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打造通透性環境 為市場成長支撐力量
矽谷電子產業高峰會現場報導

【作者: 歐敏銓】   2003年05月05日 星期一

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《圖三 ARC國際技術行銷副總裁David Fritz》
《圖三 ARC國際技術行銷副總裁David Fritz》

電子產業已蓬勃發展多年,至今仍被視為是明星產業,這和它的技術不斷演進息息相關,而技術的改朝換代往往能刺激市場的需求,進而帶動經濟的成長。即使景氣已歷經兩年的低迷,但電子技術上的發展腳步卻從未停頓下來,不少業者更加碼投資,相信市場的復甦期已不遠,而惟有掌握技術,才能在下一波的競賽中脫穎而出。


目前電子業,尤其是上游半導體業的技術革新方向為何呢?在這次的「電子產業高峰會」中,若要一言以蔽之的話,無疑就是“系統單晶片(SoC)”這個主題。SoC的探討已久,但不論從技術或市場的角度來看,或許從未像今日這般定位明確、迫切,而且愈來愈可行。


以下將就半導體矽智財(SIP)、微處理器及奈米製程等三個面向,針對此次議程中的數個座談會內容進行報導及剖析,並更進一步說明SoC設計時代與這些議題的關聯性。


《圖四 Tensilica總裁Chris Rowen認為,未來處理器的價格會降到一元以下,因為需求會愈來愈廣,甚至是網路、影音加/解碼等各個應用元件中,都有各自的處理器核心。》
《圖四 Tensilica總裁Chris Rowen認為,未來處理器的價格會降到一元以下,因為需求會愈來愈廣,甚至是網路、影音加/解碼等各個應用元件中,都有各自的處理器核心。》

半導體業SIP需要更通透環境

座談會來賓

3DSP公司市場行銷副總裁Duane Smith

ARC國際執行長Michael Gulett


Tensilica公司資深市場行銷副總裁Bernie Rosenthal


矽智財(SIP)與SoC設計可以說是唇齒相依。所謂的系統單晶片,顧名思義即是將包括微處理器、邏輯區塊、記憶體、週邊介面,乃至於類比、混合訊號(Mix-signal)等功能都放到一顆IC當中;這些功能原本都由一顆顆的分散零件來提供,如今要整合在單一的矽元件中,只有靠IP的模式來把他們兜在一塊。


目前要開發一顆功能齊備,而且合乎成本效益的SoC晶片,仍然不是容易的事,這主要是和不同功能的製程需求不同有關,如一般邏輯功能以CMOS為不二選擇,但類比功能與混合訊號功能就因不同的考量,而可能得採用GaAs、SiGe等不同的製程。而即使同樣是記憶體功能,Flash與DRAM都難以整合在一顆單晶片之中。


Tensilica副總裁Bernie Rosenthal相信這些製程上的問題會陸續被解決,而當前要先克服的,則是同樣在CMOS下,各個邏輯IP之間的整合問題。目前各家的IP有各自的作法,除了造成相容性低外,另一方向則是過於硬體化,難以修改或重覆使用。這對於SoC的發展來說,確實是一大障礙,除非是像TI、ST或NS等少數掌握大量IP及擁有晶圓技術的大廠,才能較容易推出SoC產品;一般IC設計公司幾乎是可望而不可即。


因此,Bernie呼籲,業界需要更多開放性的作法,包括由大廠來推動更多開放式的平台、採用高階的語言(如C、C++)來替代彈性低的現行語言、訂定IP互通的介面標準等,而最重要的是,即使很困難,電子業界仍需要發展一套貫穿整個產業,涵蓋半導體業及系統廠商、軟體與硬體設計者的設計方法學(Methodology),這樣才能更有效率的溝通與設計。


