敏捷开发之道如何10倍提升芯片设计效率？

2019年11月5日

在10月18日于苏州举办的CNCC 2019中国计算机大会的“集成电路芯片的敏捷开发之道”论坛上， 摩尔精英董事长兼CEO张竞扬发表了“ 1/10资金、1/10时间、1/10团队，如何做出物联网芯片？”的专题演讲。

摩尔精英董事长兼CEO 张竞扬

现场演讲中，张竞扬表示，CNCC 论坛是在他2019年被邀参加的众多半导体行业论坛中最让他期待、也最有纪念意义的论坛之一。

芯片敏捷开发很可能开创半导体行业的下一个时代，为什么他会这么说？

“高速发展的半导体行业与潜力巨大的碎片化市场”

2017年全球半导体产业产值约4300亿美金，2018年4700亿美金，但其实只占全球GDP（83万亿）的0.6%左右。半导体产业总值从1996年的1400多亿美金增长到今天的不到5000亿美金，年复合增长率平均在6%左右。占比相对小，增长相对快，半导体行业才刚刚成年。未来20~30年，半导体仍将是科技进步的主要推动力之一。

张竞扬提到，中国的半导体行业产值年度复合增长率在20~30%左右，去年是31%，未来的十年可能还会保持一个非常高速的增长，所以今天我们在这个行业的人是幸福的。 从近两年的行情来看，IC行业硕士毕业起薪的平均涨幅是超过房价的。

“芯片国产替代，滚雪球的坡道又高又长”

2018年中国芯片进口3120亿美金，使用了世界上约2/3的芯片（注：尽管其中一大部分又被加工为电子产品出海了），但国产芯片仅380亿美金，自给率为11%左右。国家希望在2025年，实现芯片自给率70%的目标。按照整个半导体市场以6%左右的CAGR来估算，到那时整个半导体市场的体量将会在5000亿美金左右，我们的目标是70%，即3500亿美金，能够自产自用。

正所谓一眼万年，十年内要让本土芯片产业取得近十倍的增长，一代人，必将走过千山万水。这既是所有半导体人的机会，也是义不容辞的责任。 从全球半导体行业规模年均4700亿美金与中国芯片自产率仅11%的 巨大差距 中，我们看到了中国本土芯片未来的成长空间。

摩尔定律发展到今天，给了更多人站在别人肩膀上创新的机会。当技术节点的迭代停滞，对底层工艺提升的依赖性减弱，有更多的机会在芯片设计上做文章，不断提升的芯片性能，这就给了后进者更多追赶的机会。半导体产业大环境正在发生剧烈变化， 规则变化是新公司崛起的摇篮。同时，无论是自动驾驶还是智能图像/语音识别，市场上眼花缭乱的人工智能终端应用，都在呼唤更好的硬件性能， 大量的钱等着买单。

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“行业规则改变，芯片从标准产品到定制服务”

过去，PC和智能手机市场几乎被全球前十大芯片公司垄断，今天，AIoT时代到来，我们看到了明显的转变，市场的需求表现出前所未有的多样性，虽然单品的出货很小，但在聚沙成塔的效应下，这是一个非常大的市场。张竞扬认为， 芯片将从“标准化的产品”转变成“定制化的服务”。一方面，定制能够在同等工艺条件下带来成百上千倍的性能提升；另一方面，芯片也越来越需要同终端应用相结合，站在欧美总部大楼拍脑袋定产品的时代已经过去了。

在性能-灵活度的折中上，像CPU这样的通用处理器享有最大的可编程性和灵活度，但同等功能性能下，功耗最大; ASIC（Application Specific Integrated Circuit 专用集成电路）等于将使用场景固化，灵活度最小，但效率更优。

今天的大多数芯片，即使是许多所谓的ASIC，本质上仍然是多用途的。我们常常直接使用商业化IP和晶圆代工厂的标准单元库，尝试在一款芯片中尽可能多地组合功能，通过一次流片覆盖更多市场，快速上市。 但所有这些捷径，都以降低芯片性能为代价。

如果我们把ASIC设计推向单一化的极致（Domain Specific, Dedicated ASIC），结果令人震惊。以加密货币挖矿计算为例，Benchmark的结果显示，同样成本下的专用ASIC效率，可以达到CPU的数十万倍。这些设计者们采用全定制基本单元库，手工来优化布局布线，挑战晶圆代工厂DRC的极限，用设计SRAM基本单元的方式设计芯片，任何能够优化的地方，他们都会大胆一试。有人说这是一种设计方法的倒退，浪费了大量的时间去做无意义的工作，但是矿机ASIC确实取得了惊人的性能。

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我们看到芯片设计的潜能是巨大的，今天之所以没有太多的芯片被定制化到这么极致的性能，原因在哪里?

