半导体设计黄金时代来临

截至2018年Q2半导体市场连续18个月强劲增长，2017年全球半导体行业成长达到令人惊艳的22%，而之前两年的增长率不足两个百分点，过去六年的平均增长率更只有6%。

这样的业绩会是昙花一现吗？毕竟2017年度存储器市场风生水起，内存价格更是达到高点，而行业分析认为存储芯片价格将从今年晚些时候或明年开始下滑。

Mentor（a Siemens Business）公司总裁Walden C. Rhines在Mentor TechForum2018论坛上，通过对半导体设计行业的数据分析，认为未来全球半导体行业在非内存业务仍然会有非常高的发展。

行业整合与风险投资从来都是产业的风向标。事实上2009年以来半导体产业链上下游的整合兼并，到2017年是七年来的最低值，Rhines指出“整合似乎变得无关紧要”。同时，企业资金更多流向呢研发，“R&D投入在2017年的增速达到9.8%，这表明企业对行业未来营收非常乐观”。

在半导体设计领域，2017年的数据显示，Fabless 半导体初创公司吸引的风险投资出现强劲反弹（下图）。2009至2012期间，全球无晶圆厂IC设计公司平均每年吸引的风投资金大约10亿美金，但是，过去四年下降到年均3.8亿美金。风投资金在2017年又反弹回到10亿美金水平。今年截至Q2设计公司吸引的风投更达到了16亿美金。风投资金提高背后的原因是越来越多的资金进入电子设计业务，很多新应用公司进入了IC设计领域。

进入半导体设计领域的新公司有哪些呢？Rhines说，“EDA业务增长最快的是像Google、Facebook、Amazon等这样公司。这类客户群体转向自己设计半导体芯片，是为了提高服务器的性能，提升物联网等应用领域的performance。”

事实上，像Bosch这样的汽车行业的领头企业也在加快自己的半导体IC的设计活动，Rhines说他的数据就显示，至少有近340家与电动汽车相关和近140家与自动驾驶相关的公司，需要并正在从事自我设计芯片，“而这种趋势不仅发生在汽车行业的一级供应商，整车厂也一样，比如特斯拉在设计自己的芯片，就是为了把Tesla自动驾驶性能10倍级的提升。”

风险投资的主要资金来源有两个，中国政府的投入，以及私募股权。2017年中国政府投入的第一轮资金达到了200亿美金，企业私募达到970亿美金。据报道，来自中国政府的资金在2018年将增至470亿美金。前几年政府和私募资金大部分都是涌入制造业，但是现在慢慢更多进入到设计开发领域。中国的无晶圆设计公司从五年前的500家，飙升到现在的超过1300家。同时， 2006年中国IC设计企业中，员工人数达到100-500量级的公司不到10%，而2015年这样的企业占比已经飙升到接近50%，中国无晶圆厂IC设计公司的规模有了质的变化。

这一轮在中国和世界其它地区出现的新的IC设计浪潮，就是所谓的特定领域架构设计（DSA，Domain Specific Architectures）。Rhines引用了原Stanford大学校长现任Alphabet公司总裁John Hennessy的解释——以往的设计理念是以软件为中心的架构，特点是动态并支持重复使用（dynamically-typed and encourage reuse），这样的结果是编程友好但牺牲了执行的效率；而在摩尔定律趋于终结时代，设计理念将转向以硬件为中心，使用特定领域架构，虽然只完成部分功能，但是要做到非常好。这两年风投最看好的Fabless IC设计企业正是这类以特定领域体系结构主导的初创公司，这类初创公司前三轮融资的金额均较有跳跃式增长，2018年第二季度三轮投资总额更是达到12亿美金。

以特定架构主导的设计初创公司中，吸引风投最多的是人工智能（AI）和机器学习领域的Fabless，2012-2018年之间总计吸引风险投资超过10亿美元。为什么三十年前就出现的人工智能（下图），现在才变得这么热门呢？Rhines认为，主要原因有四点：

* 缺乏大数据进行分析（当时没有互联网物联网大量收集数据）

*算力有限（传统计算机芯片架构的局限性）

*没有更先进的算法

*缺乏爆款的杀手级的应用实现商业盈利

“现在这些障碍都被一个个攻克”，Rhines用14家2018年获得风投基金的Fabless AI公司来说明问题：“这些公司的业务领域很广泛，包括人工智能专用芯片、自动驾驶数据分析、计算机视觉、以及神经网络等等。” 有趣的是，投资这些公司的风险基金主要来自中国和加州。

哪些AI相关领域的设计更需要特殊领域架构？Rhines认为，目前最多应用在视觉和人脸识别，市面上已经有至少39家公司从事这类芯片的开发。排名第二的做数据中心AI和高性能计算的企业，其次是涉足边缘计算、自动驾驶和驾驶员辅助技术、疾病诊断等领域，甚至有公司在做味道和气味识别。另外，除了初创公司，成熟公司也会对DSA刚兴趣，比如微软公司就在开发AI CPU处理单元，用于分析三维全息信息，以改变计算机游戏、虚拟现实和增强现实（AR/ER）的体验。

几年之间IC设计公司的飞速增加，除了来自新的设计理念架构的推动，以及资金太投入，另外一个重要原因是，为适应市场需求，新的设计方法和工具应运而生，其中一个主要技术突破是设计抽象化的变化（change of abstraction for design）。

集成电路设计的数据抽象化三十年中一直在变化，当设计数据的复杂度达到了一个界限，传统方法再无法处理，新的抽象化设计的方法就会出现。目前面向AI等应用特殊领域设计架构的设计方法和工具被称作高层次的综合（HLS，High-Level Synthesis）。使用HLS高层次综合设计技术和工具，能够缩短产品开发上市的周期，做更好的产品定制化，减少验证和调试成本/时间，甚至在项目后期还可以修改参数和设计规格。

Rhines预测，半导体行业还远远没有达到最大增速临界点，他乐观地估计人类对硅晶体管的需求要到2038年左右才达到增速拐点，并保持较高的市场增长到2045之后。而推动继续增长的来自IC设计业的引擎是DSA架构和相关设计工具的应用，特定领域架构将助力半导体产业实现下一波增长，减少设计时间和设计成本，满足市场对低功耗、高性能、低成本的需求。