Bernie也指出,目前產品的變化速度加快、需求功能增加,因此標準式的IC將愈來愈不敷使用,而就水平或垂直性的設計來說,客製化的要求都會愈來愈高;在此情況下,IP的彈性(Flexibility)與可重覆使用(IP Reuse)會是IC設計的大勢所趨,這也促使具備可程式性(Programmable)、可重置性(Configurable)及共通介面的軟體式IP成為市場的明日之星。


在電子產業中,即使面對市場投資的衰退,IP供應商的成長表現仍高於其他領域甚多,尤其是像提供處理器核心這類明星級IP(Star IP)的公司。ARC執行長Michael Gulett指出,IP公司往往因專注於某項技術而獲得市場肯定,其資本規模相較於一般IC公司可能不大,但隨著市場的成長,客戶愈來愈需要更完整的解決方案,這時IP公司就擴大規模的議題。


Michael表示,未來IP公司要能維持獲利性,以確保長時間的生存,產品具有互補性將成為重要的關鍵,如處理器廠商除了其核心IP外,還得掌握USB等週邊介面的IP,才能維繫客戶的忠誠度。也就是說單一元件IP的提供商將很難生存,這個市場將出現一波波的合併風潮。


透過設計服務(Design service)公司來整合各家的IP,也是這個產業未來的趨勢之一,但3DSP副總裁Duane Smith認為這個模式目前還存在許多瓶頸,短期內的市場規模不會很大,而且只在少數地方較為可行(筆者按:例如IC公司林立的台灣地區)。


至於IP對IC業者或系統業者的影響,Duane認為最大的好處,自然是提升設計的便利性,讓業者能更快地發展出具有特色的產品,而對於小公司來說,更能從IP的使用上獲得好處。Duane表示:「我們或許不知道客戶的產業應用Know how,其實也不需要知道,但我們要做到的是幫助他們解決設計層次的問題,進而為客戶創造價值。」


嵌入式微處理器將無所不在

座談會來賓

AMD運算產品部門副總裁兼技術長Fred Weber

ARC國際技術行銷副總裁David Fritz


IBM PowerPC產品行銷經理Kalpesh Gala


Tensilica總裁兼執行長Chris Rowen


目前3C市場中,過去獨領風騷的PC資訊市場已呈現成長趨緩的情況,相較之下,通訊與消費性的市場則表現亮麗,尤其是一些可攜式的產品,如手機、PDA、DSC、MP3等等,更是市場上的熱門商品。這些明星商品的特色就在於輕、薄、短、小,但又不失多樣性的功能;要達到這些特色,就得靠像SoC這樣的整合技術才得以實現。


在這類較小型的電子產品當中,處理器仍是內部系統中的核心所在,但和PC中一顆獨大的CPU不同的是,這類產品的處理器是屬於嵌入式的,也就是會被整合到控制晶片當中。這樣的控制晶片,也可以說是廣義的SoC。而這個嵌入式的市場,正是IP業者最能發揮而競相角逐的市場,其中又以微處理器核心為最有利可圖的當紅IP。


在嵌入式微處理器的市場中,雖然有ARM這樣的重量級廠商,但它不像Intel一般能獨霸市場,再加上這個市場的需求變化快、市場成長也大,因此除了暨有的ARM、MIPS及IBM等廠商外,近來也吸引了PC領域的兩大業者──Intel及AMD加入,並有強調技術創新的ARC及Tensilicon兩家新手一同進場。在上述的業者中又可分為兩大派別,一派是採硬體核心的Intel、AMD及IBM,另一派則是採軟體核心的ARM、MIPS、ARC及Tensilicon。


Tensilica總裁兼執行長Chris Rowen指出,目前嵌入式系統中,微處理器的發展具有以下趨勢:在設計案例上,邏輯閘數以每年30%的速度在成長;在操作的速度上增長更快,可程式指令數(Programable Operations/s)每年都成長65%;此外,在電源上則邁向1Μw/MIPS。