过去，设计一款28纳米芯片的设计成本约为5000万美元，7纳米的设计成本上涨到3亿美元，而预测3纳米的芯片设计成本将达到难以置信的15亿美元之多。已经很少有芯片设计公司，能够承受得起这么昂贵的前期投入了。先进工艺制程的芯片研发成本不断攀升， 大公司要看到10亿美金，100亿以上销售预期的市场才会进入，早期的AIoT产品无法一夜之间提供这样的市场机会。

“如何用1/10的资金，1/10的时间，1/10的团队能做出同样的芯片”

随着工艺节点演进，芯片设计成本节节攀升，芯片设计方法学需要新的尝试，这就是今天大家不约而同地讨论 ”敏捷开发“的原因。

芯片成本结构里面很大的一块是EDA跟IP，尤其是在产品研发阶段，这是公司早期很大的一笔投入。全球的SDE/EDA和IP市场，加起来一共98亿美金左右，其中IP市场体量约36亿美金，而全球芯片销售总额约4700亿美金，IP在其中只有，区区0.8%。

但是，几乎所有人都在抱怨IP卖的贵，为什么？

张竞扬指出，核心症结在于过去的 “商业模式” ，在于收钱的时间节点太早。IP厂商的初始授权费+Royalty的模式，在手机市场还能行得通，但在物联网芯片市场，芯片公司刚成立，刚融到第一笔钱，开始做设计，买IP，这个时候，一上来就要收很多钱，打个比方，先收取100万美金。这100万美金对于一个初创的物联网芯片公司意味着什么呢？按照A轮融资出让25%的股权，融到500万美金计算， 在成立之初支付给IP公司的100万美金，意味着拿走公司 5%的股权 。就和买房类似，首付比例越高，购买的意愿度越低。

而且，这个收费模式在于假定（绝大多数）客户一定会失败，所以一定要把收费的始点提前，而且希望第一笔收的越多，才越安全。从这个角度来看，IP卖的贵吗？当然贵，因为客户还没有开始赚钱，就要付出很多钱，这样无疑抬高了芯片设计起步的门槛，如果融不到足够的钱，或者目标市场不够大，不能支撑前期IP的投入，故事就结束了， Up-front Cost 高首付扼杀了绝大多数的创意，逼迫芯片公司选择有共识的大市场，过度竞争杀到血海一片，而很多物联网芯片无人问津。

如何解决芯片“首付款”太高的痛点？

其实很简单。类似的问题，很多行业都遇到过，游戏行业尤为典型。过去，盗版游戏很多，后来的解决方案就是网络游戏，用户开始玩的门槛很低，几乎免费，但后续购买道具、购买装备、不断升级，反而为游戏公司创造了源源不断的营收。

所以今天摆在我们面前的，是一个巨大的机会。 EDA+IP上云，等于单机游戏网络化。第一个好处是延缓收费，如果实现IP上云，让客户不用在开始阶段就付大量的钱（降低首付），而是在芯片开始出货、开始赚钱的时候，再去分他的利润，这样可以大量提升芯片设计初始化率。

第二个好处是，如果大家的设计都在云端，基于IP设计完成的系统级芯片数据，又可能变成新的IP，这样IP可以不断地嵌套和生长，今天的IP市场规模只有不到40亿美金，其实是被远远低估的。今天，在许多芯片设计公司内部仍存在大量in-house IP的重复开发。一颗芯片产品中可能集成上百个模块，少数几个模块采购自IP厂商，大部分模块自主研发，自研的模块中，可能只有1/3做到了世界级水平，其他的性能一般，但也流片生产了。如果每家公司都是这样，那最终的芯片竞争力不能达到最优；但如果每家公司能把自己擅长的IP拿出来，和别人最擅长的IP相结合，芯片的效果会更好。 芯片公司因为云端IP授权的实时可控，会愿意授权内部IP，降低芯片研发风险，加速芯片的研发周期。如果大家都这样做， 今天40亿美金的IP市场可能成长到400亿美金。

