Dave Fick) 说道。“现代计算机，无论是笔记本电脑、手机、安全摄像头还是农业设备，都由与软件共同优化的硬件模块组合而成。例如，计算机通常具有视频编码或解码硬件单元，以允许系统有效地连接到相机。拥有加密加速器是很常见的，这样我们就可以安全地进行通信。其中每一项都与软件算法共同优化，使常用功能变得高效且灵活。”

Quadric首席营销官 Steve Roddy 对此表示同意。“在过去二十年或更长时间里，SoC 中的异构处理在绝大多数消费应用中已成为惯例。长期以来，手机、平板电脑、电视和汽车应用的 SoC 一直需要满足高性能和低成本的严格要求，这导致当今这些系统中专用功能处理器的激增。即使如今的低成本手机 SoC 也具有用于运行 Android 的 CPU、用于绘制显示屏的复杂 GPU、用于在低功耗模式下卸载音频播放的音频 DSP、与相机子系统中的 NPU 配合使用的视频 DSP 来改进图像捕获（稳定、滤波器、增强）、基带 DSP（通常带有附加的 NPU）、用于 Wi-Fi 和 5G 子系统中的高速通信通道处理、传感器集线器融合 DSP，甚至是可最大限度延长电池寿命的电源管理处理器。”

它有助于区分通用目的和特定于应用程序的内容。Ansys半导体部门产品营销总监 Marc Swinnen 表示：“在专用硬件（我们称之为定制芯片）上运行软件可以带来很多好处，因为它可以让您比竞争对手更具优势。” “您的软件运行速度更快、功耗更低，并且专为运行您想要运行的软件而设计。拥有现成硬件的竞争对手很难与您竞争。硅已经成为许多公司的商业价值和商业模式的核心，因此对其进行优化变得非常重要。”

然而，还是有一个平衡点。Expedera首席科学家兼联合创始人 Sharad Chole 表示：“如果在投资回报和部署成本、电力成本、热成本、冷却成本方面存在任何成本合理性，那么构建定制 ASIC 总是有意义的。” 。“我们在加密货币中看到了这一点，现在在人工智能中也看到了这一点。我们在边缘计算中看到了这一点，它需要极超低功耗的传感器和超低功耗的流程。但通用计算硬件也得到了推动，因为这样你就可以轻松地使应用程序更加抽象和可扩展。”

看似冲突的部分原因在于特殊性的范围。“当您查看架构时，您会发现实际上是范围决定了应用程序的特殊性，”Arteris 解决方案和业务开发副总裁 Frank Schirrmeister说道。“特定领域的计算现在无处不在。重要的部分是不断将领域专用性提升为更复杂的东西——从原始 IP 到可配置 IP，再到可配置子系统。”

过去，它更多地是由经济驱动的。Expedera 营销副总裁 Paul Karazuba 表示：“市场有潮起潮落。” “将所有内容放入处理器都有一个起起落落的过程。拥有协处理器、增强主处理器内部的功能有起有落。这是几乎所有事物的自然演变。设计自己的芯片不一定更便宜，但从长远来看，不设计自己的芯片可能会更昂贵。”

Tsugio Makimoto 在 20 世纪 90 年代曾尝试将这种潮起潮落正式化，当时他还是索尼的首席技术官。他观察到，电子产品大约每 10 年就会在定制解决方案和可编程解决方案之间循环。改变的是，从他观察到的大多数定制芯片都包含高度可编程的标准组件。

如今，技术问题似乎将决定这一点。Blue Cheetah 联合创始人兼首席执行官埃拉德·阿隆 (Elad Alon) 表示：“业界已经成功解决了功耗问题，并将热包络线提高到了我个人认为合理或可行的范围之外。” “我们正在达到功率极限，当你达到功率极限时，它会驱使你尽可能地进行定制。但显然，灵活性、可扩展性和对尽可能广泛的市场的适用性之间存在着紧张关系。这一点可以从人工智能软件世界的快速创新中看出，明天可能会出现一种完全不同的算法，并且几乎抛弃了人们可能已经做过的所有定制。”

摩尔定律的放缓将对平衡点产生根本性影响。“过去有许多定制芯片公司在短时间内取得了成功，但随后就失败了，”Ansys 的 Swinnen 表示。“他们取得了某种进步，无论是架构还是解决新的市场需求，但随后通用芯片迎头赶上。这是因为对它们的投资如此之多，并且有如此多的人使用它们，有一整支人在进步，而你的公司，只有你的团队，正在推进你的定制解决方案。不可避免的是，它们迟早会绕过你，通用硬件就会变得比特定硬件更好。现在，钟摆已转向定制解决方案成为赢家。”

然而，如果公司没有跟上最新节点的采用，通用处理器不会自动进步，这会带来更多机会。“当向通用处理器添加加速器开始出现故障时，因为您想要更快或更高效，您就开始创建真正的定制实施，”西门子的 Klein 说。“这就是高级综合开始变得真正有趣的地方，因为你已经以软件定义的实现作为起点。我们可以对其进行高级综合（HLS）并构建一个加速器来完成一项特定的任务。我们可以留下一堆寄存器来定义其行为，或者我们可以对所有内容进行硬编码。系统越不通用，就越具体，通常我们能从中获得的性能和效率就越高。而且它几乎总是能够在性能和效率方面击败通用加速器或通用处理器。”