他認為這反應了市場上對微處理器的需求,但依現有的產品、技術,這些需求將會碰到很大的瓶頸,因此需要用革新的技術與觀念來實現。例如採用高階語言來依特殊應用自動化產生處理器(Automated Processor Creation),並且能做到多顆處理器的平行運算架構。


在價格上,處理器一向是高價位的零件(或IP),約1至10美元,佔產品成本極高,但Chris相信未來處理器的價格會降到一元以下,因為需求會愈來愈廣,甚至是網路、影音加/解碼等各個應用元件中,都有各自的處理器核心。


他認為目前已被業界廣泛應用的高階語言(C、C++)是促成微處理器更高彈性、更低價格的關鍵,也就是由軟體來產生硬體,並保有在矽製程後仍能修改、更新(configurable)的極大優勢。在此一共通語言的基礎下,不但IP的互通性可以被確保,而且能做到上述依客戶需求來定義及產生特定處理器的客製性,不論是大、小的設計案都能各取所需。


同樣是提供可重置性(Configurable)微處理器核心的ARC,雖然也認同高階語言對設計便利性的重要,但ARC副總裁David Fritz卻認為要讓高階語言真正進入普遍應用的成熟階段,還有很長的一段時間。因此,在系統面的考量下,ARC更強調提供完整的解決方案來符合市場的需求。


除了核心的處理器IP外,ARC也自行開發USB 控制器、802.11MAC/BB、乙太網路MAC等週邊IP,並提供相關的作業系統及網路堆疊協定,以及必要的軟體開發工具。但週邊的IP眾多,要完全掌握是緣木求魚,因此,ARC認為要更快的拓展市場,一是做好夥伴關係,二是讓自己的產品更具開放性,而惟有「開放」,才能帶來更多的生意。


至於電子業界的藍色巨人IBM,在嵌入式市場雖說不上是舉足輕重,但其老字號的PowerPC也有其一片天。由於要熟悉並善用嵌入式處理器不如一般零件那樣容易,所以設計者對某系列的處理器往往相當忠誠,非必要不會另投他營。此外,不同的處理器能在市場上存活下來,自有其特色,往往不是單從一些測試數據中可以比較出來的。而IBM的PowerPC是Intel及AMD宣布進入嵌入式市場前就已屹立多時的硬體式核心,除了其處理效能評價甚高外,IBM的後台服務更是不能小覷。除了早已發展出針對此系列處理器的完整開發工具外,IBM更具備ASIC服務大廠的身份,IBM PowerPC產品行銷經理Kalpesh Gala即表示,在愈來愈複雜的設計案中,客戶需要更完善的環境與服務,而這些,都是IBM不可取代的競爭優勢。


《圖五 TSMC Andrew J. Moore博士指出,就技術革新的程度來看,從0.18微米進入0.13微米時,比起現在要進入奈米的時代還困難;今日所要面對的是截然不同的挑戰,其中最主要的問題就是系統整合。》
《圖五 TSMC Andrew J. Moore博士指出,就技術革新的程度來看,從0.18微米進入0.13微米時,比起現在要進入奈米的時代還困難;今日所要面對的是截然不同的挑戰,其中最主要的問題就是系統整合。》

奈米製程的新挑戰

座談會來賓:

Cadence資深副總裁Ted Vucurevich

Synopsys資深副總裁Antun Domic博士


TSMS行銷經理Andrew J. Moore博士


Magma產品工程副總裁Tim Burks


技術的演進與市場的需求,正是互為因果的兩面,而今日嵌入式市場對SoC的迫切需求,希望在更短的時間內,達成量產的要求,並且要是最小的風險,這除了會促使IP可用性的提升外,也是將IC製程推向新世代的主要動力。


在CMOS的製程上,現在已進入0.13微米的時代,在邏輯閘數上則已突破五千萬閘,這已能提供相當可觀的高階設計了,但並不是所有IC設計公司都能同步跟進,因為隨著閘數的增加,高階設計除了更高成本的門檻外,在每個設計階段中更存在著許多的設計風險,如果不小心出錯,所有的投資可能會付之一炬,而得從新再來過。而到了90奈米的時代,一個晶片的邏輯閘數將動輒上億,其設計的難度可想而知。


