ВЫБОР РЕДАКЦИИ

Некоторые проблемы развития памяти с высокой пропускной способностью

Новые разработки стартапа SambaNova

Перспективы развития микроконтроллеров с краевым искусственным интеллектом

Проблемы разработки программно-управляемого аппаратного обеспечения

Искусственный интеллект – перспективы развития

Наступление эры искусственного интеллекта реального масштаба времени

Искусственный интеллект и увеличение интереса к краевым вычислениям

Бесшовная связь – становой хребет Четвертой промышленной революции

Использование биометрии в Сухопутных войсках США

Вопросы развития краевых вычислений

Машинное обучение открывает новые возможности FPGA

Материалы Симпозиума SEMI по промышленной политике

Teraki совершает «квантовый скачок» в сфере больших данных

Бум стартапов во Франции

Материалы Симпозиума SEMI по промышленной политике

Вопросы развития краевых вычислений

Экономические аспекты развития технологий искусственного интеллекта

О перспективах рынка потребительской электроники

Средства искусственного интеллекта учатся распознавать звуки

Превосходство КНР в области искусственного интеллекта: правда или миф?

Новые тенденции использования машинного обучения при проектировании и обработке изображений

Переход от полноразмерных облачных хранилищ к клаудлетам

Общее состояние и ближайшие перспективы рынка микроэлектроники

SEMI о состоянии полупроводниковой промышленности

SEMI о состоянии полупроводниковой промышленности

Современное состояние и перспективы развития рынка САПР

Современное состояние и перспективы развития рынка САПР

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

Итоги 2019 г. оказались не очень радостными для полупроводниковых фирм, особенно поставщиков схем памяти – ​доходы от продаж снизились на 16% по сравнению с 2018 г. (до 356 млрд долл. [1]). С другой стороны, сегмент поставщиков инструментальных средств САПР пережил еще один год бурного роста. Это несоответствие объясняется появлением новых технологических областей полупроводниковых приборов: ни одна из них еще не достигла стадии серийного производства, однако для дальнейшего развития уже требуются новые и модернизированные средства САПР. Значительная часть роста доходов индустрии САПР связана также с появлением все большего числа начатых разработкой проектов создания ИС, реализуемых фирмами, не разрабатывавшими аппаратное обеспечение в прошлом. Предполагается, что существующие тенденции сохранятся и сектор инструментальных средств САПР в ближайшие пять лет будет демонстрировать рост доходов в сложных процентах (CAGR) на уровне 8–12%.


Рынок САПР в III кв. 2019 г.

По оценкам Альянса разработчиков САПР (Electronic System Design Alliance, ESD Alliance), сформированным на основе отчетных данных акционерных и частных фирм-поставщиков инструментальных средств САПР и полупроводниковых сложных функциональных (СФ) блоков, в III кв. 2019 г. доходы отрасли выросли на 8,9% по сравнению с III кв. 2018 г. Общая выручка за III кв. 2019 г. составила 2,568 млрд долл. (рис. 1, табл. 1). С географической точки зрения большая часть доходов по-прежнему приходится на Америку (рис. 2, табл. 2).



Источник: ESD Alliance

Рисунок 1. Структура доходов индустрии САПР в III кв. 2019 и 2018 гг.



Источник: ESD Alliance

Рисунок 2. Географическая структура доходов индустрии САПР в III кв. 2019 и 2018 гг.


Таблица 1

Структура доходов индустрии САПР за III кв. 2019 г.

Тип доходов индустрии САПР

Объем доходов, млн долл.

Прирост, %

Доля, %

Доходы от реализации САПР, в т. ч.:

1636,4

14,2

63,7

Средства автоматизированного проектирования

838,3

10,8

32,6

Средства проектирования ИС на физическом уровне и верификации

557,6

17,2

21,7

Средства проектирования печатных плат и многокристальных модулей

240,5

19,8

9,4

Доходы от разработки и реализации полупроводниковых СФ-блоков

835,9

3,7

32,5

Доходы от оказания услуг

95,4

–19,9

3,8

Доходы индустрии САПР в целом

2567,7

8,9

100


Таблица 2

Географическая структура доходов индустрии САПР за III кв. 2019 г.

Страна/регион

Объем доходов, млн долл.

Прирост, %

Доля, %

Америка (оба континента)

1169,9

10,4

45,6

АТР

827,5

5,7

32,2

Европа, Ближний Восток и Африка

351,1

0,1

13,7

Япония

219,3

–9,4

8,5

Итого

2567,7

8,9

100


В структуре доходов индустрии САПР почти 64% приходится собственно на системы проектирования, при этом наибольшие темпы прироста демонстрируют средства проектирования печатных плат и многокристальных модулей. Немногим от них отстают темпы прироста средств проектирования ИС на физическом уровне и верификации (табл. 1). Темпы роста доходов от реализации СФ-блоков в последнее время замедлились, что не соответствует долгосрочным наблюдениям.

