ВЫБОР РЕДАКЦИИ

Руководство электронных фирм – о перспективах 2020 г.: опрос журнала Semiconductor Engineering

Руководство электронных фирм – о перспективах 2020 г.: опрос журнала Semiconductor Engineering

Выпуск 3 (6702) от 13 февраля 2020 г.
РУБРИКА: БИЗНЕС

В конце 2019 – ​начале 2020 гг. журналисты издания Semiconducor Engineering взяли интервью у руководителей ряда микро- и радиоэлектронных фирм относительно перспектив полупроводниковой и смежных отраслей промышленности в 2020 г. На этой основе был подготовлен обобщенный обзор.

Начало 2020 г. выглядит совсем иначе, чем начало 2019-го. Рынки, перспективы которых год назад выглядели туманными (например, сети и средства связи 5G), внезапно оказались в центре внимания. Острота проблемы затоваривания рынка схем памяти, приведшего к сокращению продаж полупроводниковых приборов в целом, к настоящему времени существенно снизилась. И наконец, тонко настроенная цепочка поставок, развивавшаяся десятилетиями, демонстрирует тенденцию к фрагментации.

Опрос руководителей компаний полупроводниковой промышленности и смежных отраслей позволил выявить несколько тенденций, которые начнут проявляться в ближайшие месяцы.

Взрывообразное увеличение объемов данных, генерируемых множеством приборов во всем мире, готовит почву для создания новых вычислительных подходов и архитектур, улучшения способов использования данных.

Такое увеличение объема данных приведет к расширению потенциальной поверхности атаки, из-за чего все больше фирм, производящих ИС и конечные электронные системы, начинают уделять повышенное внимание вопросам обеспечения многоуровневой безопасности.

Повышение быстродействия, снижение размеров и потребляемой мощности по-прежнему остаются критическими факторами, однако снижение стоимости уже не является частью этого уравнения. В центр внимания перемещаются добавленная стоимость и удельная производительность (на ватт, поскольку балансы потребляемой мощности фиксированы). Удельная стоимость транзистора будет рассчитываться с использованием нескольких методик, так как во все более разнородных конструкциях применяются технологические блоки с различными топологическими нормами.

Проблемы, связанные с КНР, будут оказывать значительное влияние на микроэлектронную промышленность в 2020 г., стимулируя развитие двойных цепочек поставок и вынуждая компании пересматривать методы своей хозяйственной деятельности.

Хотя все эти тенденции обсуждаются уже не первый день, удивительно то, с какой скоростью они получают развитие. Например, несмотря на то что препятствия для выхода на рынок сетей и средств связи 5G хорошо известны, данная технология будет внедрена в нескольких регионах и нескольких версиях уже в 2020 г., что значительно опережает сроки, указанные в недавних прогнозах. А торговая война США с КНР, обострившаяся в 2019 г., стала причиной разрыва формировавшихся почти три десятилетия деловых связей между двумя сверхдержавами. Решающим аргументом стал однозначный запрет для любой американской компании передавать полученную в результате проведения НИОКР интеллектуальную собственность китайским фирмам, в частности Huawei. После этого Китай начал развивать отдельную цепочку поставок, а отраслевая бесприбыльная ассоциация RISC-V Foundation перенесла свою штаб-квартиру из США в Швейцарию.


Повышение производительности

Еще несколько лет назад ключевым показателем работы процессоров было снижение потребляемой мощности. Это было вызвано в основном тем, что индустрия мобильных телефонов в огромном количестве потребляла ИС, чья производительность была достаточно хорошей, но время работы без подзарядки аккумуляторных батарей было ограничено. С повсеместным внедрением искусственного интеллекта, машинного и глубокого обучения и многочисленных датчиков, генерирующих все больше данных, акцент сместился на повышение производительности при той же потребляемой мощности. Вероятно, эта тенденция сохранится и в обозримом будущем.

