Fire megatrender å følge med på innen IC-design

Til tross for usikkerhetene i det nåværende økonomiske og geopolitiske landskapet, var 2022 et fantastisk år for elektronisk innovasjon, og jeg er sikker på at vi i 2023 vil se fortsatt innovasjon i markedet for IC- og elektronisk systemdesign. Her er noen megatrender i bransjen som jeg synes er verdt å følge med på i året som kommer.

Megatrend 1 – Flere systemleverandører blir vertikalt integrerte og designer ICer

For ti år siden sto systemleverandører for omtrent én prosent av IC-produksjonskapasiteten. I dag står de for over 20 prosent. Et større antall systemselskaper i et bredere spekter av bransjer utvikler sine egne ICer. Hvorfor?

Økonomi

Det er først og fremst to store trender som driver systemselskaper til å designe sine egne ICer. For det første, på basisnivå er det et økonomisk problem. En større prosentandel av verdien av systemet fanges opp i halvledere, så naturlig nok er det et ønske om at systemselskaper skal samle mer av denne verdien og designe sine egne ICer.

Differensiering

For det andre, og kanskje enda viktigere, er muligheten for internt designede halvledere til å skape innovative og differensierende systemverdier. Alle dagens avanserte elektroniske systemer er "smarte". Men hvordan du bruker den innvevde intelligensen og optimaliserer ytelsen til enhetene dine for å oppnå denne intelligensen er nøkkelfaktorer for både å differensiere et produkt og forbedre produktets lønnsomhet. Et godt eksempel på å utnytte IC-design for større systemverdi er Apple. For mange år siden tok selskapet en beslutning om å gå til 64-bits dataprosessering, før alle andre applikasjonsselskaper. De gjorde det ikke for den ekstra adresseplassen i 64-bit, men for å ha mer effektiv og mindre strømkrevende minnetilgang. Med andre ord, det tillot dem å tilby mobile enheter som kjørte raskere og lenger enn konkurrentene. Konkurrentene deres fulgte etter.

AI i kanten

Mange selskaper ser til AI og ML på alle nivåer av systemdesign for å legge til større grader av differensiering til systemene sine, og til slutt gjøre systemene deres smartere enn konkurrentens produkter. Etter hvert som vi ser at mer AI blir en del av kantbaserte enheter, finner vi ut at de ledende selskapene på dette området oppnår større grader av differensiering ved å bygge sine egne optimaliserte AI-akseleratorer i stedet for å bruke hyllevare AI-akselerator IP. Dette lar bedrifter optimalisere systemene sine for den beste generelle systemfunksjonaliteten og ytelsen, samtidig som det gjør det vanskeligere for konkurrentene å følge raskt etter.

Megatrend 2 – Holistisk systemdesign (sammensmeltingen av elektronikk-, mekanikk- og programvareverdener i omfattende digitale tvillinger)

Disse smartere elektroniske systemene (som jeg refererte til ovenfor) utvikles i økende grad i en virkelighetsbasert systemkontekst. Enten det er applikasjoner som autonom kjøring, 5G-nettverk eller initiativer av typen chip-to-city, gir det større grader av differensiering å vite hvordan systemet vil prestere (mot forventninger) i nærvær av virkelige innganger og virkelige utganger. De to største hindringene for IC-industrien når det gjelder å muliggjøre full autonom kjøring, er strømforbruk og å bestemme hvor mye prosessering som kreves når systemet beveger seg gjennom et komplekst miljø i den virkelige verden.

Må testes

I sin tur forsterker disse utfordringene behovet for omfattende digitale tvillinger som er i stand til å modellere hvordan komplekse elektromekaniske systemer vil fungere i dette komplekse, virkelige miljøet. I et fullstendig autonomt miljø vil dette komplekse elektromekaniske systemet styrt av programvare måtte fungere i et større nettverk av andre systemer – i et komplekst økosystem. Det må testes uttømmende i den virtuelle verden før det testes i den virkelige verden og distribueres kommersielt. Se etter mer fokus og fremskritt på denne fronten i året som kommer.