Действительно, с точки зрения долгосрочной перспективы наибольшие темпы прироста за период 1996–2019 гг. наблюдались по доходам от разработки и реализации полупроводниковых СФ-блоков и по доходам от реализации средств проектирования ИС на физическом уровне и верификации (рис. 3) [2].



Источник: ESD Alliance

Рисунок 3. Поквартальная (с I кв. 1996 г. по II кв. 2019 г.) структура доходов поставщиков инструментальных средств САПР


В конце 2018 г. ESD Alliance объединила свои усилия с SEMI. Цель состояла в том, чтобы интегрировать сегмент проектирования в цепочку поставок производства электроники, сформировав целостную экосистему. Отмечается, что у индустрии проектирования и полупроводниковой промышленности есть много общих проблем и узких мест, которые можно решить с помощью более широкого сотрудничества и партнерства.


Основные факторы развития САПР

Рыночные факторы

Трудно игнорировать стремительный рост ИИ и его новых приложений, реализуемых практически в каждом сегменте полупроводниковой промышленности, которая трансформируется под воздействием всплеска активности системных фирм, разрабатывающих заказные ИС. Корпорации Amazon, Facebook, Google, Microsoft и т. д. объявили о планах создания собственных ИС ИИ. При этом наблюдаются усилия по стандартизации открытого интерфейса, определяемого открытой архитектурой представления предметной области (Open Domain-Specific Architecture, ODSA), – ​он должен помочь снизить сложность и стоимость проектирования высокопроизводительных ускорителей на основе лучших в своем роде чиплетов.

Подобная тенденция наблюдается не только в области ИИ. Автомобильные производители, такие как Tesla, Toyota (в сотрудничестве с Denso) и др., начали НИОКР по разработке заказных ИС (или конструкций чиплетов), вместо того чтобы обратиться, как обычно, к поставщикам первого уровня. Это, в свою очередь, также создает спрос на новые инструментальные средства САПР. Одновременно растет важность функциональной безопасности – ​что очевидно по тому, как много внимания уделяется стандарту ISO 26262. Так же высоки требования и в ряде других областей, где нет права на ошибку, – ​таких как атомные электростанции, авионика, военные системы и имплантируемые медицинские устройства.

Отмечается, что продажи в секторе биткоиновых «систем-на-кристалле» (SoC) резко снизились, а в КНР их изготовители переключились на производство SoC-ускорителей ИИ. Правда, выпуск SoC-ускорителей ИИ не приводит к значимому росту потребления пластин, на которых они формируются, т. к. каждая из конструкций этих приборов ограничена по объемам выпуска в натуральном выражении. Наибольшее число стартапов, специализирующихся на SoC-ускорителеях ИИ, расположено в США, но все они находятся на этапе становления и не потребляют сколь-либо заметного объема пластин.

Снижение спроса на биткоиновые SoC не влечет за собой появления избытка производственных мощностей, поскольку высвобождаемые мощности загружаются заказами на ИС для смартфонов iPhone и Huawei, спрос на которые в КНР стремительно растет. Правда, на ситуацию негативно влияют американо-китайские торговые противоречия, однако до сих пор торговая война США с Китаем не привела к замедлению спроса на инструментальные средства САПР.

Кроме того, 2019 г. ознаменовался продолжением волны сделок слияния и поглощения, чей общий объем достиг, по данным IC Insights, 29 млрд долл. Темпы сделок слияний и поглощений были несколько неожиданными для полупроводниковой промышленности в самом начале 2019 г., а по результатам этот год может оказаться третьим по величине указанных сделок за всю историю полупроводниковой промышленности.


Технологические факторы

Ведущим фактором развития электронной промышленности становятся технологии больших данных и приложения искусственного интеллекта, включая машинное и глубокое обучение. Появились гетерогенные вычислительные платформы – ​как традиционные SoC со встроенными структурами вентильных матриц, программируемых пользователем (FPGA), так и массивные FPGA, которые также квалифицируются как SoC. Хорошим примером этой тенденции стала 7-нм «Адаптивная платформа ускорения вычислений» (Adaptive Compute Acceleration Platform, ACAP) Versal корпорации Xilinx.

