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2年猛赚20亿,这家初创公司的清华博士揭秘“全定制”芯片设计法
wangying | 2018-09-08 09:52:40    阅读:19053   发布文章

在日前厦门海沧举行的“2018集微半导体峰会”的“AI/5G论坛”上,矿机(区块链服务器)及其芯片的黑马——深圳比特微电子有限公司的董事长、总经理兼CTO杨作兴博士登台,介绍了新的全定制设计方法,并称采用该方法设计的16nm区块链芯片BT1800,与竞品相比,功耗和成本均降低了50%左右。该芯片将用于9月19日发布的神马M10矿机,算力指标是33T到35T。

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        据悉,成立只有2年出头的比特微迄今营业额已累积达18亿元,主营业务是矿机,核心是芯片。为何比特微的全定制芯片如此高效?其设计方法学是否可以推广至其他芯片设计领域?会上,杨作兴博士作了报告《全定制设计——AI和区块链的基石》,会后,电子产品世界记者采访了他。
        新的“全定制设计方法”
        全定制设计不是新方法,其诞生于上世纪八九十年代,后来被兴起的EDA(电子设计自动化)工具所掩盖。
        其实,仍然有些公司在用全定制设计方法学,例如高通、苹果等公司的手机芯片也许还在采用这种方法,但很少对外界说。
        全定制有几个特点。下图是业内通常采用的芯片设计流程,方法是由高级语言写代码,还有代工厂单元库,综合成门级网表,然后做自动布局,然后再用工具生成时钟,之后再布线,形成GDS。 2.png         全定制设计有三个不同地方,如下图。
        第一是不用代工厂的单元库,用自己的单元库。为什么用自己的单元库?因为代工厂的单元库是面向所有客户的,要考虑所有应用的范围,所以在一些局部特殊的场景下,可能在面积、功耗、速度方面不是最优的。 3.png         第二逻辑综合。杨博士现在又重新回到手动写门级网表的时代。
        第三是看似最笨的一件事情,就是手动布局。很多人会觉得这比较疯狂,我们做PCB(印制电路板)的时候,有几块芯片、几百个电阻电容,对它们进行手动布局。但是在芯片里,在几千万个单元器件的情况下,有谁会傻到用手动去布?但是有些时候不可能的事情其实是有可能的,比特微进行了手动布局,用自己的库手动写门级网表,称之为“全定制设计”。当然还有比这更极端的,据说高通公司能够做自己的PDK MODEL,是除了代工厂之外能够自己做PDK MODEL的公司!
        全定制的优势
        比特微做了三个实验,可以说明全定制好在哪里。
        第一个实验是2011年做的900MHz RFID TAG(射频识别标签)芯片,它有一个重要特征:是无源的,所有的能量来自电磁波,从空中吸收电磁波。此时还不是全定制设计,杨博士只做了一件事:把几千门的逻辑手动地写下来。结果功耗优化了5倍,功耗×面积优化比例达到了11倍。
        第二次实验是在2015年(当时做了一个28nm的BTC(比特币)芯片。之前的APR方法做出来的功耗是513W(如下表),友商全定制的方法达到了300W,功耗×成本优化比例达到了4.28倍。采用比特微的全定制方法设计后,与APR方法相比,同样的功能、工艺下,功耗和成本减少了一半,功耗×成本优化了11.88倍。 4.jpg        第三次实验是在两年后的2017年,在16nm上尝试BTC的芯片应用。比特微又把功耗优化到了65W,功耗×成本优化比例达到了5.54倍(如下表的黄色字)。 5.png