“摩尔芯片云： 芯片生态协作赋能基础”

摩尔精英对于整个“芯片云”的规划将于下个月在中国集成电路设计业2019年会 (ICCAD 2019) 上正式发布，包含三块内容：

一是底层 基础架构（Infrastructure），这一层主要是今天的公有云厂商（AWS, Azure, 阿里云等均有技术布局和相关服务发布），提供网络、存储和算力；

二是 中间层平台（Platform），主要是在公有云的基础架构基础之上，针对芯片设计的需求搭建的软硬件、文件、工具的平台支撑层，这一层里面包括了CAD Flow, Reference Design, EDA, PDK, Emulator Cluster等。以CAD Flow为例，通过明确定义数据输入输出和设计流程优化，可以帮助芯片公司用初级工程师干高难度的活，从而提升效率。

“像AMD、英特尔这样的大公司，可能它百分之六七十的芯片设计是设计流程贡献的，Design Flow 团队里面，集中了大量的资深专家，甚至是顶尖科学家、院士（Fellow）。 ”

三是最顶层的 服务（Service），即在云端慢慢地形成服务生态，包括IP GitHub, Data Analysis，Turnkey Kits, Security等等。以IP GitHub（托管、交易、复用）为例，我们希望未来的芯片设计云上，不仅有IP厂商的IP，也有大量来自芯片设计公司的IP，大家只需要做自己最擅长的事情，让合作伙伴利用这些IP进行开发，形成完整的生态。

“芯片云的1.0形态——共享IT/CAD服务”

摩尔精英用近两年时间，打造了芯片设计的IT/CAD标准架构，并通过IT/CAD服务对用户设计环境进行标准化构建。今天绝大多数本土芯片公司对于该如何构建安全高效的IT/CAD环境仍然缺乏足够的知识和经验，所以我们在过去的一年半的时间里面帮助30多家芯片设计公司完成了设计环境的整体优化和提升。

这一套标准的IT/CAD架构具有很强的无缝扩展能力，可以很方便地接入云端，而不改变用户的使用习惯。云上和云下的资源构成了一个混合的、透明的设计环境，整个资源将根据用户的需求进行弹性分配，从而达到资源的高效使用和成本优化。也就是平时你可以用本地的服务器，但是当你需要更多算力的时候，或需要跟别人进行多方合作的时候，你不需要像以前那样频繁地拷贝设计数据，“混合云”形成了一个secure chamber，可以在安全级别定义框架下进行设计数据共享和设计协同。

“中国2000家初创芯片公司的本质是芯片产品部门”

根据中半协的统计数据，2018年中国芯片设计公司，只有208家超过1亿人民币营收，只有165家超过100人规模，占比不到10%。中国的2000家芯片公司（去掉前十大公司），加起来只有200多亿美金的营收，平均一家不到1000万美金；而国际上成熟芯片公司的体量大概是这些初创公司的一百倍，从产品线和营收体量的对比来看，差距是悬殊的。

为什么？因为国内近一半的芯片设计公司是近三年内成立的，团队规模较小，产品线相对单一，更像一个“芯片产品部门”。这些芯片创业的科学家，更像一个大厨，有一身高超的技艺，但让大厨出来创业开餐馆，浪费了很多精力，也并不擅长。

“迫切需要芯片全产业链的一站式服务平台”

芯片公司要完成设计，需要和产业链十几个环节的供应商打交道，谈判交易成本很高，初创公司没有经验，没有时间，也没有订单规模（成熟公司规模的1/100），来克服环节间的交易成本，所以中国的“芯片产品部门”想要突围，迫切需要芯片全产业链的一站式服务，来提升环节间效率。