По мнению ряда опрошенных, в 2020 г. на первом месте окажутся транзисторы с улучшенными характеристиками, разнообразные интеллектуальные продукты, а также вопросы расширения применяемости средств связи. Сети и средства связи 5G развертываются и осваиваются быстрее, чем предполагалось. Соответственно, растут объемы создаваемых данных и объемы вычислений, необходимых для получения на основе этих данных актуальных выводов. Ожидается появление большего числа приборов, реализованных по меньшим топологиям, и расширение возможностей этих приборов. Это открывает новые перспективы для поставщиков инструментальных средств САПР, так как у их клиентов возникает потребность в совершенно новом поколении средств проектирования.

Разработчики САПР не одиноки в таких ожиданиях. Поставщики полупроводниковых приборов также очень рассчитывают на «волну 5G». Освоение диапазона менее 6 ГГц происходит быстрее, чем ожидалось. Наряду с этим осуществляются значительные инвестиции в технологию миллиметровых волн (частоты выше 6 ГГц). Наиболее очевидное применение миллиметрового диапазона – ​промышленный Интернет вещей, особенно развертываемый на предприятиях. В автомобилестроении большая часть возможностей поколения 5G сосредоточена в суб‑6-ГГц диапазоне, потому здесь можно моделировать развертывание средств этого поколения на основе опыта, полученного при эксплуатации оборудования поколений 4G и 3G.

Можно сказать, что суб‑6-ГГц диапазон средств поколения 5G представляет собой более быстродействующую версию 4G LTE. Сигналы этого диапазона огибают углы и ведут себя примерно так же, как сигналы предыдущих беспроводных стандартов, только быстрее. Но в диапазоне миллиметровых волн сигналы быстро ослабевают, они легко прерываются находящимися на пути их распространения объектами и даже погодными явлениями. Для обеспечения работы технологии миллиметровых волн требуется формирование диаграммы направленности антенны вокруг подобных объектов с использованием нескольких лучей, фазированных антенных решеток (а не простых антенн, используемых в современных телефонах), а также большого числа ретрансляторов. Это область интенсивных НИОКР во всем мире. Она считается важным элементом в обеспечении перемещения больших объемов данных, генерируемых датчиками ИИ и машинного обучения как в промышленности, так и в других сферах (например, таких как автотранспорт).

В целом, в 2020 г. большое внимание будет уделяться не только ИИ и машинному обучению, технологиям 5G, промышленного Интернета вещей и облачных центров обработки данных (ЦОД), но и квантовым вычислениям. Также будет продолжаться развитие сфер, связанных с автомобильной промышленностью, но темпы роста здесь будут ниже.


Некоторые аспекты развития

Сегодня уже для всех очевидно, что традиционные подходы перестают работать. Это понимание не возникло внезапно – ​прекращение действия т. н. «закона Мура» предсказывалось давно, однако происходит оно не одномоментно, а в форме замедления.

Производители, способные позволить себе дальнейшее масштабирование (как технологически, так и финансово), будут стараться разместить на кристалле ИС как можно больше функциональных блоков. Соответственно, подобные приборы будут представлять собой не просто процессоры или СОЗУ, а сложные гетерогенные системы с множеством элементов обработки и ускорителей. Наиболее современные разработки, реализованные с использованием минимальных топологий, скорее всего, будут интегрированы в многокристальные модули, так как далеко не все ИС должны и могут быть созданы на основе 5- или 3-нм технологических процессов. Таким образом, 2020 г. станет, в том числе, и годом методик корпусирования. Это касается  чиплетов, 2,5D- и 3D-подходов, интерпозеров. Ситуация дошла до точки, в которой единственным способом удвоить удельную (на единицу площади) производительность становится корпусирование.