        如何实现全定制设计?   
        这里有四个关键点,第一是单元库,第二是手动布局,第三是时钟,第四是手动门级网表。 6.jpg        *单元库。比特微做的库的功耗、面积、速度有很大优势。但是有些很特殊应用环境,如果处理不好会出问题。比特微的库从28nm到16nm,做了所有的库。
       *手动布局。一般APR方法是做到50%~70%,在比特微全定制里最好的记录是能做到97%。因为在比特微的设计里,每个地方都是寸土尺金,不能让版图里有空档。
       *时钟。传统设计方法是SKEW越小越好,但是在全定制里是反过来——所有的寄存器不能在同一个时钟相位工作,需按照一定的规划错峰执行,这样在功耗和速度方面会有很大的好处。
        *门级网表。需要前后端耦合在一起设计,其难度较大。因为传统的芯片设计是逻辑设计和物理设计分开做,各部门存在一定的隔阂。例如写代码的人不知道最终单元器件是什么样,不知道自己的作品最终是什么样。后端工程师也不知道这个功能是怎么一回事。而全定制设计在写代码的时候要知道你所写的器件的面积、功耗、速度是不是唯一的,如果不是唯一的,要问一下有没有更好的选择。在设计一个器件的时候,需要考虑你需要跟谁连,线有多长,它的速度是多少,功耗是多少,会不会不平衡等问题。
        “全定制设计方法”可推广到其他领域
         全制定方法学会先在虚拟货币和AI领域成为主要方法学,然后有可能逐步扩展到手机、PC、服务器和IoT领域。全定制设计虽然是手动,但是也使用模块化概念,只是与以前的模块有不一样的地方。以前的模块只有逻辑信息,没有物理信息,现在除了逻辑信息,还有物理信息,这样可以一层层垒出来。

        虚拟货币领域从2013年开始,中国力量最开始是参与,到2015年的时候,中国力量开始领先,到今年——2018年时,在全世界做虚拟货币的只有中国力量。相信全制定方法学可以帮助中国力量在世界半导体历史上起到一个中坚力量。

        设计业可以靠“全定制”扛起摩尔定律大旗
        从28nm到16nm、10nm、7nm,甚至到未来的5nm……,半导体工艺一代代地演进,但是也即将遇到一个残酷的现实,虽然在每18个月内,半导体工厂/代工厂非常辛苦地让我们的晶体管数量在单位面积里不断增加,但是我们悲观地发现,虽然工艺在进步,但是带来的好处却越来越少,例如从28nm到16nm,面积缩小了40%,速度提高了30%~ 40%。而同样电压下的功耗没有什么改善。而在28nm之前的好处是功耗降低了一半,面积缩小了一半多,速度增加一倍多。但目前来看,这样好事已经一去不复返了。
        现在轮到做设计工程师为这个产业作贡献的时候了,而且设计里还有很大的挖掘空间,能够接替制造业,继续扛起摩尔定律大旗,使摩尔定律再前行五年、十年。
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       *全定制与人的关系极大 
        实现这种全定制方法与人有很大关系,对工程师的悟性要求非常高。之前我们做芯片喜欢用EDA工具,以后更要精雕细刻地去做,每个部分都要恰到好处。
        实际上,有两样东西需要积累,一个是IP。二是会的人很少,不是自己看书就可以学会,要师傅带徒弟,所以人才的积累是需要一点时间的。杨作兴博士认为两三年、五年、十年应该可以培养出这样的人才。
        但是在做小芯片方面,全定制和EDA工具两种方法的效率差不多。例如全定制芯片三个月到六个月完成(注:全新的约是六个月完成)。对于未来,比较大的CPU、AI芯片,全定制方法会慢一些,需要一个过程。

       *区块链对芯片的需求
        区块链对芯片的需求主要有两个,一个是做BTC,一个是做ETH,例如比特币、ETH等这些适合做ASIC。
        比特微的第一代芯片是BT1000,也是有1亿颗的销售量,现在要推第二代——16nm的BT1800芯片,但是比目前同行号称16纳米的性能高一些,功耗约是同行的一半,成本大概低50%。
        所以全定制很大性能的拓展潜力。如上文所述,杨作兴博士也是通过两年时间超越自己1倍。为什么能超越?就是因为两年间有一些新的想法加进来。

