Регулярные изменения в методах реализации электронных систем идут в форме двух взаимно дополняемых процессов. Первый связан с изменениями в производственной цепочке создания полупроводникового кристалла. Второй определяется развитием инструментов и методов проектирования. Обычно изменения инструментов проектирования связаны с повышением уровня абстрактного представления системы в соответствии с усложнением кристаллов согласно закону Мура, учетом новых физических эффектов, которые стали оказывать заметное влияние на параметры приборов, а также созданием новых алгоритмов, способных поддерживать достаточно высокую скорость проектирования системы.

Эра интегрированных производителей

До начала 1980-х гг. проектирование полупроводников было полностью сосредоточено в компании-производителе приборов, которую сейчас принято называть интегрированным производителем (IDM). Инструменты проектирования были примитивными: моделирование схем и разработка топологии на основе полигонов. Проектирование выполнялось на уровне транзисторов и полигонов. Весь проект выполнялся внутри интегрированного предприятия. Практически вся добавленная стоимость создавалась на этом предприятии. Однако сведения о принципах проектирования полупроводников просачивались в научные и исследовательские лаборатории и подготавливали почву для нового этапа развития средств проектирования.

Эра ASIC

В 1980-х гг. создание бизнес-модели на базе ASIC-компании и внедрение инструментов проектирования кристалла на вентильном уровне привело к демократизации процесса создания чипа. Начальная стадия проекта, на которой собирались требования пользователей и формировался проект технического задания, передавалась из полупроводниковой компании в специализированные системные компании, а завершающие этапы проектирования оставались в ASIC-группе полупроводниковой компании. Специализированные ASIC-компании, в частности LSI Logic и VLSI Technology, зарабатывали деньги благодаря своим эффективным программным пакетам разработки. Добавочная стоимость продукта создавалась в основном системными компаниями, которые обладали ценными знаниями на системном уровне, и САПР-компаниями, которые сконцентрировали обширную базу данных о способах проектирования полупроводников на базе своих инструментов разработки.

Эра fables-компаний

В 1990-х гг. моделирование, синтез и создание топологии кристалла стали хорошо отработанными процессами, что позволило системным компаниям отказаться от услуг ASIC-компаний и взять на себя весь цикл проектирования, а затем запускать проект в производство на специализированных полупроводниковых фабриках уровня TSMC. К концу этого десятилетия стоимость конкурентоспособных фабрик и стоимость разработки процессов стали предельно высокими, поэтому полупроводниковые компании перестали строить новые фабрики, и возникла гибридная бизнес-модель: fab-lite. Добавленная стоимость была равномерно распределена между САПР-компаниями, системными компаниями, fabless-компаниями и кремниевыми фабриками, причем каждая из них была вполне успешной.

 Эра доминирования прикладного ПО

В 2000-х гг. главным двигателем полупроводникового бизнеса стал потребительский рынок, т.к. впервые аудио- и видеосистемы были реализованы на кристалле, и стала широко внедряться беспроводная связь. Этот рынок стал стимулировать ускорение цикла проектирования конечного продукта и оказывать давление на его стоимость, что существенно усложнило проектирование. В результате системные компании в основном отказались от проектирования кристаллов, сосредоточив усилия на системном проектировании и прикладном ПО и отдав проектирование снова в полупроводниковые компании. Некоторые центры разработки систем, например, Nokia, даже преобразовали свои группы по проектированию кристаллов в поставщиков полупроводниковых приборов. Полупроводниковые компании стали ориентироваться на создание стандартных продуктов, предназначенных для определенного сектора рынка, например, для беспроводных систем, а системные компании начали специализироваться на системном и программном проектировании, в частности в области радио-технологий.

