“全定制方法學(xué)”背后的礦機芯片“江湖”

一邊是比特大陸螞蟻礦機的停滯不前，一邊是比特微電子的神馬礦機的異軍突起；一邊是芯片制程工藝逼近物理極限，摩爾定律逐漸失效，一邊是比特微電子的基于全定制方法學(xué)的芯片，在能效比上的持續(xù)的成倍提升。這一切的變數(shù)的關(guān)鍵卻都是因為清華工程物理系博士楊作興和他的力推的全定制方法學(xué)。而這個年輕人，改變的不止是礦機芯片市場，或許還將影響半導(dǎo)體芯片行業(yè)的未來。

“全定制方法學(xué)”背后的礦機芯片“江湖”

2017年3月，深圳比特微電子科技有限公司（以下簡稱“比特微”）在成立8個月之后，就推出了基于“全定制方法”設(shè)計的礦機芯片的神馬M3，上市一個月就售出了1000臺，銷售額近千萬，全年銷售額超過5億。

比特微董事長、總經(jīng)理兼CTO楊作興告訴芯智訊：“我們?nèi)ツ甑匿N售是五個億，凈利潤是七千多萬，今年上半年也已經(jīng)有了十幾個億的銷售額，好幾個億的凈利潤，交了將近一個億的稅?！彪S著新的神馬M10的即將上市，楊作興更是信心滿滿：“M10目前的算力指標(biāo)是33T到35T，這是目前市面上最好的?！睏钭髋d預(yù)計今年比特微的銷售額將會突破30億元。

雖然今年以來比特幣價格持續(xù)走低，礦機市場景氣度大幅下滑，但是從比特微公布的銷售額數(shù)據(jù)來看，其礦機銷量仍處于快速增長當(dāng)中。

相比之下，比特幣礦機市場老大——比特大陸的螞蟻礦機的銷量卻遭到了重挫。目前螞蟻S9礦機的現(xiàn)貨價相比高峰時已跌去了近80%。而且，根據(jù)比特大陸2018年一季度公布總資產(chǎn)數(shù)據(jù)顯示，存貨為12.4億美元，超過了2017年銷售額的一半。這么大的庫存量，顯然，礦機銷量確實出現(xiàn)了下滑。而且今年二、三季度礦機市場更是低迷，比特大陸的礦機銷量進(jìn)一步下滑。

一邊是比特大陸礦機的銷量的大幅下滑，一邊是比特微的神馬礦機的異軍突起，冥冥之中，楊作興和他的全定制方法學(xué)，成為了其中的關(guān)鍵。

什么是“全定制方法學(xué)”？

下面這張圖上半部分的流程，就是我們目前大家比較熟悉的芯片的設(shè)計流程，用高級語言寫一個代碼，還有代工廠單元庫，綜合成一個門級網(wǎng)表，做好以后再產(chǎn)生時鐘，再布線，形成GDS。這就是傳統(tǒng)的芯片設(shè)計的流程。

眾所周知，目前的芯片設(shè)計公司乃至芯片代工廠，在芯片設(shè)計上制造上基本都是依賴于EDA(Electronic Design Automation，電子設(shè)計自動化)工具來進(jìn)行電路設(shè)計與仿真、自動布局布線，網(wǎng)表文件自動生成等等。

而楊作興提出的“全定制方法學(xué)”則打破了原有的芯片設(shè)計流程和方法。

首先，其針對自己的芯片應(yīng)用范圍和場景，采用了自己設(shè)計的單元庫。因為代工廠的單元庫是面向所有的客戶，做出來的東西要考慮各種應(yīng)用范圍，所以在一些局部特殊的場景的時候，可能在面積、功耗、功能方面不是最優(yōu)的。

第二，采用手動布局。在芯片內(nèi)部每一個地方都是寸土寸金，如果能夠?qū)鎴D里面的空余地方都利用起來，必然有助于提升性能。

第三，是時鐘優(yōu)化，傳統(tǒng)設(shè)計方法是時鐘相位離散性越小越好，但是在全定制里面卻是反過來的，所有的計算單元不要再同一個時間工作，要按照一定的規(guī)劃，錯峰執(zhí)行，這樣的話在功耗和速度方面會有很大的好處。