       *区块链与AI的关系

        谈到区块链与AI的关系,杨作兴博士认为区块链解决的是生产关系,AI是解决生产力的问题。因为区块链是解决信任问题,因为区块链用技术的力量把制度写到代码里,这个系统没有人可以运行,使机器也非常可信。AI最重要的是要解决生产力的问题。人工智能现在有N个应用,但杨博士认为最好的应用是在工业中提高生产效率方面,这是对人类影响最大的一个地方。
       *比特币走势
        当前比特币的价格下滑,未来市场走势如何?杨作兴指出,比特币市场周期很大程度是跟四年减半有关系的,当时是在2016年减半,减半以后,2017年猛涨。此前的2012年减半,然后2013年又涨了,猛涨完了以后熊了一年,今年是猛涨之后又可能会熊一年。
我们做电子产品的人看重是这个产品是不是解决刚需。杨博士对比特币的未来充满了期待,也许比特币会跌好几倍,但是未来还会再涨N倍。
       *下一步AI芯片的规划
        AI是比特微的重要方向,计划2019年开始试着做。比特微在等两个东西,第一个足够的资金,因为做芯片挣钱是很难的,例如杨作兴博士从2001年做芯片到现在,在方舟、中星微等多家公司工作过,深切地体会到挣钱的艰辛,所以一直在考虑芯片如何盈利。尽管AI是重要的方向,但是AI要赚钱要等待应用和算法成熟。而且做芯片和算法都是非常艰苦的工作,不像软件——一个19岁的学生就可以做,做芯片没有一二十年的经验积累是不行的。所以比特微将坚持芯片与算法合作的策略。算法公司是AI行业的先进者,希望他们先帮芯片公司多趟趟雷。前期肯定不容易,特别是做芯片,芯片的特点是不能有任何改动,芯片出去了以后就再也动不了了。
        那么,现在有很多算法公司自己在推芯片,是不是做AI芯片的时间点快到了?杨作兴博士指出,不是说多少人做芯片,时机就到了。比特微的想法很简单,比别人的功耗低就行了。

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图:AI与比特币芯片是近4年最受资本青睐的领域(来源:GSA,VentureSource,PitchBook及Mentor Graphics分析)

        *为何目前只有中国在做比特币芯片?

