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互聯網巨頭入局晶片,將給半導體產業帶來深遠變化
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近些日子,全球互聯網巨頭紛紛高調宣佈進入半導體行業。阿裡、微軟、Google、Facebook、亞馬遜等都宣佈在晶片領域的動作,那麼互聯網巨頭的這些動作又會對晶片行業造成什麼影響?本文為您帶來詳細分析。

阿裡、微軟、Google、Facebook、亞馬遜互聯網巨頭紛紛入局晶片

我們首先盤點一下互聯網巨頭近幾年來在晶片領域的動作。

Google可謂是互聯網公司在晶片領域走得最遠的公司。2015年Google就開始在其資料中心中部署自己設計的深度學習加速晶片TPU負責推理,在去年則是推出了第二代TPU可以兼顧深度學習推理和訓練,並且還在手機Pixel 2中也部署了自己設計的IPU用以加速影像處理相關應用。此外,Google還把處理器架構領域的兩大宗師David Patterson和John Hennessy招入麾下,未來可望在晶片領域有更多產出。 

微軟也不甘落後,2014年在ISSCC上發表了自己設計的使用在Xbox Kinect 2中的ToF感測器晶片,之後在2016年又發佈了自己設計的用在HoloLens中的HPU輔助處理器晶片,而在近日更是發佈了Azure Sphere 物聯網平臺,其中包含了使用在MCU晶片中的Microsoft Pluton安全模組以保證物聯網資料安全。第一款Azure Sphere晶片將會是聯發科和微軟合作推出的MT3620,其中就包含了Microsoft Pluton。在高性能計算領域,最近在ISCA2018上也發表了EDGE E2晶片原型,據稱其效率可遠高於傳統基於x86或RISC指令集的處理器。

除了Google和微軟外,Facebook也開始在晶片領域有所動作,在網站上貼出了ASIC和FPGA設計的相關職位招聘啟事。Facebook AI研究負責人Yann LeCun也在twitter上跟帖表示這將會是一個和深度學習相關的晶片設計崗位,據業界預測Facebook正在招募工程師開發和TPU類似的晶片以加速伺服器端深度學習應用。

 Yann LeCun對於Facebook招募ASIC工程師的tweet

亞馬遜也開始在晶片領域的動作,今年年初就開始招募晶片設計工程師,預期將會在Alexa設計中用上自己設計的晶片。 

Amazon Lab126招聘晶片工程師的廣告

在中國,互聯網巨頭阿裡先是宣佈開始研發人工智慧加速晶片Ali-NPU,其性能將是目前市面上主流CPU、GPU架構AI晶片的10倍,而製造成本和功耗僅為一半,可以實現比傳統GPU高40倍以上的性價比。之後,阿裡高調宣佈全資收購中天微系統,而該系統目前擁有中國獨立智慧財產權的指令集,阿裡此舉據信是為了加強自己在物聯網領域的佈局。

啟示一:摩爾定律的盡頭是異構計算時代,互聯網巨頭要自己定制晶片

互聯網巨頭紛紛佈局晶片,意味著原有的半導體產業局面正在發生重大改變。最初,半導體行業作為高科技行業,其發展遵循摩爾定律的方式,每18個月工藝特徵尺寸縮小,隨著工藝制程的進化,同樣的晶片的製造成本會更低,因為單位面積電晶體數量提升導致相同的晶片所需要的面積縮小,另外晶片性能會隨著工藝特徵尺寸縮小而上升,於是半導體行業走在摩爾定律指導下的週期性性能提升成本降低的高速發展模式。由於其高技術高附加值的特點,晶片的毛利率很高,因此晶片設計公司可以通過把晶片出售給下游企業,就能活得很滋潤。

在半導體設計的黃金年代,“晶片設計”這四個字就意味著高技術和高利潤率,晶片的原材料是砂子,卻能賣出幾十甚至上百美金的單價,因此成功的晶片一旦量產就像是開動了印鈔機一樣。為了增加出貨量改善設計複用性,半導體公司往往青睞通用平臺式晶片,例如Intel的處理器以及Qualcomm的SoC。

然而,隨著摩爾定律越來越接近物理極限,再繼續縮小特徵尺寸需要的資本量越來越大,換句話說隨著特徵尺寸縮小,晶片的成本上升很快。晶片的成本包括NRE成本(Non-Recurring Engineering,指晶片設計和掩膜製作成本,對於一塊晶片而言這些成本是一次性的)和製造成本(即每塊晶片製造的成本)。在先進工藝制程,由於工藝的複雜性,NRE成本非常高。例如FinFET工藝往往需要使用double patterning技術,而且金屬層數可達15層之多,導致掩膜製作非常昂貴。