最后是手動門級網(wǎng)表，傳統(tǒng)的芯片設(shè)計是邏輯設(shè)計和物理設(shè)計分開做，寫代碼的人不知道單元庫是什么東西，不知道長什么樣，不知道自己的作品是什么樣的。工程師也不知道這個功能怎么一回事，中間有很大的隔閡。而全定制設(shè)計在這方面則是需要前后端耦合一起設(shè)計的。即在寫代碼的時候要求你必須要知道你所寫的器件的面積、功耗，速度，是不是唯一的，如果不是唯一的，要問一下有沒有更好的選擇。在設(shè)計一個庫的時候，你需要知道你跟誰連，線有多長，它的速度是多少，它的功耗多少，會不會不平衡。

這個事情很多人會覺得比較瘋狂，因為在芯片里面，幾千萬個器件的情況下，用手動去布效率將會非常低下。但是比特微還是這樣干了。

“有一些時候，不可能的事情它其實是有可能的，我們做了一個手動的布局，用自己的庫手動寫門級網(wǎng)表，手動布局，這就是全定制設(shè)計?！痹?月31日的2018第二屆集微半導(dǎo)體峰會上，楊作興針對其“全定制方法學(xué)”解釋稱：“當(dāng)然，我們并不是真的所有的都是一個個手動去布局，一些對性能影響很小的接口邏輯也可以自動布局。一般芯片的器件面積利用率能做到50%-70%，我們一般是做到50%-70%的手動，在我們?nèi)ㄖ评锩孀詈玫挠涗浭悄茏龅?7%。同時我們有一些自己的設(shè)計腳本，我們也在慢慢做自己的設(shè)計工具來加速這個過程。”

實際上，用通俗易懂的話來說，全定制方法學(xué)就是根據(jù)芯片的具體應(yīng)用領(lǐng)域和需求，在各方面都進(jìn)行定制化的設(shè)計，使得芯片內(nèi)部的每一個晶體管都能夠發(fā)揮出最優(yōu)的效果。

那么，同樣一個芯片，采用全定制方法學(xué)的設(shè)計周期，相比傳統(tǒng)采用EDA軟件設(shè)計的周期大概要差多久呢？

楊作興表示：“對于小芯片是差不多的，基本上3-6個月就可以完成，如果沒有做過的話大概需要6個月，對于比較大和復(fù)雜的CPU、AI芯片會慢一些，這需要一個積累過程。一個是IP積累，以前沒有這塊的IP，未來把這些編碼、簡碼積累起來；第二是會全定制方法的人很少，不是自己看個書就可以，要師傅帶徒弟，不能像以前看一下書就好了。這塊人才的積累更是需要時間的?！?/p>

初入礦機芯片江湖，“全定制方法學(xué)”大放異彩

時間撥回到2011年，當(dāng)時還在清華工程物理系讀博的楊作興開始接觸全定制方法學(xué)，并且實驗性的做了一款主頻900MHz的RFID TAG芯片，它有一個重要的特點，是無源的，所有的電能來自電磁波，從空中吸收電磁波，雖然這并不是全定制設(shè)計，只是采用手動門級網(wǎng)表，把幾千門的邏輯手動地寫了一下，但是效果非常不錯，功耗優(yōu)化了五倍，功耗×面積優(yōu)化比例達(dá)到了11倍。經(jīng)此一役之后，堅定了楊作興采用全定制方法學(xué)來設(shè)計芯片的決心。

2013年基于定制型ASIC芯片的比特幣礦機市場開始興起。2013年2月，比特幣礦機領(lǐng)域傳奇人物“烤貓”——蔣信宇成立的深圳比特泉信息科技有限公司推出了第一代比特幣礦機芯片和礦機，并很快獲得了成功。

2014年中，楊作興進(jìn)入礦機芯片設(shè)計領(lǐng)域，加盟了比特泉公司，希望通過自己“全定制的方法學(xué)”來幫助“烤貓”優(yōu)化其第三代礦機芯片BE300的能效比。

因為對于礦機芯片來說，除了礦機硬件之外，最大的成本就是電費成本，所以單位算力下的能耗是礦機芯片極為關(guān)鍵的指標(biāo)。

很快，楊作興利用全定制方法完成了自己針對BE300的優(yōu)化設(shè)計，但是隨后發(fā)生的事情卻讓楊作興始料未及——“烤貓”失蹤了，比特泉公司解散了。這也使得基于楊作興全定制方法學(xué)設(shè)計的優(yōu)化版的BE300沒能流片。

