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半导体价值链的关键变革 EDA走上云端

MZjJ_DIGITIMES 来源:cg 2018-12-28 10:53 次阅读

在研发、设计、生产、封测、通路五大半导体产销流程中,研发、设计所需的时间比以往多出50%以上,一个新产品的上市,背后还有长达12~18个月的Debugging等工作。为了使客户更有效率的推出新产品,上游EDA公司除提供完整的产品线之外,也开始布局更多的软件投资,而与云端服务业者的合作,也成了加速、效率化的捷径。

晶圆制造业者而言,80~90%的稼动率是常态,85~95%的良率都是基本的要求。但这些大规模的生产设备,所需要的相关投资已经成为天价,可以理解为何进入7nm世代之后,只有台积电、三星电子(Samsung Electronics)与英特尔(Intel)有具体的投资计划。

我们已经可以预测,到了比7nm更先进的工艺之后,供应端与需求端同时寡头化将成为产业的关键趋势。届时,上游的设备、材料厂,如何与少数的买家协商最佳方案,也必然会是产业界津津乐道的话题

至于封测厂商则可能面对更大的挑战。大约有30%的资本支出将用在封测流程上,但封测业者如何验证自己的价值,将是个非常困难的挑战。从10年前开始,封测业者对于后续的投资便采取相对保守的措施,导致台积电自行布局封测事业。

最后端的营销通路,企业忧心的不是半导体技术,而是背后大规模的金融操作,会不会面临新的挑战。

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全球六大晶圆代工业者工艺演进

半导体价值链的关键变革

1983年,韩国三星决定投入存储器的发展行列,打破日本业者独占的局面,埋下今日三星主导全球存储器产业的种子。1987年,台积电成立,并以独特的晶圆代工模式,吹皱了全球半导体产业的整池春水。

1980年代,是日本第一的年代,美国半导体产业的实力无可比拟,没有人料到三星、台积电竟然成为全球三家角逐7nm以下最高阶工艺的主导者。

三星、台积电改变全球生态的原因各异,只是时空环境、产业条件不同,1980年代是工业时代的末期,谁能掌握投资资源,加上正确的企业定位与决心,就有可能翻云覆雨,成为一方之霸!

经过几年沉潜、积累,三星与台积电都在1990年代中期进入「井喷」阶段。1993年,掌舵的三星董事长李健熙召开法兰克福会议,宣示「生产不良品的人就是罪犯」,三星必须以全球顶级企业自许的企业方针,改变了三星的自我定位与策略方针。

三星开始以全球第一为目标,存储器便是攻坚的核心事业部,再搭上PC在1990年代中期快速扩张的成长商机,三星终于成就了存储器产业的霸业,并将原本领先的日商挤到市场的角落。

台积电虽然从一开始就能站稳脚根,但真正成为世界级的公司,也在1990年代中期之后。手机、PC厂商的上游零件业者,逐年成为台积电的座上宾。1990年代时,台积电的主力客户是二线的NVIDIA、ATI等绘图芯片供应商,并非2000年以后的苹果(Apple)、高通(Qualcomm)与联发科

而在21世纪的第一个10年,国内的海思、展讯或之后的挖矿机等业者,根本不在台积电的雷达范围之内。随着产业条件的变革,三星、台积电都能与时俱进,并在市场上呼风唤雨。

IC设计费用暴增缩短工时成关键

台积电、三星都宣称要在2020年建构3nm的代工能力,但据研究机构IBS估计,届时每颗IC的设计费用至少5亿美元起跳,如果高达15亿美元的天价也不令人意外,而其中以GPU成本耗费至巨。

IBS指出,28nm平面型的IC设计平均费用为5,130万美元,使用FinFET技术的7nm,则是需要2亿9,780万美元,设计费用几乎多了6倍,因为背后所需要的IP、检测等费用,都是跟着水涨船高。因此,设计公司必须选择具有高超技术的晶圆代工厂,但晶圆代工费用也是令很多企业头痛不已。

台积电宣布2019第2季将进行5nm的风险生产,也将成为全球第一个量产5nm的企业,而三星则宣称将在3nm工艺中使用GAAE(Gate-All-Around-Early)技术,三星并以MBCFET(Multi Bridge Channel FET)为这项技术命名。