Система стала строиться на базе стандартных узлов и прикладного ПО. В полупроводниковой компании проектирование кристаллов выполнялось в основном на уровне RTL с возможностью повторного использования, что привело в конечном итоге к появлению понятия IP-блоков. Для проектирования таких чипов потребовались знания на уровне системы, поэтому полупроводниковые компании должны были использовать полный набор программных инструментов всех уровней. Сегодня в компаниях, которые называют себя полупроводниковыми, соотношение между числом программистов и специалистов по аппаратным средствам зачастую доходит до 2:1.

Эра виртуальной перекомпоновки системы: сегодня и завтра

В настоящее время наблюдается новый этап развития методов и инструментов проектирования полупроводников. Системы стали сложными, но наряду с этим имеется и огромное число доступных полупроводниковых IP-блоков. Если позволяют требования по мощности потребления и производительности системы, то она реализуется путем создания ПО для каждой части рабочего задания и выполнения этого задания на специальном процессоре. Сейчас построение системы осуществляется на уровне блоков, выполняющих определенное программное задание.

Кристаллы в значительной степени структурированы, причем в центре расположен процессор, а IP-блоки представляют собой периферийные узлы, соединенные с процессором с помощью сложной системы межсоединений, и образуют так называемые  сети-на-кристалле (Networks-on-Chip – NIC). Проектирование таких систем выполняется на программном уровне.

Поскольку единственной задачей системы-на-кристалле является выполнение программного задания с необходимым быстродействием и приемлемым уровнем энергопотребления, то системные компании имеют большой потенциал по оптимизации системы-на-кристалле с тем, чтобы запускать на ней специализированное ПО.

Хорошим примером в этом отношении служит чип A4 от Apple, используемый в iPad. Вместо использования стандартных продуктов, как было сделано в ранних версиях iPhone и MacBook, компания Apple создала собственный кристалл для ускорения работы ОС iOS и приложений с малым энергопотреблением. В сущности, компания Apple сама спроектировала чип A4 в качестве оптимизированной подсистемы для запуска специальной программной задачи и в результате сохранила большую долю добавочной стоимости продукта.

Другим примером является Playstation 4, при изготовлении которого компания Marvell Semiconductor выступила в роли fables-поставщика кристалла ASIC, который не предназначен для широкого распространения. Таким образом, компания Sony сохранила у себя большую долю добавочной стоимости и отдала Marvell ровно столько, сколько нужно было для разработки кристалла.

Системные компании могут получить дополнительные возможности путем слияний и приобретений (M&A). Например, компания Apple приобрела компанию-разработчика чипов Intrinsity за $121 млн. и заинтересована в приобретении других полупроводниковых компаний (ходят слухи об ее интересе к CSR и даже к ARM). Корпорация Intel приобрела WindRiver и McAffee. Oracle купила Sun и, что выглядит еще более невероятным, объявила о том, что собирается приобретать и полупроводниковые компании. Все это обусловлено желанием иметь наибольшую долю добавленной стоимости. И самое главное – это является подтверждением того, что приоритет в проектировании отдан программному обеспечению. Большая часть ПО для чипа уже существовала в предыдущих версиях системы, и при создании новой системы задачей является использование этой части. Так, в сотовых телефонах используется множество программ, которые появились десять лет назад.

Сегодня задача системы-на-кристалле заключается в том, чтобы обеспечить оптимальную работу программного задания. Следствием такого подхода является то, что множество алгоритмов, которые реализованы на уровне кремниевого кристалла (в отличие от микропроцессора или DSP-процессора), написаны на C или C++, а не на RTL.

Проектирование системы-на-кристалле заключается в создании матрицы из процессоров, межсоединений, памяти и периферии таким образом, чтобы можно было запустить конкретное ПО. «Запуск» ПО может означать компилирование программы в бинарный код и сохранение его в памяти или сокращение кода под конкретные возможности кремниевого кристалла. Для приложения это обеспечивает преимущества с точки зрения производительности, энергопотребления и стоимости (площади кристалла).

Автор: Джеймс Хоган (James Hogan), консультант технологических компаний