面對自己的心血付諸東流，楊作興非常的不甘。2015年楊作興帶著其“全定制方法學(xué)”與比特大陸技術(shù)負(fù)責(zé)人詹克團(tuán)進(jìn)行了交流，并很快以兼職的工作形式幫助比特大陸研發(fā)了螞蟻S7礦機的芯片——基于28nm工藝的BM1385。

根據(jù)楊作興公布的數(shù)據(jù)顯示，基于其全定制方法學(xué)設(shè)計的28nm礦機芯片（即比特大陸S7礦機搭載的BM1385）與傳統(tǒng)APR方法設(shè)計的礦機芯片相比，功耗優(yōu)化比例提升了1.71倍，成本優(yōu)化比例提高了2.5倍，功耗×成本優(yōu)化比例高達(dá)4.28倍。楊作興的全定制方法學(xué)第一次得到了成功驗證，隨著S7的大賣，成功幫助比特大陸在2015年開始一枝獨秀。

隨后，楊作興為了拿到比特大陸的融資來做自己感興趣的無源攝像頭芯片，再度幫助比特大陸設(shè)計了螞蟻S9礦機所采用的16nm的BM1387芯片，當(dāng)BM1387流片成功后，楊作興希望全職加入比特大陸，結(jié)果遭到了拒絕。雙方于是便一拍兩散。

自立門戶，“神馬”問世

在8月31日集微半導(dǎo)體峰會之后的，楊作興接受芯智訊采訪時也透露，當(dāng)時希望加入比特大陸，但是經(jīng)過5輪談判，股份一直沒有談妥。無奈之下，楊作興選擇帶著自己的全定制方法學(xué)自立門戶，于2016年7月創(chuàng)立了深圳比特微電子科技有限公司，很快“神馬礦機”也橫空出世。

楊作興接受芯智訊采訪

2017年2月，楊作興研發(fā)的新的28nm礦機芯片BT1000成功投片，2017年3月，基于該礦機芯片的礦機——神馬M3正式量產(chǎn)。

從前面那張圖上的數(shù)據(jù)對比我們可以看到，得益于楊作興的全定制方法學(xué)設(shè)計，比特微電子推出的神馬M3相比同樣采用28nm工藝、同樣由其采用全定制方法學(xué)設(shè)計的螞蟻S7，在功耗×成本優(yōu)化比例上，提升了近2.7倍。

今年5月，比特微電子的第二代16nm礦機芯片BT1800也正式投片，而基于這款芯片的神馬M10礦機也將于9月19日正式發(fā)布。

根據(jù)楊作興公布的數(shù)據(jù)（上圖）顯示，神馬M10與同樣由其采用全定制方法設(shè)計的礦機芯片比特大陸的螞蟻S9相比，功耗×成本優(yōu)化比提升了超過2.5倍。

楊作興表示：“神馬M10將是目前市面上最好的比特幣礦機！”

比特微的“起”與比特大陸的“落”

在比特幣價格持續(xù)低迷的當(dāng)下，單位算力功耗更低、硬件成本也更低的礦機產(chǎn)品的價值將更加凸顯，自然也成為了礦工們繼續(xù)“生存”的首選。

因此，我們也看到，去年全年銷售額只有5億的神馬礦機，今年上班半年銷售額就已經(jīng)猛增到了近十幾億，全年銷售額預(yù)計突破30億元，相比去年暴漲了600%。

值得注意的是，在楊作興與比特大陸分手之后，比特大陸除了有推出基于S1387進(jìn)行改進(jìn)的螞蟻S9i礦機外，到目前為止仍未推出新的礦機芯片和新的礦機。而之前處于研發(fā)當(dāng)中的比特大陸16nm BM1X89芯片、12nm BM1X90芯片、10nm BM1X93芯片設(shè)計都似乎以失敗告終，即便比特大陸的7nm的礦機芯片獲得了成功，但是在此之前，其主要競爭對手嘉楠耘智已搶先推出了7nm礦機芯片和礦機。這也使得比特大陸進(jìn)一步丟失了競爭優(yōu)勢。

更為要命的是，比特大陸的萊特幣礦機L3、以太坊礦機D3、Zcash Z9等技術(shù)指標(biāo)也被競爭對手所超越。而去年比特大陸推出的全新AI芯片Sophon BM1682在能效比上也遠(yuǎn)低于競爭對手。