另外,複雜工藝的設計規則也非常複雜,工程師需要許多時間去學習,這也增加了NRE成本。對於由先進制程製造的晶片,每塊晶片的毛利率較使用落後制程製造的晶片要高,但是高昂的NRE成本意味著由先進制程製作的晶片需要更多的銷量才能實現真正盈利。

隨著摩爾定律遇到瓶頸,靠工藝制程提升來增進性能的成本實在太高,因此需要更多根據應用做專用設計,靠架構設計來進一步提升性能,這也是“異構計算”的思路。在過去,半導體公司通常傾向于推出平臺式的產品,例如Intel的CPU,Qualcomm的Snapdragon等等,但是這樣的通用平臺在今天已經無法滿足移動設備對於性能和能效比的需求,尤其是在AR/VR、終端人工智慧等新興應用中。

就在同時,我們看到了Facebook、Google、阿裡等互聯網巨頭向硬體領域的進軍。事實上,這也是互聯網公司生態化發展到今天的必然:互聯網公司之前一直在搭建生態搶奪流量入口,讓用戶可以更方便地使用自己的服務;這個入口過去是從PC,手機,到了今天PC、手機等傳統入口已經沒法滿足高速發展的互聯網巨頭的胃口,因此巨頭們都想到了搭建自己的硬體平臺作為自己服務的入口。這樣的硬體可以是AR/VR設備(如微軟的HoloLens,Facebook的Oculus),可以是新型消費電子設備(如Google的Clip自動攝像機),也可以是進入智慧製造和智慧家庭的IoT終端節點。

當互聯網巨頭開始進入硬體市場時,會對半導體行業產生巨大的影響。首先,互聯網巨頭追求硬體能實現極致化的性能以實現差異化使用者體驗用來吸引用戶。如前所述,目前摩爾定律遇到瓶頸,想要追求極致體驗需要的是走異構計算自己定制化晶片的路子,光靠採購傳統半導體廠商的晶片已經沒法滿足互聯網巨頭對於硬體的需求,至少在核心晶片部分是這樣。因此,Facebook、Google、阿裡等互聯網巨頭都是異構計算的積極擁護者,為了自己的硬體佈局或計畫設計晶片,或已經開始設計晶片。這麼一來,原來是半導體公司下游客戶的互聯網公司現在不需需要從半導體公司採購晶片了,這樣的產業分工變化會引起行業巨變。

其實這樣的上下游整合趨勢從很久以前就已經在手機領域開始,幾年前消費電子巨頭蘋果和華為已經開始從採購標準晶片到設計自己的SoC,前幾年小米也逐漸開始做自己的SoC晶片,一旦Oppo,Vivo等手機巨頭都跟風開始自己做核心晶片,高通的就會承受很大壓力。而互聯網巨頭入局晶片,也可以理解為手機領域發生的故事也開始發生到了其他硬體領域,將對於高通以及其他傳統半導體公司產生深遠的影響。

其次,互聯網巨頭製造硬體的目的只是為了吸引使用者進入自己的生態使用自己的服務,其最終盈利點並不在販賣硬體上而是在增值服務上。因此,互聯網巨頭在為了自己的硬體設計晶片時可以不計成本,基本不考慮cost-down。在傳統半導體公司的眼光中,一塊晶片成本是10美元還是8美元可以是天壤之別,但是在互聯網公司的看法裡這樣的成本差別根本不是事,性能怎麼好就怎麼來。

從另一個角度來說,一旦自己設計核心晶片的互聯網公司進入同一個領域,那些靠採購半導體公司標準晶片搭硬體系統的公司的就完全沒有競爭力了,無論是從售價還是性能,擁有自己核心晶片的互聯網巨頭都能實施降維打擊。一旦這些硬體公司失去競爭力,那麼依賴于這些客戶的半導體公司的生存空間又會進一步被壓縮。

總而言之,互聯網巨頭進入晶片領域,首先處於性能考慮不再從半導體公司採購核心晶片,這衝擊了傳統行業分工,使傳統晶片公司失去了一類大客戶;另一方面互聯網巨頭的生態式打法可以讓自研硬體晶片不考慮成本,這又衝擊了那些從半導體公司採購晶片的傳統硬體公司,從而進一步壓縮了半導體公司的市場。在這兩個作用下,半導體晶片公司的傳統經營模式必須發生改變才能追上新的潮流。