Масштабирование полупроводниковых технологических процессов в сторону меньших топологических норм продолжается, однако эта тенденция не всегда способна удовлетворить (из-за физических ограничений) потребность в размещении на заданной площади большего числа транзисторов, необходимых для таких приложений, как ИИ. Соответственно, разработчики вынуждены искать другие решения, что, в свою очередь, приводит к предсказанному ранее взрывному росту численности конструкций 3D-ИС. Практически каждая средняя или крупная полупроводниковая фирма, занимающаяся проектированием ИС, рассматривает многокристальные и многочиплетовые 3D-ИС, альтернативные однокристальным монолитным ИС. TSMC, крупнейший в мире кремниевый завод, и Samsung, один из крупнейших вертикально-интегрированных производителей ИС, использующий также модель кремниевого завода (автономное подразделение), в 2019 г. объявили о создании эталонных (reference flow) технологических процессов создания 3D-ИС. Этому решению предшествовала более чем десятилетняя история работ корпорации Cadence по переходу от моделирования процессов корпусирования, обеспечения целостности сигнала и мощности, корпусов с матричным расположением штырьковых выводов, поверхностного монтажа, «систем-в-модуле» (SiP) и методик 2,5D-корпусирования к 3D-корпусированию этажированных кристаллов. В настоящее время Cadence ускоряет сертификацию своих решений в области корпусирования совместно с TSMC, а в области многокристальной интеграции (multi-die integration, MDI) – ​с Samsung. Тем самым создаются новые возможности для САПР – ​появляется необходимость в инструментальных средствах, реализующих 3D-многокристальный или многочиплетовый подходы для планирования, управления формированием взаимосвязей и экспортом альтернативных конструкций и корпусов.

Некоторые из новых технологий стимулируют развитие наиболее передовых технологических процессов, характеризующихся наименьшими топологическими нормами. В частности, наблюдаются ускоренные темпы разработки технологических поколений с топологиями менее 10 нм, что обусловлено огромной потребностью в обработке данных. Значительный рост потребности в наращивании вычислительной мощности обусловлен быстрым внедрением облачных вычислений в нескольких вертикально-организованных отраслях, включая высокопроизводительные вычисления (HPC или суперкомпьютеры), сети и средства связи 5G, искусственный интеллект, новейшие типы автомобильной электроники и мобильной техники.

Развитие вентильных матриц, программируемых пользователем, также во многом обусловлено потребностью в гибкости на новых рынках, таких как ИИ, автомобильная электроника и сети и средства связи 5G, где алгоритмы, стандарты и интерфейсы продолжают изменяться быстрыми темпами. Решающее значение здесь имеет возможность программировать аппаратное обеспечение для учета различных изменений, но это не так просто, как кажется. Преимущества FPGA в производительности и гибкости для приложений ИИ хорошо понятны. Самая значительная проблема – ​модель программирования. Она не может быть разрешена единым, универсальным способом и будет решаться комбинацией подходов, соответствующих экспертным знаниям разработчика.

Наблюдается расширение использования FPGA – ​как автономных, так и встроенных. Отмечается, что формальная проверка эквивалентности конструкций FPGA стала ключевой технологией для установления доверия в цепочке разработки. Ожидается, что уже в ближайшее время она будет применяться гораздо чаще. Эта технология может гарантировать, что в процессе разработки в конструкцию не были введены никакие аппаратные трояны. Кроме того, инструментальные средства синтеза, размещения и трассировки FPGA оптимизируются, и все оптимизации должны быть формально проверены. Обе эти причины способствуют расширению использования средств проверки эквивалентности конструкций FPGA.


Архитектурные факторы

Развитие открытой архитектуры набора команд ISA RISC-V становится главным фактором развития SoC. Для поддержки этой архитектуры формируется обширная экосистема. Уже существует множество коммерчески доступных процессорных ядер с открытым исходным кодом, а также ПО, инструментальные средства САПР и другие вспомогательные технологии. В настоящее время некоммерческая компания RISC-V Foundation насчитывает в своих рядах более 325 организаций. В центре ее внимания – ​вопросы создания ИИ, СФ-блоков процессоров, а также формирования экосистемы независимых поставщиков. Члены RISC-V Foundation пытаются определить главные проблемы в области безопасности, в частности недостатки реализации микроархитектурной безопасности. Для решения этих проблем активизируются работы в области сертификации, обеспечения безопасности, постквантовой криптографии, оптимальных методов обнаружения уязвимостей.


Интерфейсы

Раньше интерфейсы считались скучной необходимостью, но в последнее время они стали факторами, обеспечивающими реализацию новых возможностей. В частности, это наблюдается при набирающем обороты глобальном развертывании сетей и средств связи 5G. Проводная связь тоже не стоит на месте – ​форум разработчиков USB выпустил спецификацию USB4, обеспечивающую более быстрые соединения для обработки видео и передачи данных через разъем USB-C. Кроме того, эта спецификация дает надежду на то, что различные технологии формирования смогут решить системные проблемы высокоскоростных сигналов [3].


1. IC Industry Forecast to Rebound in 2020. Electronic Specifier, December 5, 2019: https://www.electronicspecifier.com/news/analysis/ic-industry-forecast-to-rebound-in‑2020

2. MMS Newsletter. Third Quarter 2019. Electronic System Design Alliance, Q3, 2019: http://esd-alliance.org/wp-content/uploads/Newsletters/mss/MSS_Newsletter.pdf 

3. Bailey Brian. What Worked, What Didn’t In 2019. Semiconductor Engineering, December 19, 2019: https://semiengineering.com/what-worked-what-didnt-in‑2019/


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Выпуск 24/25 (6748/6749) от 23 декабря 2021 г. г.
Выпуск 24/25 (6748/6749) от 23 декабря 2021 г. г.