这正是摩尔精英在努力探索的方向。我们通过 “ 人才赋能、设计赋能、生产赋能和企业赋能” 一站式服务，帮助芯片创业团队专注在他们的核心设计上，目标是把原来跟十个供应商打交道才能完成的芯片，在同一个服务平台上就能高效闭环。

在2018年的ICCAD会议上，张竞扬提出了一个阶段性目标，十年再造一个TI，希望十年后，能够实现百亿美金的营收。怎么做到呢？就像过去大公司通过统一后台来支持数百个研发部门一样，依托我们整合的一站式服务平台，去支持成千上百家独立的芯片设计公司。

在摩尔精英的生态链平台上，共享IP资源，共享销售渠道，调用整合的芯片工程实现能力、供应链生产能力和公司运营后台资源，并用这样的体系去支持上千家公司、几十万人，实现各自的芯片研发和销售。这就是我们理想中的，Powered by MooreElite. 通过全流程追踪的供应链认证和质量管控体系，让终端用户在摩尔严选芯片（IP+Chiplet+SiP）生态链平台上，买芯片放心，品质有保证。

总结一下， 敏捷芯片设计的关键包括4点。

1.底层技术稳定： 即工艺技术不能每18个月升级一代。当制程演进太快，芯片产品主要被底层技术推动升级；而今天已经具备了底层技术相对稳定的条件，摩尔定律的迭代变得越来越慢，十年、二十年的时间，足够我们建立一个新的协作体系。

2.市场需求碎片： 如果是过去PC和手机这样大一统的市场，大公司可以赢家通吃；只有碎片化的市场，对小公司和敏捷开发来讲才是机会，才有胜算。

3.生态协作赋能： 云计算技术和底层基础设施经过多年发展，已经越来越成熟，具备了支持敏捷芯片设计的条件，芯片行业也有越来越多的公司开始尝试和实践。

4.创业热情高涨： 需要更多的芯片创业公司和团队，因为小公司更加开放，更愿意变化，更愿意把自己的开发经验与别人分享，通过协作来最终创造产品。

我们希望实现的敏捷芯片设计目标是：把原来需要3500万投资、100位工程师、历时3年完成的芯片，降低一个数量级。

1.如何用1/10的资金做到? 答案在于充分复用芯片/裸片，一次芯片流片(Full Mask Tapeout)，可以在十个不同的产品中，通过系统级封装SIP的方式，反复地利用这些裸片，提升芯片设计NRE投入的产品化率。

2.如何用1/10的时间完成？ 那就必须要多用别人的IP，因为每个人都不比别人笨。如果想用10%的时间去做所有的事，世上没有这样的魔法；而如果90%的设计采用外部IP，自己的团队专注做10%的差异化部分，并且努力做到世界级的水平，最终的芯片性能反而可以胜出。

3.如何用1/10的团队实现？ 解决之道就是复用经验、复用研发资源。90%的设计用外脑，10%由自有团队设计。目前中国的芯片人才严重不足，我们应该鼓励一些优秀的人才，以芯片设计工作室的形态，凭借自己的经验和技术能力，赋能更多的公司和产品。

“摩尔精英，让中国没有难做的芯片”

摩尔精英的梦想是“让中国没有难做的芯片”，希望和志同道合的半导体人一起，早日变这个梦想为现实。

关于摩尔精英

摩尔精英公司是领先的芯片生态链平台，使命是“让中国没有难做的芯片”，提供一站式 “ 芯片设计服务、供应链管理、人才和企业服务 ”等专业服务，客户覆盖全球1500家芯片公司。我们致力于提升效率，赋能芯片公司用1/10资金、团队和时间完成芯片设计。

我们拥有 从180nm到8nm 的设计服务能力，支持Turnkey、NRE和驻场等灵活服务模式，提供从Spec/FPGA/算法到芯片交付，包括：架构规划、IP选型、前端设计、DFT、验证、物理设计、版图、IT/CAD PaaS、流片、封装和测试等服务。产品涵盖：消费电子、物联网、高性能计算、汽车电子、工业等。

摩尔精英目前全球员工超过300人，总部位于上海，在合肥、北京、深圳、重庆、苏州、广州、成都、西安、南京、厦门、新竹和硅谷等地有分支机构。

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