2020年08月12日 | 全定制方法学 延续了摩尔定律的重要推手？

集微网报道，自戈登•摩尔提出芯片集成的晶体管每18个月最小尺度线宽缩小至0.7倍，面积缩小至0.49倍以来，50多年间这一著名的摩尔定律，一直指引着工艺、封测、设计方法学和EDA工具等相关技术保持着快速发展并不断的“自我实现”。集成电路从1965年到2019年的发展史，同时也看到摩尔定律和集成电路相互“竞速飞奔”的55年。

然而，任何事物的发展都是曲折前进的，进入7nm节点之后，新制程的研发成本呈指数级增长，晶体管体积越来越小遭受种种物理极限的制约，工艺提升越来越困难，摩尔定律俨然进入“深水区”，该如何寻求破解之道？

变革之路

在经过50多年的洗礼之后，半导体业界在全产业链的进阶远胜于昨，自然也在群策群力，衍生出了推进摩尔定律前进的多种路径，如晶体管结构由平面型向3D演进，2.5D和3D等先进制造和封装技术，异构集成突破和软硬结合等，从中亦可看出这依然需要仰仗EDA、制造、封装的全产业链“协作”。

正所谓万变不离其宗，总结起来，以上方式都是朝着更高计算密度、更大的存储密度和更紧的连接密度三个维度持续推进，最终都是为了实现“单位面积芯片在每瓦每单位成本的基础上实现更高计算能力”这一终极目标。

而“单位面积芯片在每瓦每单位成本的基础上实现更高计算能力”的最佳代表，非挖矿芯片莫属。而正是借助于挖矿芯片而风生水起的全定制方法学，是否也能“以正合，以奇胜”？

深圳比特微电子科技有限公司董事长兼总经理杨作兴笃定提到，突破摩尔定律的极限本质是芯片性能的改善，这主要从两个方面进行，一是工艺上的改进，二是设计方法学上的演进。但从工艺上看，按照目前的进度至少还可以走5-10年，走到1nm之际可能难以维系了。但全定制方法学则将两者共同作用，实现1+1﹥2的效果，将推动摩尔定律持续演进。

问题来了，全定制方法学会产生这样的奇效吗？

步步为营

毕竟，全定制方法与传统的设计方法背道而驰。

传统芯片设计流程即用高级语言写一个代码，综合成一个门级网表，再产生时钟，再布线形成GDS（版图文件)。众所周知，当前无论是设计还是代工，在芯片设计上基本都是依赖EDA工具进行电路设计与仿真、自动布局布线、网表文件自动生成等等。

看样子像是“逆潮流”而动的全定制方法，能成为推进摩尔定律向前的历史选择吗？或许从它的“演进”历程来看或可一窥究竟。

从时间点来看，全定制方法学虽然发端于偶然，却在矿机芯片大放异彩之后成为必然，在形成体系的道路上正步步为营。

从2008年起，因工作单位项目开发需要，杨作兴开始关注全定制方法学对芯片设计的意义和价值，并克服世俗的“打压”，不断投入和尝试，不仅验证了全定制方法学在设计中对降低成本和功耗的意义，而且在全定制方法学的第一阶段手写门级网表迈出了关键的一步。

正所谓“时势造英雄”,当时间来到2009年，区块链产业风起云涌之际，杨作兴率先发现了挖矿芯片对算力和功耗特殊要求的不断提升，并断定全定制芯片设计方法学可以再试身手，由此，杨作兴携全定制方法学开始了持续的分阶段、分步骤、分层次地优化芯片设计的里程。

首先为比特泉设计了芯片BE300，就已经彰显了全定制方法学的价值。进而为比特大陆设计了芯片1385和1387，更进一步验证了全定制方法学在矿机芯片设计领域中的成功。在市场真枪实战演练的过程中，除采用手写门级网表外，杨作兴也从中发现EDA工具自动摆放的逻辑单元存在面积利用率低、运算逻辑速度不够、毛刺功耗占比很大的问题，于是更进一步将全定制方法锁定在手动摆放逻辑单元层面，进而将利用率做到了接近 90%，由此亦将全定制方法学推向了一个新的阶段：手动摆放逻辑单元。