各工艺半导体设计费用

FinFET的技术虽然可以让三个不同面向的电流流通,GAAE技术却可以在各个不同的角度、面向都可以达到电流流通,进一步提高效能。三星这项技术是与IBM、GlobalFoundries一起开发,但由于牵涉到蒸镀等各种多元的技术、设备,巨额费用可想而知,估计现在会对这些技术有兴趣的公司,不外乎高通、NVIDIA与苹果而已。

上游EDA业者也受冲击

过去类似亚马逊(Amazon)、微软(Microsoft)、Google这些云端服务大厂,一直尝试说服各家企业将自己的运算功能、存储设备放在由他们提供的云端系统上。这两年企业端的消费者开始买单,「云端运算」不再只是口号,甚至不再是个议题,而是已经开弓的箭,再无回头的可能。关键是这个大趋势现在、未来对各个产业的影响,以及企业如何因应。

以微软的Azure云端服务平台为例,过去IC设计业者从EDA业者取得的各种设计工具,在自家的计算机系统上运算,不免要面对运算资源、速度的压力,而存储各种演算成果、信息,也必然面对一样的侷限性。

事实上,IC设计业运用的工具越来越复杂,从前端的规格设定开始,包括Block design、Synthesis、Formal verification、Simulation,以及后端的Place and route、Static timing analysis、Physical verification、Tape-out,各大云端服务平台的业者,都尝试让IC设计公司将EDA设计工具,透过云端系统得到最大的效率。

使用这些服务的企业,可以运用云端上已经备妥的各种运算资源,以On-premise的模式,高度弹性的使用最佳、最大的运算能力。这样的服务架构,可以让原本的设计流程加速。而及早上市这件事,对IC设计机构代表着更高的利润、更低的成本,而这也可能是整个流程中,最具有价值的部分之一。

例如,前端Synthesis的流程,可以与Verification或Validation的流程平行处理。后端设计上可以使用EDA设计工具,以逻辑设计同步合图(Mapping)的模式,可以与晶圆工艺完全吻合,以避免可能出现的偏差。

其他包括STA(Static Timing Analysis)、DFT(Design for test)等Validation的工具,在设计规则的确认(Design rules check)、LVS(Layout versus schematic)测试这些多元、重复不断的动作,牵涉到大量Data set之间的互动,其实也都只是为了确保制造时的精确度而已。

这些动作如果能够透过云端的架构,由功能更强大的数据中心来处理,不仅对于IC设计公司而言是成本、效率上的一大解脱,但也可能是未来非常关键的竞争模式。

此外,类似DFM(Design for manufacturing)的流程,通常有好几千个Cores,也非常适合云端服务的平行处理架构,可以让过去要花上好几天的运算流程,缩短到几个小时。我们可以期待,如果专利授权没有太大的问题,这些EDA使用流程上的改善,将会是这个产业流程的创新与革命。

核心与存储器用比大幅改善

如今,完备的基础建设让云端上的大量运算成为可能,企业可以优化计算机资源,可以利用虚拟的设备,在Linux/Windows的技术基础上进行,微软甚至说,核心(Core)与存储器(Memory)之间的用比可以从以往的1:2,大幅改善为1:30。

现在连台积电都与微软Azure、AWS两大云端服务公司合作,微软Azure E系列Core与Memory的用比可达1:8。Azure M系列在Timing Analysis与Physical verification的流程上,则可以128 Cores对比3.8TB RAM,这些都可让设备投资得到很好的回报。

在存储设备上,Azure Storage提供多重存储模式的选择,例如名为「Blob」的服务系统,可以存储大量非结构性的数据或档案,也可以提供NFS的使用情境,这种方式既可以是单纯的云端服务,也可以在线线下随意选择不同的作业环境。

针对Verification的流程,可能产生上百万个非常小(4~16K)的临时性档案,Azure Avere也可以提供NFS的支援,而为了使所有的网络通信环境无所窒碍,世界级的网络巨擘都在布局海底电缆、光纤网络,让运算迟延(Latency)的现象降到最低。

这些新建的数据中心与基础网络,将随着5G应用的扩大而同步推展,相关的需求也将水涨船高。

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原文标题:【深度专题】先进工艺设计费暴增 EDA走上云端

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