芯片设计正在迈向软件化

本文由半导圈编译自semiconductor-digest

功能性、集成度、功耗、可扩展性、外形尺寸和成本推动着芯片市场的不断创新。在更小的空间里完成更多工作，是推动移动通信、数据存储、云服务和数据中心等领域进步的关键，此外还有个人设备方面的智能手机、平板电脑和可穿戴设备，这在十年前几乎是不可想象的。然而，随着半导体行业走向摩尔定律的终点，对许多公司来说，摩尔定律在经济上不再可行，而光刻技术限制了芯片的尺寸，摩尔定律、硬件加速和 "软件化 "的交叉作用正在成为未来性能扩展和芯片设计的核心。

什么是软件化

软件化是指使用软件解决方案代替传统的硬件来执行某些功能或解决问题，现在已经成为许多技术的关键推动因素。随着物联网、人工智能、5G、机器对机器（M2M）和扩展现实（XR）进入主流信息和通信技术，解决方案的逐步软件化广受关注，这些解决方案可根据用户对增加功能、灵活性、安全性和易用性的要求进行扩展。

从历史上看，当我们看向服务于5G无线基础设施领域等市场的技术解决方案时，EdgeQ运营的市场涉及复杂的解决方案，需要多个器件来解决连接、云和边缘计算的要求。在解决解决诸如交换、移动网络连接（4G/5G）、AI、安全、计算和定时同步等功能时，需要特定的、不同的设备，这些硬件很昂贵，而这已经是一些年来公认的模式。

在芯片设计中，对芯片公司和其终端客户而言，软件化是一个真正的价值差异化因素。软件化的程度取决于终端设备的使用情况。例如，在5G无线基础设施领域，我们看到电信运营商正在寻求推进5G需求的芯片创新、控制和供应。这种创新包括连接和计算的整合、嵌入4G/5G连接和可扩展性、端到端边缘计算、云、Wi-Fi和AI。实现这种水平的整合重新，需要先进的能力，不仅是在芯片设计方面，而且是在5G软件和网络方面的综合专业知识。对于芯片制造商来说，既存在未满足的需求，也有机会提供支持软件的芯片，将所有这些功能嵌入单一的芯片设备中。

一些公司对芯片设计过程中的几个要素进行了优化，以使大规模集成成为可能。芯片本身的功能分割，利用RISC-V架构进行连接、4G、5G和人工智能，以及ARM来部署第二层（L2）和第三层（L3）客户特定的软件，为使用情况设计，为特定功能设计最佳的架构。在这种设计模式中，软件化是一个关键因素，因为它提供了嵌入大量硬件功能的选择，基本上可以取代许多额外芯片的工作。这方面的宏观经济效益是显而易见的。

更低的系统/BOM成本——用软件取代硬件意味着大幅降低支出，同时需要更少的芯片，这意味着用更少的耗材量换取更高的产出。除了降低商业成本外，这也意味着更低的碳足迹，并支持ESG倡议。

更低的功耗——更少的组件使用更少的能源，这在大规模的终端设备部署下，例如在智能制造设施内，是非常重要的，特别是考虑到能源成本的上升。

芯片尺寸的缩小支持设备尺寸的缩小。这有可能降低终端客户的运营成本，因为后端技术所需的空间更少，或者在现有的空间内可以容纳更多的技术，从而使每平方英尺的技术能力更强。

软件化提供了一个弹性平台，可以随着客户的需求在多个领域进行扩展。通过软件化，可以满足整个无线基础设施的需求，从小型，微型一直到宏观单元的部署。软件化使网络具有流动性，适应用户环境不断变化的需求，无论是更高的连接密度，更高的带宽性能，更高的可靠性，还是更多的频谱。

软件定义芯片为终端客户提供了在芯片内根据需要扩展技术和升级功能的能力，只需改变片上软件即可。在全球范围内，私人无线网络有很大的增长，例如，在运输和物流、仓储、智能港口、学术界和制造业。企业能够升级片上软件，使用相同的芯片组将OEM或ODM设备从4G设备无缝扩展到5G设备，这意味着不需要抛弃或更换设备。这使他们能够充分解决目前的业务需求，并为未来提供支持。应用于整个智能互联生态系统，其成本效益可达数百万美元。

展望未来，预计摩尔定律将在这十年里走到最后一步。行业将转向软件定义的硬件，强调高度定制、可编程的芯片设计，而不是单一的、适用于所有情况的芯片。特定的密集型功能将被分割，设计上将趋向于更小的处理器，利用软件处理更具体的任务。这些进化是芯片制造商的必经之路，如此才能与新兴技术同步，满足对提高性能、成本优化和能源减耗的需求。