        搭载比特微芯片BT1800的神马矿机产品今年9月19日将会对外发布, M10矿机产品目前的指标是33T到35T,这是目前市面上性能最高的。

        为何目前只有中国在做比特币芯片?实际上,芯片看似简单,但是难的是实现,即便有些大公司人很多,但也无济于事,就好像特种兵一样,不需要很多人,不是靠堆人堆出来的。
        集成电路领域需要最顶尖、极致的人才。因为芯片行业与其他行业不同,别的行业都有产业壁垒,而我们芯片行业没有,需要精品。芯片制造工艺到了7nm以后,每个产品的销售量需要上亿才合算,而能上亿的爆品很少,目前来看也就手机能上亿,PC销量已在下滑了。所以未来每个领域有一个顶尖的人领头做芯片就可以了,全世界有十来个领头的就够了,没有必要搞十几万人做设计。
        *比特微2017年有数亿元的净利润
        比特微2016年成立。含矿机在内的业务,第一年销售了4.3亿元,净利润7千多万;2017年上半年有13亿元的销售额,有几亿元的净利润,上缴了近1亿元的税。
        *中国是做产业的沃土
        很多人创业成立公司是有海归背景——在国外做了一二十年,但是杨作兴博士一直在本土做芯片设计。为何他当年没有选择出国,他成功的资本是什么?杨作兴博士称,做产业的话,还是在国内做比较好,因为很多同学从国外回来创业,与此同时,国内同学已经搞了10来年了,积累了丰富的经验。
        杨作兴博士最大的感受是:在自己没钱的时候特别想有钱,等到有钱的时候就想做点事情,为这个产业做点事情。杨博士希望全定制方法学在区块链和AI中起到更大的作用。
        关于受访人杨作兴博士及比特微、集微大会,请参考以下新闻背景资料。
        清华博士从业二十余年
        杨作兴先生是清华大学工程物理系博士,具有20多年芯片、硬件设计经验,历任多家公司芯片/硬件工程师、技术主管、CTO、总经理、董事长等职务,积累了丰富的芯片、硬件设计经验,独创全定制低功耗、高性能芯片设计方法学,在多款芯片上成功应用,并取得商业上的成功。杨作兴博士同时也拥有丰富的技术管理、业务管理、公司经营经验。
        2016.7-现在 创建比特微,任董事长、总经理,兼CTO。主导设计28nm低功耗高性能区块链BT1000芯片,其应用的产品销售额约20亿元RMB。第二代16nm芯片BT1800芯片,功耗和成本业界领先,预计可创造约100亿元销售额。
        2015-2016.6 以兼职身份,采用自创的全定制设计工程方法,主导北京比特大陆公司设计了S7、S9、L3三款区块链矿机专用芯片,功耗和成本当时业界领先,其产品S7、S9、L3为其公司创造利润20亿、200亿、20亿元RMB。
        2014.3-2015.2 进入区块链行业,创建深圳高德麦纳科技有限公司,后进入深圳比特泉科技,任IC设计首席工程师,将自创的芯片全定制设计工程方法,首创应用到区块链芯片设计,功耗和成本降低了50%,引领行业技术方向。
       比特微成立2年,主做区块链服务器及ASIC
        深圳比特微电子科技有限公司(以下简称“比特微”),成立于2016年7月,主营业务为区块链、人工智能等领域专用集成电路芯片及产品/方案的研发、生产及销售,并提供相应的系统解决方案及技术服务。
        比特微研发团队拥有多名清华、北大等名校博士、硕士,平均有15年以上的知名集成电路和通讯公司芯片设计、产品的成功研发经验,创始团队是国内最早将专用集成电路引入区块链计算设备领域的团队之一,比特微现有研发人员占公司的40%以上。
        比特微是一家芯片设计和产品公司,拥有完整的设计流程和大量自主核心技术,核心技术涵盖了算法、集成电路微结构的精细优化、低功耗技术、高级芯片封装技术、系统级供电与散热技术等。这些核心技术和工程方法在公司的区块链服务器芯片和产品的量产中得到成功验证和应用。
        比特微现阶段主要产品为区块链服务器及其专用集成电路芯片,其自主研发的芯片产品,相对业内之前所使用的GPU方案和FPGA方案,大幅提升了计算性能、降低了系统成本,在区块链计算领域具有明显的竞争优势。比特微除了目前所专注区块链领域外,响应国家芯片战略,根据公司发展战略和规划,正计划通过自主研发、战略合作等形式,将其芯片及产品核心研发能力向人工智能等其他重复并行计算领域探索延伸。

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图:金融(金融服务、保险、金融科技)将是未来区块链市场中最大的部分(来源:IHS Markit,2018年7月)

         “第二届集微半导体峰会”厦门举行
        中国厦门2018年8月31日  由集微网、中国半导体投资联盟、厦门半导体投资集团有限公司主办的第二届2018集微半导体峰会在厦门海沧隆重举行。峰会以“产业资本的风向标”为主题,规模更胜首届,近千名来自中国半导体行业的高管、投资机构高层以及各地政府高级公务人员参与了本次会议,共同探讨中国集成电路产业的投资与发展大计。

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yubinwu  2018-09-25 20:02:25 

沒有那麼複雜,因為通用的FPGA做具體應用時,總有一些邏輯沒有用上 並且哪些邏輯沒有用上,也是知道的 把這些無用的邏輯砍掉,可以降低功耗,就是所謂的定制。 關鍵是需要有量,和足夠的利潤,這才是決定要不要定制的因素

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