如果说在前十年的时光中，全定制方法学才完成了手写门级网表、手动摆放逻辑单元的起步阶段，那在2016年杨作兴组建自己的公司比特微以来则开始进入“加速度”。

为进一步提高芯片性能，杨作兴找到业界顶级的模拟设计专家和数字建库专家，深度定制了若干关键逻辑单元。而进展也有如神助，从2018年BT1800芯片的十几种定制逻辑单元，到2019年1月BT1920芯片的30 多种定制逻辑单元，接着又到7月流片的BT1930的100多种定制逻辑单元，到最新即将量产芯片中的逻辑单元全部定制。

此际，定制优化逻辑单元的“全胜”凸显的价值和意义在于，不仅为芯片的低功耗和低成本实现了大概1/3的贡献，也标志着全定制方法学跃进到了第三阶段——定制优化逻辑单元。

不止如此，比特微的矿机芯片制造在从台积电到三星的迁移工艺中，在不断迭代的实战中，大幅改进了以往三极管阈值大范围变动的问题，不仅实现了高算力和低功耗的平衡，更标志着全定制方法学迈入又一个新的阶段：定制工艺。而这一步将承前启后，将为之后全定制方法学定制半导体工艺设备、定制半导体材料打开新的大门，一条全定制方法学的全工具链也将彻底贯穿走通。

数字为证，比特微在2020 年上半年，在疫情和市场行情极其不利的情况下，依然依靠全定制方法学开发的矿机芯片实现10多亿元的销售收入。而国内矿机芯片龙头嘉楠耘智、芯动科技等等，无一不采用全定制方法来驰骋江湖。

仅从直观的性能功耗比对比，与同样制程工艺但采用传统APR方法设计的矿机芯片相比，采用全定制方法学设计的芯片在功耗成本优化比例上都提升了4倍以上。而更具特殊意义的是，全定制方法通过在门级网表、逻辑单元定制、手动布局和工艺定制方面的优化，在同样工艺下可以实现1个数量级性能的提升。这意味着采用全定制方法学，可在14nm工艺上实现普通方法学在7nm上的性能，从而延续摩尔定律5-10年。

精雕细刻

这不止是全定制方法学的胜利，更是为摩尔定律的延续开创了新思维。

但全定制方法学在过往矿机芯片史上的辉煌战绩能普惠全行业吗？如何推而广之，让其他领域的芯片设计厂商奉行“拿来主义”呢？这显然殊为易事。

一方面，全定制方法学要全面走通，还要向定制半导体设备和定制半导体材料的第五和第六阶段进军，直到最后形成全定制方法的IDM模式，这是一个宏大的愿景，需要庞大的投入和相当长的时间周期。另一方面，还要加快横向拓展，以杨作兴的判断，全定制方法学会首先在对功耗和成本有极致需求的AI领域应用，然后逐步扩展到手机、PC、服务器和IoT领域，但要这些厂商采用全定制方法进行设计，还需攻克更多的挑战。

毕竟，定制方法学设计复杂芯片周期长，如何解决这一问题呢？杨作兴提到，定制其实就是因地制宜、量体裁衣、因材施教，设计厂商需要针对芯片应用范围和场景，优化设计自己的单元库，手动设计门级网表以及手动布局逻辑单元；然后进行层次化设计，从底层的三极管到加法器乘法器；再到功能单元如编码解码等逐步定制化，以实现面积、功耗、速度的最优解。全定制方法目前虽然是手动，但业已进入到模块化的概念，通过层次化设计，就可在相对短的时间内完成复杂芯片的设计，像搭积木一样解决复杂芯片的设计规模问题。

用通俗易懂的话来说，全定制芯片设计方法学就是根据芯片的具体应用领域和需求，在各方面都进行定制化的设计，使得芯片内部的每一个晶体管都能够发挥出最优的效果。全定制设计主要是在单元库、网表生成和单元布局三个设计环节采用定制化、人工化设计，从而使功耗降低、面积减小和速度提高。

“以往芯片设计基本都依靠EDA软件，但之后的芯片设计更要精雕细刻，每个逻辑都要恰到好处。采用全定制方法学，不仅比传统APR方法学设计出来的芯片性能可提升约一个数量级，更将有望延续摩尔定律走出深水区。”杨作兴乐观判断。

在十多年来砥砺前行的生涯中，杨作兴单枪匹马，生生将全定制方法学“满血复活”，并在战场上连续攻克路上的重重碉堡，离最终的攻坚战已然愈行愈近。那些孤军奋战的片段，也正是踏上那条梦寐以求的全定制方法之路难以磨灭的写照。

全定制方法学是否如杨作兴所愿，对芯片设计、工艺和设备以及材料产生深远的影响，成为摩尔定制重要的推手之一，相信时间会给出最好的证明。