啟示二:半導體行業分工洗牌,三種道路應對互聯網企業野蠻人入侵

目前,半導體晶片領域的分工,大概可以分為定義、設計、設計定案、製造等幾個環節。定義是指晶片頂層架構和指標的定義;設計是指具體的電路設計,包括數位RTL設計、類比/混合信號電路設計等等;設計定案是指晶片設計最終確定並進入Fab決定開始製造光刻掩膜,意味著需要花費一筆掩膜開銷;製造則是在Fab最終根據掩膜把晶片製造出來。

今天的半導體行業的分工,最為大家熟知的是Fabless模式,即晶片設計公司負責定義、設計和設計定案,而製造則是在提供代工的Fab完成;三星、Intel等半導體巨頭也會走包含從定義到製造所有環節的IDM模式;此外不少公司是混合Fabless和IDM,即有的產品走Fabless模式,而有的產品走IDM模式,例如Broadcom在CMOS晶片產品線走的是Fabless,而在射頻前端模組產品線則是IDM模式有自己的Fab。在今天的半導體行業分工中,設計服務公司提供模組設計IP以及協助一些公司做設計,主要起的是輔助作用。

在互聯網巨頭入局半導體行業後,又出現了一種新的模式,即互聯網公司負責定義晶片、完成小部分設計、並花錢完成設計定案流片(互聯網公司不差錢!),設計服務公司負責大部分設計,而代工廠負責晶片製造。這種新模式可以稱為Designless-Fabless模式。歷史上,半導體公司從傳統的IDM走到Fabless模式,主要是因為Fab開銷過高,成為了半導體公司發展的包袱,而代工廠則提供了一個非常靈活的選項。

今天,互聯網公司入局半導體後走Designless-Fabless模式,把大量設計外包,則主要是因為時間成本。互聯網巨頭做晶片,追求的除了極致性能之外,還有快速的上市時間。對於他們來說,錯過了耶誕節/雙十一檔期將會是災難性的。如果要像傳統半導體公司一樣,需要從頭開始培養自己的前端+後端設計團隊,從頭開始積累模組IP,恐怕第一塊晶片上市要到數年之後。這樣的節奏,是跟不上互聯網公司的快速反覆運算節奏的。

那麼如何實現高性能加快速上市呢?最佳方案就是這些巨頭自己招募晶片架構設計團隊做晶片定義,用有豐富經驗的業界老兵來根據需求定制架構以滿足性能需求,而具體的實現,包括物理版圖設計甚至前端電路設計都可以交給設計服務公司去做。半導體晶片的一個重要特點就是細節非常重要,ESD、散熱、IR Drop等一個小細節出錯就可能導致晶片性能大打折扣無法達到需求。因此,如果把具體設計工作交給有豐富經驗的設計服務公司,就可以大大減少細節出錯的風險,從而減小晶片需要重新設計延誤上市時間的風險。

事實上,我們已經在一些晶片中看到互聯網巨頭負責晶片架構+設計服務公司提供IP/設計服務的模式了。一個例子就是微軟使用在HoloLens中的HPU,其中微軟設計了多核架構以加速AR計算,而每個核則是使用了Cadence的Tensilica IP。 

微軟的HPU,大量使用了Cadence的Tensilica IP

不差錢的互聯網公司以生態打法入局半導體行業,猶如野蠻人入侵,對於Fabless公司最頭疼的設計定案流片費用人家互聯網公司不差錢基本不在乎,那麼半導體公司如何應對呢?應該說至少有三種方法,分別是轉型做設計服務公司、做全棧公司和做IDM公司。

轉型做設計服務公司的思路很簡單,既然半導體公司拼不過不差錢的互聯網公司,那麼我們不如就做朋友吧。設計定案流片高費用高風險是目前半導體公司的心頭之疼,那麼我就不流片了,而是幫互聯網公司做設計服務,這樣我的風險和開銷就小了很多。另一方面憑藉半導體公司多年在半導體設計領域積累的經驗去幫互聯網公司做設計服務,能顯著減小互聯網公司專用晶片上市需要時間和品質風險,這樣一來大家皆大歡喜,實現了資源最優分配。不少半導體公司也注意到了設計服務的潮流,並開始向設計服務靠攏。聯發科前一陣高調公開設計服務業務,就是半導體公司轉向的重要標誌。