При этом стоимость корпусирования неуклонно растет. Амортизация кристаллов и корпусов теперь распределяется по всей конечной системе, не ограничиваясь только сферой ИС. Этот факт существенно ограничивает число фирм, способных разрабатывать ИС с использованием наиболее передовых проектных норм, поскольку стоимость только проектирования новой конструкции может превышать 100 млн долл. Производство и корпусирование «накручивают» издержки в еще большей степени. В долгосрочной перспективе эта проблема может быть решена с помощью подхода на основе чиплетов и более стандартизированных методов корпусирования, благодаря которым уровень затрат можно будет регулировать путем выбора менее дорогих чиплетов для некритических операций. Но в краткосрочной перспективе стоимость перспективных методик корпусирования остается высокой.

Развитие ситуации также может сделать 2020-й годом серьезной дифференциации, когда любой элемент цепочки поставок (компания), не создающий реальной ценности, будет выпадать из нее. Стоимость «пребывания в игре» (т. е. продолжения разработки и производства новейших ИС) растет в геометрической прогрессии. Если компания не способна ставить новые рекорды, ее песенка спета. Необходимо лучше понимать и использовать возможности, предоставляемые инструментальными средствами САПР, поставщиками аутсорсинговых услуг по сборке и тестированию полупроводниковых приборов (Outsourced Semiconductor Assembly and Test, OSAT) и кремниевых заводов. Еще одно существенное изменение заключается в том, что той полупроводниковой промышленности, какой она была до сих пор, больше нет. Вместо нее появилась индустрия микросистем, и если нет понимания, как вывести продукцию на системный уровень, шансов «остаться в игре» тоже не остается. Соответственно, все большее значение при проектировании ИС приобретает нисходящий подход (проектирование на основе требований конечных электронных систем), а роль восходящего подхода (совершенствование характеристик транзисторов в расчете на широкий круг конечных применений) снижается.

Это особенно заметно в сфере машинного обучения, где большая часть знаний относится к области науки о данных, а не к области полупроводниковых приборов. Специалисты по машинному обучению не владеют спецификой, характерной для полупроводниковой отрасли, поэтому им приходится говорить о системных проблемах. Реальная проблема заключается в том, что сейчас многие полупроводниковые приборы сами являются системами (например, ИС типа «система-на-кристалле» или многокристальные модули), и во многих фирмах, специализирующихся на машинном обучении, нет никого, кто бы в этом разбирался. Таким образом, задача полупроводниковой промышленности – ​оказать им помощь в этом вопросе.

Один из важных аспектов развития ситуации на рынке полупроводниковых приборов и смежных рынках – ​торговая война между США и КНР, которая подготовила почву для формирования двойной цепочки поставок. Это произошло после того, как некоторым фирмам, осуществляющим НИОКР в США, было приказано приостановить все деловые отношения с конгломератом Huawei.

Движение Китая к сокращению зависимости от импорта ИС и высокотехнологичной продукции в целом создаст новые возможности для некоторых компаний. Ограничения, установленные американской стороной, влекут за собой необходимость формирования двух цепочек поставок, по одной для каждого из национальных рынков этих стран. Иными словами, появляется необходимость раздельного проектирования ИС, соответствующих американским и китайским стандартам. Существование двух цепочек поставок обойдется дороже, но бизнес будет продолжать развиваться. Продвигаемый Поднебесной проект «Один пояс, один путь» формирует перспективы не только для Китая. Он охватит Азию, Европу и Африку, будет содействовать расширению бизнеса в области полупроводниковых приборов и высоких технологий в целом. В краткосрочной перспективе это приведет к некоторым потерям для традиционных, особенно американских, поставщиков, но по мере того как область применения полупроводниковых приборов и созданных на их основе продуктов будет повсеместно расширяться, рыночные возможности существенно увеличатся.

Еще одна важная тенденция, развитие которой в 2020 г. будет продолжаться, связана с данными. Их объем продолжает расти, и конца этой тенденции не видно. Но большая часть этих данных бесполезна. Сейчас главная задача состоит в максимально быстрой «очистке» данных (т. е. в повышении доли используемых достоверных данных) – ​либо как можно ближе к источнику их возникновения, либо непосредственно в нем.