從上面的財報數(shù)據(jù)也可也看到，今年一季度的時候，比特大陸的S9、L3、D3礦機都出現(xiàn)了毛利率的大幅下滑。雖然今年一季度S9的銷售數(shù)據(jù)還不錯，但是，因為此前比特幣市場火爆，導(dǎo)致比特大陸的礦機銷售大都是全額預(yù)售，大部分在2018年Q1記錄的收入實際上是來自2017年Q4的訂單。 而隨著今年以來，比特幣價格的暴跌，比特大陸螞蟻礦機價格大幅下滑，礦機銷量也出現(xiàn)了暴跌。據(jù)自媒體陶石資本研究表示，“比特大陸2018年Q1起碼有10億美金的收入來自于2017年，2018年的真實銷售最多11億美金左右，環(huán)比下滑65%以上”。

那么為何比特大陸在與楊作興合作了兩款芯片之后，仍未掌握“全定制方法學(xué)”，成功推出新一代的基于全定制設(shè)計的礦機芯片呢？

對此，楊作興解釋稱：“之前的芯片都是我自己做的。全定制方法學(xué)，對設(shè)計人員的要求很高，需要一流設(shè)計工程師，經(jīng)過項目磨煉后，才能夠掌握。在做的過程中，其實有一種說法比較好，叫做極致，其實就像喬布斯一樣，要做到極致和變態(tài)，把每個細(xì)節(jié)都做到極致。可以說全世界目前能夠完全掌握全定制方法學(xué)的不超過10個人。我們公司大概有1.7個，有一個（楊作興自己），有半個，還有一個算是三分之一個。”

一邊是神馬礦機的異軍突起，一邊是比特大陸的沉寂。而這一切的變數(shù)的關(guān)鍵卻都是因為楊作興和他的全定制方法學(xué)。而這個年輕人，改變的不止是礦機芯片市場，或許還將影響整個半導(dǎo)體芯片行業(yè)的未來。在8月底的2018第二屆集微半導(dǎo)體峰會上，楊作興還信心滿滿的表示：“全定制方法學(xué)將完全能夠繼續(xù)推動摩爾定律前行5-10年?！?/p>

“全定制方法學(xué)”將成“摩爾定律”前行新動力？

早在20世紀(jì)70年代，英特爾公司創(chuàng)始人之一戈登·摩爾就提出著名的“摩爾定律”，即“當(dāng)價格不變時，集成電路上可容納的晶體管的數(shù)目，約每隔18-24個月便會增加一倍”。與此同時，計算機性能通常也將提升一倍。

自摩爾定律提出之后的幾十年，整個半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)也確實按著摩爾定律在持續(xù)快速的前進(jìn)，但是自28nm之后，摩爾定律便開始呈放緩態(tài)勢，其所帶來的經(jīng)濟效益也開始降低。

2014年上半年，英特爾的14nm工藝才正式發(fā)布（二季度末才量產(chǎn)），而此時，距其22nm發(fā)布的時間，已經(jīng)過了近2年半。一直在奮力推動摩爾定律的英特爾首次出現(xiàn)了時間點上的推遲。隨后英特爾從14nm走向10nm的過程中，再度遇到了困難，量產(chǎn)時間一拖再拖，預(yù)計2019年才能正式量產(chǎn)。

雖然今年上半年臺積電的7nm工藝已經(jīng)量產(chǎn)，但是臺積電的7nm工藝實際上與英特爾的10nm工藝相近。而接下來的5nm、3nm甚至是1nm，或許仍然還有路可以走，但是這毫無疑問將會更加的困難。

而更為令人悲觀的是，雖然隨著工藝的提升，晶體管密度還可以進(jìn)一步增加，但是能夠帶來的性能提升或功耗的降低卻越來越少。比如從28nm到16nm，面積縮小了40%，速度提高了30%-40%，但是如果選擇提升速度，那么功耗就沒法降低多少。而在28nm之前，每一代制程工藝的升級，功耗都能夠降一半多，面積降一半多，速度提升一倍多。但現(xiàn)在，這樣的好事情已經(jīng)一去不復(fù)返了。

除此之外，隨著工藝制程從10nm向5nm、3nm、1nm的繼續(xù)演進(jìn)，所需要付出的代價也更具高昂。摩爾定律所帶來的經(jīng)濟效益可能也將會不復(fù)存在。