聯發科是一家典型的靠高性價比走量來盈利的公司,靠播放機嶄露頭角,在山寨機時代走向輝煌,但是在摩爾定律遇到瓶頸半導體公司走向寡頭化的今天,其利潤率下降,一方面不敢使用高級制程擔心風險太高,另一方面不使用高級制程則晶片性能缺乏競爭力,只能在中低端領域靠低利潤率走量為生。在摩爾定律遇到瓶頸的今天,流片成本過高其實是許多傳統半導體公司都面臨的問題。如今聯發科在設計服務業務發力,則無需擔心流片的風險,只需提供高品質IP以及設計服務即可。在過去,聯發科採取的ASSP模式是開發一顆IC可以賣給不同家客戶,雖然一款設計可以做到量很大,但是所有客戶都用一款晶片,沒有差異化。而將來聯發科提供的ASIC設計服務模式則是針對每個客戶的不同需求定制IC,能提供較大的差異化。

在媒體採訪中,聯發科副總經理遊人傑也表示聯發科的ASIC設計服務業務可以和互聯網巨頭如BAT產生互補效應:BAT這樣的客戶對於不同的需求會有不同的晶片架構,因此這些客戶普遍需要自己定制晶片,但是讓這些客戶自己去從頭開始做一顆晶片花費的成本和精力過大,也缺乏經驗。而聯發科技多年來專精於晶片設計積累的經驗,剛好可以跟這些客戶互補。 

聯發科作為把傳統半導體晶片公司的運營哲學發展到極致的公司在今天也開始轉向設計服務業務,可以說是設計服務的春天來臨了。

第二種方法是做全棧公司,這種思路是Fabless半導體公司向互聯網公司學習,也開始進入下游市場,最終給客戶提供的是軟硬體都有的整體解決方案,用下游增值服務的高利潤率來補貼晶片設計和設計定案流片的高開銷。目前在人工智慧領域出現了很多這樣的全棧初創公司,例如地平線(在自動駕駛領域提供從演算法到晶片的整體解決方案)、雲飛勵天(在人臉識別領域提供從應用到晶片的整體解決方案)。此外,在區塊鏈領域,比特大陸憑藉其晶片和礦機的壓倒性優勢在區塊鏈生態中也佔有了巨大話語權,也可以說是一種全棧的打法。

最後一種方法則是回到IDM模式,再次自己做Fab。這種做法看起來是重走老路,其實有合理之處。Fabless CMOS晶片設計,尤其是數位晶片設計的門檻並不高,開銷卻很大,因此看起來不差錢的互聯網公司聯合設計服務公司做Designless-Fabless是更合理的模式。另一方面,做射頻前端器件等門檻很高的IDM公司反而不會被互聯網公司威脅到,因為沒有任何設計服務公司能做相關設計。而且這類IDM公司因為門檻高,所以元器件的毛利率可以做到很高,可以活得比較舒服,這也是摩爾定律接近瓶頸對於Skyworks,Qorvo等IDM沒有直接影響的原因。未來或許我們會看到更多此類IDM出現,當然IDM的模式也不會真的完全重走老路,而是在其運營模式上會有所革新以順應時代。我們不妨拭目以待。

啟示三:對晶片工程師來說也許是個機會

互聯網企業大舉進入半導體行業對於傳統半導體公司來說是個挑戰,但是對於工程師來說卻是個機會。從短期來看,互聯網公司入局晶片產業必然會需要大量人才,這就給了晶片設計工程師更多的職業選擇機會。另一個重要的角度看這個問題是互聯網公司想要做的晶片往往是站在時代最前沿的,例如資料中心使用的超高性能計算晶片,AI加速晶片,超低功耗語音晶片等等。

這也給喜歡新技術的工程師一個機會:現在是技術變革期,AI、區塊鏈、基因計算等新技術層出不窮,但傳統半導體設計公司通常保守不願意做前沿晶片其轉型往往會落後於科技前沿半拍,那麼那些希望能抓住時代技術前沿的工程師可以考慮加入互聯網公司的晶片部門去開發最前沿的晶片。最後,互聯網公司最終需要晶片部門完成的是一個系統解決方案而不是僅僅一塊晶片,因此工程師有更多機會接觸到系統級的設計(包括演算法、最終產品定義等),這種系統級的視野對於工程師的未來發展也是非常有利的。

結語

隨著互聯網廠商紛紛入局半導體晶片,傳統半導體公司的商務模式將會遇到很大挑戰,需要有新的商務模式來迎合時代潮流。面對互聯網公司Designless-Fabless模式的威脅,我們認為半導體公司可以轉型做設計服務,可以做全棧公司從下游獲取更多利潤,或者走IDM去做更高利潤率的核心半導體元器件。另一方面,對於工程師而言互聯網公司做晶片將會帶來更多機會去接觸前沿技術和培養系統級視野,這樣的機會值得把握。互聯網公司入局對於半導體行業未來走向的影響,讓我們拭目以待。

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