Megatrend 3 – 3D ICer på vei mot mainstream-tilgjengelighet og den potensielle fremveksten av brikkebiter, chiplets

3D IC-design er spennende på mange nivåer. På et IC-nivå kan det gjøre det mulig for halvlederselskaper å utvikle mindre silisiumbrikker samtidig som de gir flere kjente gode brikker per silisiumskive (wafer), da en mindre prosentandel vil bli negativt påvirket av tilfeldige defekter. Og på systemnivå gjør 3D IC det mulig for bedrifter å oppnå nye nivåer av miniatyrisering og redusere stykklistekostnader. Men, langt viktigere, 3D IC gjør det mulig for designteam å plassere eller stable forskjellige typer ICer - SoCer, analoge ICer og minne-ICer (hver implementert i sine ideelle prosessnoder) for å oppnå høyere nivåer av systemytelse og funksjonalitet enn det som er mulig i konvensjonelle kretskort eller til og med SoC-konfigurasjoner.

Systemtankegang

Designteam finner ut at 3D IC krever en systemarkitektonisk tankegang. Det krever ikke bare planlegging på systemnivå på tvers av flere substrater, men også en integrert designløsning som tar hensyn til IC-, pakke- og kretskortnivådesign, analyse og test – ikke bare på hvert nivå (IC, mellomlag, pakke og mønsterkort) av designfasen – men alle sammen, helhetlig. Ideelt sett krever det også en løsning som tar hensyn til mekaniske påkjenninger, forsyningskjeder og sporing og styring av alle disse dataene sammen. Så det er verdt å shoppe rundt for å se hvilke leverandører som tilbyr den mest omfattende holistiske 3D IC-løsningen, som omfatter IC, mellomlag, pakke-til-kretskortdesign, analyse/test og mekaniske-, forsyningskjede- og bedriftselementer.

Chiplets

Etter hvert som 3D IC blir mer mainstream, er det bransjeomfattende momentum for å lage en ny industristandard for "chiplets" eller brikkebiter - små ICer som enkelt kan plugges inn i standard mellomlag for 2,5D IC- design, eller oppå hverandre i 3D-konfigurasjoner (tenk silisium LEGO).

Standardorganer som UCIe ble etablert i 2022 for å utvikle et økosystem som forhåpentligvis vil gjøre plug and play-funksjonene til brikkebiter til en realitet. Det er viktig for EDA-selskaper å være aktive i disse anstrengelsene for å sikre at IC-verktøypakker gjør det lettere å lage standardkompatible, sokkelklare brikker, og at deres større 3D IC-løsninger også gjør det. Det er mange utfordringer for designindustrien å ta tak i, men forhåpentligvis vil de harde lærdommene fra dannelsen av IP-industrien i bransjen på slutten av 1990-tallet føre til en raskere etablering av formelle standarder som gjør det mulig for brikkebiter å bli en ny blomstrende industri, noe som vil føre til nye systeminnovasjoner drevet av 3D IC-integrasjon.

Megatrend 4 – AI & ML er nå allestedsnærværende i EDA-verktøy, og åpner for mer EDA-innovasjon

Det er nå klart at AI og ML har blitt et betydelig verktøysett for algoritmer som EDA-selskaper kan utnytte for å løse kundeproblemer. Det spenner fra aspekter av ekte innovasjon – å lage produkter som ville vært umulig før – til mindre fikseoperasjoner der AI blir brukt for å omgå problemer med eksisterende tilnærminger. Et eksempel på sistnevnte er når selskaper bruker AI og ML for å korrigere manglene ved verktøyene deres fordi de av natur ikke er godt korrelert til en gitt silisiumsmies prosessregler. Vi kan forvente at denne bruken av AI og ML fortsetter og rett og slett blir en normal del av det vi alle har under panseret i verktøyene våre. Det vil være interessant å se om AI og ML kan begynne å ta på seg en rolle som folk har en tendens til å forestille seg – altså at det ikke bare skal bli en bedre måte å gjøre raske analyser og en raskere måte å utforske designrommet på, men et verktøy som faktisk gjør det mulig å skape design – for eksempel generativ design i det mekaniske området. Det er ennå tidlig, men noe å se etter i 2023.