与此同时，IP 已变得可大规模配置。“过去，知识产权是构建模块，”Arteris 的 Schirrmeister 说道。“从那时起，业界已经生产了更大、更复杂的 IP，这些 IP 承担了子系统的角色，这就是范围发挥作用的地方。我们已经看到 Arm 拥有他们所谓的计算子系统 (CSS)，它们是集成然后硬化。人们关心的是整个芯片，然后是芯片和系统环境以及所有软件。应用专用性在 IP 领域已经变得无处不在。您要么构建硬核，要么使用可配置核心，要么使用高级综合。根据定义，所有这些都是特定于应用程序的，并且可配置性在那里发挥作用。”

从长远来看，构建设备的方法不止一种，而且完成该设备的选项也越来越多。“围绕某些算法进行专门计算有一个非常大的市场，”克莱因说。“这方面的知识产权将采用分立芯片的形式，以及可以内置到某些东西中的知识产权。最终，它必须变成硅。它必须被强化到一定程度。他们可以设置一些参数并将其融入到某人的设计中。考虑 Arm 处理器。我可以配置我想要多少个 CPU，我可以配置我想要多大的缓存，然后我可以将其烘焙到特定的实现中。这将是我要打造的东西，而且会更有针对性。对于我正在做的事情来说，它将具有更好的效率、更好的成本配置和更好的功率配置。其他人可以接受它并对其进行稍微不同的配置。就 IP 的运作程度而言，这是一个很好的解决方案。但总会有一些算法没有足够大的市场可供 IP 解决。这就是你进行极端定制的地方。”

一些人质疑新兴的chiplet行业是否会扭转这一趋势。“我们将继续看到由许多硬件加速器模块组成的系统，而先进的硅集成技术（即 3D 堆叠和小芯片）将使这变得更加容易，”Mythic 的 Fick 说。“有许多公司致力于小芯片的开放标准，使通信带宽和能源效率比 PCB 上构建的通信带宽和能源效率高一个数量级。也许很快，先进的系统级封装将取代 PCB，成为系统设计的方式。”

Chiplet 不太可能具有高度可配置性。“小芯片世界中的配置可能只是关闭不需要的东西的功能，”Schirrmeister 说。“配置实际上意味着你不使用某些东西。您无法拿回这些物品的钱。这一切基本上都是应用数学并预测你的体积。如果是增加一个块来支持另一个接口，或者使该块成为带有时间触发功能的以太网块用于汽车，那么这会给您带来 X 的增量工作。现在，您必须基本上估计是否它还为您提供了增量努力的倍数作为增量利润。之所以会这样，是因为芯片变得非常可配置。Chiplet 只是朝着更通用用途的方向发展或找到平衡点，以便您可以将它们应用到更多的 Chiplet 设计中。”

如今的小芯片市场还远未确定。Expedera 的 Karazuba 表示：“小芯片的承诺是，您可以在正确的节点、正确的位置，仅使用您想要从供应商那里获得的功能。” “专业化和小芯片的理念是保持一定距离的。它们实际上是在一起的，但小芯片还有很长的路要走。为了使产品真正进入大众市场，小芯片周围的不同事物仍然没有达成普遍共识。”

虽然小芯片已被证明有效，但目前使用的几乎所有小芯片都是专有的。Blue Cheetah 的 Alon 表示：“要建立一家可行的[商业]小芯片公司，你必须追求足够广阔的市场，从美元角度来看足够大，然后你才能进行所有投资，取得成功并相应地收回一切。” 。“人们希望构建一个可以在任何地方、任何人都可以使用的通用小芯片，这也存在着类似的紧张局势。这就是即插即用的讨论，但您最终可能会得到一些变得如此通用、开销如此之大的东西，以至于它在任何特定市场上都没有吸引力。在小芯片的情况下，由于技术原因，它实际上可能根本不是这样工作的。您可能会尝试将其构建为通用用途，但后来发现它无法插入您感兴趣的特定插座。”

小芯片可行性的经济性尚未确定。“小芯片的特点是它们可以很小，”克莱因说。“规模小意味着我们不需要像非常大的芯片那样大的市场。我们还可以基于不同的技术来构建它们。我们可以拥有一些基于旧技术的芯片，其中晶体管更便宜，我们可以将它们与其他小芯片结合起来，这些小芯片可能是我们可以拥有通用 CPU 或 NPU 加速器的前沿节点。这是一种混合搭配，我们可以制造比通用芯片更小的小芯片。我们可以进行较小规模的生产。我们可以采用该 IP 并针对特定的垂直市场对其进行定制，并为此创建一些小芯片，稍微更改配置，然后再运行一次其他内容。市场可以部署和支持一定程度的定制，这比我们在全尺寸芯片中看到的要多一点，在全尺寸芯片中，整个芯片必须内置到一个封装中。

通用设计或定制设计的含义正在发生变化。所有设计都将包含其中的一些。一些公司将使用通用处理器开发新颖的架构，这些架构将比完全通用的解决方案更好。其他人将为某些已知稳定的功能创建高度定制的硬件，并为可能发生变化的事物创建通用目的。然而，有一件事从未改变。公司不太可能添加更多的定制来满足其目标市场的需求。

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