此前，國外Semiengingeering網(wǎng)站曾發(fā)布過一篇工藝和芯片開發(fā)費用的文章。文中指出28nm節(jié)點的芯片開發(fā)成本為5130萬美元；16nm節(jié)點則需要1億美元；7nm節(jié)點需要2.97億美元；5nm節(jié)點，開發(fā)芯片的費用將達(dá)到5.42億美元；由于3nm還處于最初期的開發(fā)階段，所以其開發(fā)成本至今還難以確定，3nm的開發(fā)費用有可能超過10億美元。此外，晶圓廠建設(shè)同樣需要大量的現(xiàn)金支持，這將進(jìn)一步拉高芯片的制造成本。

顯然，隨著制程工藝的不斷逼近物理極限，芯片開發(fā)成本也急劇增長，如果芯片廠商沒有足夠的實力，芯片出貨沒有足夠的出貨量，將很難承擔(dān)高昂的成本。

在“摩爾定律”的推進(jìn)越來越困難，甚至“摩爾定律已死”的說法越來越被外界所認(rèn)可的當(dāng)下，包括英特爾在內(nèi)的眾多半導(dǎo)體企業(yè)和專業(yè)也紛紛寄希望于“架構(gòu)創(chuàng)新”來實現(xiàn)“超越摩爾”。

而所謂的“架構(gòu)創(chuàng)新”此前芯智訊在《聯(lián)電/格芯相繼放棄7nm，后摩爾時代如何超越摩爾？》一文當(dāng)中就指出，主要有以下三個方面：1、芯片工藝由原來的2D轉(zhuǎn)向2.5D/3D堆疊；2、內(nèi)核架構(gòu)上的創(chuàng)新，比如采用非馮·諾伊曼系統(tǒng)架構(gòu)。主要包括ASIC（寒武紀(jì)1A、谷歌TPU等）、FPGA和部分新型GPU（Nvidia的Tesla系列等），以及類腦芯片（IBM的TrueNorth、英特爾的Loihi等）；3、異構(gòu)的SoC片上系統(tǒng)。

而楊作興提出的“全定制方法學(xué)”則似乎成為了以上三種方式之外的一種全新的“架構(gòu)創(chuàng)新”方向。

可以看到，由楊作興采用全定制方法學(xué)設(shè)計的S7、S9、神馬M3、神馬M10，每一代產(chǎn)品的推出，與同樣制程工藝的采用傳統(tǒng)APR方法設(shè)計的礦機芯片相比，在功耗×成本優(yōu)化比例上，都提升了4倍以上。這遠(yuǎn)超出了單純依靠先進(jìn)制程工藝所帶來的提升。

而且全定制方法學(xué)并不僅僅適用于ASIC礦機芯片，也同樣適用于CPU、GPU和AI芯片。同樣，楊作興也希望將全定制方法學(xué)從比特幣礦機芯片領(lǐng)域，進(jìn)一步擴展到其他芯片領(lǐng)域。楊作興表示：“全制定方法學(xué)，會先在虛擬貨幣和AI領(lǐng)域成為主要方法學(xué)，然后逐步擴展到手機、PC、服務(wù)器和IoT領(lǐng)域。全定制設(shè)計目前雖然是手動，但是也進(jìn)入到模塊化的概念，只是跟以前模塊不一樣的地方，以前的模塊只有邏輯信息，沒有物理信息，現(xiàn)在除了邏輯信息，還有物理信息，這樣一層一層壘出來?！?/p>

“之前我們做芯片基本都是要依靠EDA軟件，但是以后的芯片設(shè)計可能更是要精雕細(xì)刻去做，每個細(xì)節(jié)都要恰到好處。未來設(shè)計芯片是要做藝術(shù)品！”在楊作興看來，全制定方法學(xué)帶來了芯片設(shè)計上的創(chuàng)新，將有望繼續(xù)推動摩爾定律前行5-10年。

“近幾十年以來，一直是我們的芯片代工廠，是他們帶動我們這個行業(yè)迅猛發(fā)展，但是他們現(xiàn)在累了，現(xiàn)在輪到我們做芯片設(shè)計的工程師為這個產(chǎn)業(yè)作貢獻(xiàn)的時候到了。在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)遇到瓶頸的時候，我們設(shè)計師應(yīng)該扛起這個大旗繼續(xù)前行。我認(rèn)為這個里面有很大的空間，這個空間能夠使摩爾定律再前行五年十年，我覺得是有希望的。”在楊作興在講臺上慷慨講完這段話之后，臺下的瑞芯微董事長勵民率先鼓起了掌。