石賢帥:新基建下,區塊鏈+晶片的創新探索

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本文為“融合創新”系列講座第一期,Altran亞創半導體事業部總監石賢帥先生分享了“新基建下,區塊鏈+晶片的創新探索”。錯過直播的小夥伴,別錯過下文!

非常感謝萬向區塊鏈蜂巢學院的邀請,今天晚上很高興有機會和大家分享關於區塊鏈+晶片的話題。今天的主題是“新基建下,區塊鏈+晶片的創新探索”。

在目前形勢下,晶片是非常重要的一個話題,國家層面也很重視,前幾天我看到國務院釋出了新一輪的扶持政策。在這樣的背景下去討論今天的話題是非常有意義的。

我本人在晶片行業已經工作了將近20年,主要從事大規模積體電路的設計,以及管理、市場方面的一些工作。我對區塊鏈技術也非常感興趣,我對區塊鏈的理解是區塊鏈完成的事情就是在虛擬世界的價值轉移。

下面正式進入到今天的主題。

實際上區塊鏈和晶片都包含在新基建內容裡,整個新基建最初的時候有七大類:5G基站、大資料中心、交通、工業網際網路、物聯網閘道器、充電樁、人工智慧,後來區塊鏈也加入了。

大家在這張圖上可以看到,晶片扮演了非常重要的角色,每一個新基建的分類都離不開晶片。比如說你看到像CPU、GPU,在大資料中心、人工智慧、區塊鏈都會用到。FPGA在基站裡面,包括人工智慧、區塊鏈也都會用到。像一些感測器,在工業網際網路、物聯閘道器方面也是非常重要的應用。

晶片實際上是所有這些行業的基石,為什麼會這樣呢?我個人認為晶片是在人類這麼多年曆史以來非常重要、成功的技術。它之所以這麼重要的原因實際上是它足夠便宜。怎麼理解呢?因為整個晶片的器件做的非常小,小到比如說像最先進的7奈米工藝,它在一個平方毫米的這樣小面積上面能夠塞進去1億多個二極體。你們可以算一下,一個二極體的成本幾乎是0。

我之前參加過的一個活動聽到一位老師說,半導體技術還能夠再發展100年,那意味著從事半導體行業的人暫時還能夠繼續發揮作用。

下面我的分享會按照這三部分:一、晶片的設計和製造流程;二、晶片在區塊鏈中的應用;三、區塊鏈在晶片行業中的應用展望。

我先介紹下晶片設計的流程。和其他的一些技術一樣,開始都是來自於市場的需求,所以一般來說我們會有市場研究之後的市場規格書,然後演算法人員會把規格書轉換成架構的設計,然後進入RTL編碼,實際上和軟體也比較類似。

我舉個小的例子,Verilog是RTL語言的一種,下圖裡實現了一個簡單的加法器。晶片是並行執行的,意味著如果輸入有變化,比如說這裡X、Y一旦有變化,整個語句就會被呼叫。

晶片設計和軟體不同的地方是整個晶片的製造工藝是非常昂貴,動不動就幾千萬美金,甚至上億美金的研發成本和生產成本。如果出現哪怕一小點的問題,都會造成要重新生產。所以這裡有個步驟叫RTL模擬,就顯得非常重要。現在行業裡面,驗證工程師和設計工程師的比例會是3:1左右。

整個RTL模擬好之後會進入邏輯綜合,最佳化和掃描插入環節。這個概念是什麼呢?軟體實際上是把程式碼最後編譯成組合語言,在硬體中是“邏輯閘”,所以要把程式碼編譯成如圖中這樣。最早實際上在設計晶片電路的時候,都是手工去畫邏輯閘,你們可以想象這效率是非常低的,後來規模變大之後,抽象層次提高,我們會用設計語言來做設計。