TSMC Andrew J. Moore博士即指出,將製程再推到90奈米的階段,時日已不遠;TSMC估計明年就能開始量產。但Andrew也表示,其實就技術革新的程度來看,當初從0.18微米進入0.13微米時,存在銅製程轉換等大幅的革命性議題,說起來比起現在還要困難;而今日要進入奈米的時代,所要面對的是截然不同的挑戰,其中最主要的問題就是系統整合,也就是如何將許多大異其趣的功能放到一個晶片當中。目前有能力又有意願提升到此一高階製程的公司還相當有限,請參考(表一)。


Synopsys 資深副總裁Antun Domic博士也指出,奈米製程的挑戰,包括時脈終結(Timing Closure)的困難、訊號完整性(Signal Integrity)、多電壓的設計需求,以及佈局、測試、修復,乃至於光罩生產的良率問題等等。Antun表示,EDA工具在奈米製程中無疑會是重要的推手,但要扮演好這個角色,也得面對幾項挑戰。


首先,在線徑極限的表現上,EDA的設計工具在廣度及深度上都得提供更大的完整性,而目前有此能力的廠商愈來愈少;其次是未來多數的IC將同時兼具數位及混合訊號IP,但要做到這樣的SoC設計,業界需要有統一性的資料模式或互通性的數據庫,才能達成,這也是Cadence與Synopsys先後推動開放式數據庫(OpenAccess與Milkyway)的原因;第三點則是驗證上的挑戰,這需要發展統合性的驗證方法學才能克服。


Cadence資深副總裁Ted Vucurevich也強調,未來的設計環境會更加複雜,每個階段會需要不同的工具與平台、語言與技術、測試與模式,如果出錯,整個設計又得從頭開始。因此EDA公司需提供統合性的設計環境,包括對不同設計語言(Verilog、VHDS、AMS)的包容性,及涵蓋系統層次、區塊層次的完整性功能驗證與測試。


表一 IC設計公司轉移製程生產意願比例
晶圓製程 客戶轉移生產意願比例
90nm 0.6%
0.13 33.7%
0.15 2.5%
0.18 42.1%(mix-signal)
0.25 9.8%
>0.35 11.2%
資料來源:TSMC 2003

結論

儘管以上指出不少的瓶頸,但有挑戰總比沒挑戰好,因為失去了挑戰就註定成為夕陽產業,而在危機、困難的環境中,更能展現產業活潑的生氣,也讓有遠見、有實力者能脫穎而出。


這些看得見的技術挑戰其實不難克服,只要是市場利之所趨,總有人會前仆後繼地投入,問題總會解決。但所謂的市場需求,卻充滿更多的變數,在今日全球經濟環環相扣的體系下,任何地方的一個事件,都可能牽一髮而動全身,例如當前的美伊戰爭,或SARS風暴,都不是可預期或掌握的。


即使是備受注目的手機無線通訊市場,雖然相較於其他領域仍屬於高成長的市場,在晶片的設計整合上也履有突破,但其表現仍離預期甚遠。此次會議中,包括ADI、Motorola、RFMD與Califonia MD等公司對此市場前景也提出不少討論,但多只能在技術上多做著墨,若要論到如何讓手機進入業者所勾勒的美好寬頻Mobile Internet時代,卻非他們力所能及,因為這還牽扯到複雜的經營模式(Business model)及利益分配等問題。


如此看來,從事技術研發者,所面對的問題還算是單純、可控的,這或許算不上是「引領景氣復甦」的決定因素,但可以肯定是經濟成長的一股穩定力量。所以不管景氣未來如何擺盪,專心做好技術的突破、發展更便利無礙的設計環境,應該就是功勞一件了。從矽谷到台灣,何嘗不也是如此?


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