Более совершенные методы очистки данных позволят заметно повысить эффективность машинного обучения, и как следствие – ​расширить использование сложного анализа в реальном масштабе времени и повысить общую эффективность оборудования. Увеличится значимость систем, способных легче интегрироваться друг с другом для повышения выхода годных и сокращения времени обработки партий продукции. Соответственно, упростится и ускорится осуществление аналитических работ в рамках как краевых, так и облачных вычислений. Кроме того, все больше и больше крупных фирм будут обращаться к подобным вычислениям в своей производственной деятельности.


Безопасность

Еще одной ключевой областью, готовой к быстрому развитию, стала безопасность. Производители ИС и поставщики интеллектуальной собственности (СФ-блоков) почти десятилетие предупреждали о рисках в этом плане, но до 2019 г. большинство фирм не принимало эти предупреждения всерьез. Среди основных поборников обеспечения безопасности находятся автопроизводители, а также поставщики промышленного оборудования и производственных технологий. Первые обеспокоены ответственностью, которая может возникнуть при ненадлежащем функционировании транспортных средств, а вторые – ​возможной кражей интеллектуальной собственности, воплощенной в их продукции. Уже зафиксировано значительное число хакерских и иных атак, затрагивающих проблемы безопасности, и ситуация только усугубляется.

Ранее к безопасности относились просто как к фактору увеличения издержек. Однако подходы меняются и безопасность становится обязательным элементом во всех значительных проектах – ​таких, например, как проекты по развертыванию сетей Интернета вещей. Сегодня требуется упрощение и масштабирование средств обеспечения безопасности с целью более легкого их применения малыми и средними компаниями. Кроме того, развитие средств обеспечения безопасности даст возможность автопроизводителям отказаться от дублирующих бортовых систем и тем самым сэкономить. Ожидается, что в 2020 г. число проектов по разработке и развертыванию средств и систем безопасности существенно вырастет. Поставщики полупроводниковых приборов все шире используют средства защиты своих изделий, в том числе схем памяти и запоминающих устройств. Правда, пока ощущается некоторый дефицит необходимых для этого инструментальных средств.

Разработчики автономных транспортных средств значительно увеличили время на проектирование средств безопасности в общем цикле – ​при том что до появления повседневно и массово используемых полностью автономных транспортных средств остается еще не менее 10 лет. Предполагается, что в 2020 г. начнется использование в значительной мере автоматизированных транспортных средств на автотрассах общего пользования, соответственно, будет появляться все больше приложений ИИ и машинного обучения. Крупные интернет-компании тратят на соответствующие разработки очень много денег, однако такие проекты по большей части являются внутрикорпоративными. В этом плане также ожидается сдвиг: все больше значения будет придаваться инвестициям в технологии 5G и их интеграции с автономным вождением и другими областями применения, включая кибербезопасность. Однако здесь возникают определенные опасения – ​уже сейчас очевидно, что 5G и машинное обучение могут использоваться для отслеживания поведения целых групп населения.


Заключение

Окружающая реальность меняется все быстрее – ​отчасти за счет появления новых рынков и технологий (в автомобильной и промышленной электронике, технологиях связи и т. п.), а отчасти потому, что практичность и цена масштабирования становятся барьерами для многих компаний (впрочем, легко преодолимыми для тех, кто может себе это позволить). Результат – ​массовые инновации во множестве направлений, а также значительный рост инвестиций в стартапы и ускорение производственных циклов, что обусловлено интенсивной конкуренцией.

Каждая новая поворотная точка открывает возможности для создания стартапов, любой из которых может вырасти до размеров Google или Facebook. Однако в 2020 г. перемены предполагаются по всем направлениям, и пока неясно, как будет выглядеть рынок к концу года.


Sperling Ed. CEO Outlook: 2020 Vision. Semiconductor Engineering, January 6, 2020: https://semiengineering.com/ceo-outlook‑2020-vision/

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