這裡掃描插入是說在生產製造過程中間會引入些製造上的問題,在整個晶片製造好之後要能去測試它有沒有製造上的問題,所以這裡測試的不是功能問題。

下一個步驟叫形式驗證,把RTL級別的語言和邏輯閘進行對比,這中間可能因為工具或人為會引入些錯誤,所以需要去做形式化的對比,保證這兩個功能是一致的。

接下來是佈局後的STA(靜態時序分析),為什麼有這樣的步驟?因為在器件中速度肯定是有限的,因為有延遲等,所以不可能達到無限的速度。也就是說在電路中都會有一定的速度。那靜態時序分析就是為了驗證這些邏輯能夠在這樣的時間中完成。

時序正確之後,下一步會進入佈局、佈線、版圖的階段。這裡是一個版圖例子,密密麻麻很多線,實際上是在矽片上把“門”給擺上去,比如說這個“門”要擺在哪裡,那個“門”要擺在哪裡,肯定是有些講究的,其中至少保證所有的線路都能夠塞進小小的矽片中。目前的工藝,金屬層可能會到十幾層,圖的右下角是一個做好的晶片金屬層的例子,你會看到這個線就像房子一樣的密密麻麻。

佈局路線要分兩個階段:第一,比較粗地把全域性的線布好;第二,比較詳細布線的階段。總之是把我們的邏輯最後放到矽片上面。

布好線之後,有真實的延遲後要重新做一遍靜態時序分析。整個晶片設計流程大概是這個樣子,實際上會非常複雜。

設計好之後進到製造階段,製造分為前道工序和後道工序,前道工序等於是在矽片上做的一些事情,後道工序是做封裝、老化測試等。

第一步是把多晶矽在石英爐透過高溫溶化,透過石英棒拉出單晶矽來,下面就是單晶矽棒。接下來用金剛石刀切成一片片的Wafer,Wafer經過拋光打磨實現非常光滑的鏡面效果,放在石英爐裡進行氧化處理,上面附上了一層氧化矽。再滴上光刻膠,之後透過旋轉塗均勻,這裡麵包含一個非常重要的步驟光學掩摸板,做掩摸、刻蝕。

荷蘭有一家公司叫ASML,他們一臺光刻機能賣到1億美金的價格,說明工藝非常複雜,因為要能在矽片上刻出5nm、7nm這麼小的圖案。

光照好之後會做刻蝕,把它挖出了二極體圖案。再經過離子注入的工藝之後,形成了Wafer,Wafer經過拋光處理,下一步做些正級/負級的電級來。因為中間所有過程可能會引入一些製造上的問題,所以在矽片上Wafer上會用測試機做測試,保證做出來的一個個die上的功能是好的,如果不好的標出來,好的做切割。

後道工序,剛剛看到的Wafer上的矽片已經一個個都做好了,用金剛石刀切成一個個die。這裡看到的只是一種簡單的封裝形式,隨著工藝的發展,封裝也變的非常複雜,die放在引線框上,把晶片上的管腳用金線拉到引線框上,等於可以導電了,外面的電源、訊號可以輸入/輸出,下一步封上樹脂或者陶瓷,你們看到的外面晶片真正矽的部分很小,只是一小塊兒。下一步是成型,因為晶片在系統裡要用很多年,所以會做老化實驗,人為製造惡劣環境,能夠把製造過程中的缺陷提前暴露出來,老化之後還會繼續做一些測試,把壞的片篩掉。這些步驟之後,下面會用鐳射打一些Maker,這就是你們看到的晶片情況。

大家經常聽到SoC、FPGAs、ASIC等各種各樣的用語。因為晶片規模很大,有IP的概念,設計晶片不是從頭開始設計會用現成的,像ARM等其他IP來進行整合。積體電路只是半導體產業裡的一部分,可以分為微處理器、邏輯IC、儲存器,像MPU、NCU、DSP都是處理器,邏輯IC裡有ASIC、以及其他IC。

大家會看到很多種晶片像CPU、GPU、FPGA、ASIC。ASIC是專用的積體電路,區別是從CPU到ASIC,靈活性越來越差,但是效能跟功耗會越來越好,因為ASIC是專門給特定的領域設計的。

下面介紹一下晶片在區塊鏈行業裡的應用。

安全晶片

最基本的是安全晶片,左上角是產品,當中有MCU、符合金融級認證的安全晶片。一般來說,會在當中支援安全演算法,包括ECC256、SHA256和AES256,很重要的是支援真隨機數發生器,晶片能保證發生隨機數是真隨機,區塊鏈的安全都是建立在金鑰安全性上。包括支援各種簽名曲線、安全作業系統、抗外部攻擊(電壓減壓、溫檢、光檢、主動防護層檢測、抗DPA/SPA)。私鑰的安全性非常重要,包括生存、儲存以及交易資訊時保證運算都在安全晶片裡執行。

在上面的右圖是比較完整的系統,包含安全晶片、作業系統、硬體平臺等。應用領域蠻多的,像數字資產安全存放、智慧合約應用、物聯網裝置標識、身份認證等,我認為安全晶片是區塊鏈裡的基石。

加速器

比如說交易簽名和驗籤,用CPU來做的話效率會非常低,進行加速會非常有意義。像共識的加速、智慧合約引擎加速等。我看到的一個案例是區塊鏈解除安裝引擎,是插在伺服器上,有pcie介面、高速乙太網介面,驗籤效能可以提高5倍左右。

右邊的是區塊鏈加速IP,可以支援各種ECC曲線,可以應用在很多應用場景當中,並且對IP來說是可以用在FPGA裡,也可以做到ASIC裡,也可以在雲端伺服器做應用。包括排程模組,透過pcie把運算操作排程給PK Engines。

最近螞蟻鏈釋出了螞蟻鏈一體機,當中用的是平頭哥玄鐵910的risc-v core,號稱是全球第一個硬體隱私保護的解決方案,也是第一個針對區塊鏈智慧合約專用處理硬體。

主要功能是密碼卡(安全晶片)、區塊鏈網路共識加速,包括智慧合約處理,現在智慧合約量還沒有那麼大,未來量變得很大的話,用硬體來處理是非常有意義的。可以看一下加速的資料,並行處理量非常強。

宇鏈推出了雲+鏈+晶片一體化的案例,晶片也是安全晶片。右邊是NB-IoT的板子,這是物聯網的應用。區塊鏈在當中實現身份識別、資料包加密跟通訊結合在一起。現在物聯網應用非常廣,是區塊鏈在行業應用裡用的比較成熟的一塊。

上面介紹了晶片在區塊鏈裡的應用,接下來簡單展望一下區塊鏈在晶片行業裡會有哪些潛在應用。

IP保護

在晶片行業、積體電路行業裡IP資產扮演非常重要的作用。IP的資料很多時候安全性是大的問題,現在雲端計算在軟體行業裡非常成熟,在晶片行業裡的EDA把工具和IP上雲還不是那麼普遍。如果透過區塊鏈能解決這方面的智慧財產權、IP保護的問題,相信能加速IP和EDA上雲的發展。

設計資料版本保護

設計會有很多版本管理,有些時候會發生版本管理不善,拿到了錯誤的版本,造成生產製造花了很多冤枉錢。區塊鏈的雜湊運算會對這一塊兒很有幫助。

工業網際網路

有一個例子,中微公司是做半導體裝置在科創板上市的公司,他們也在研究基於區塊鏈構建半導體行業工業網際網路。基本上他們做的是供應鏈跟上下游透過區塊鏈協同的工作,企業使用者可以在平臺上做可信資料交流、零部件質量控制和溯源工作,沒有特別說半導體,就是行業的應用。

以上大概是我今天的介紹,希望大家聽了講座之後對晶片的設計、製造有一定的概念,大概瞭解晶片在區塊鏈行業裡有哪些應用。希望未來在半導體行業裡能夠用到很多區塊鏈先進的技術。謝謝大家。

互動問答

問:區塊鏈晶片和通用晶片有什麼區別?

石賢帥:晶片會用在各行各業裡,有一些比較通用的晶片像CPU/GPU,可以用在很多行業裡。我認為區塊鏈晶片有很多種,安全晶片、加/解密、加速,給區塊鏈做了定製的晶片,除此之外沒有特別的區別,從設計流程到應用方面沒有特別大的區別。

問:5nm現在是否已經量產了?

石賢帥:據我瞭解已經量產了,臺積電有些客戶已經有生產5nm的晶片了。

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