Tìm kiếm thành công trong ngành với vai trò nhà thiết kế chip

Tôi đã là nhà thiết kế mạch tích hợp chuyên dụng (ASIC) trong gần ba thập kỷ. Trong khoảng thời gian đó, tôi đã trải qua toàn bộ quá trình học thuật, từ nghiên cứu sinh đến giáo sư chính thức; sau đó, tôi chuyển sang ngành công nghiệp sau một thời gian khởi nghiệp không thành công. Khi tôi chuyển sang khu vực tư nhân vào năm 2019, tôi bắt đầu tập trung vào một khía cạnh cực kỳ quan trọng của ngành điện tử: sở hữu trí tuệ silicon (silicon intellectual property). Có tới 80% diện tích vật lý trong các chip tiên tiến nhất hiện nay được chiếm bởi các khối không được sản xuất cho các sản phẩm cụ thể hoặc thậm chí không được thiết kế bởi các công ty hướng đến người tiêu dùng đã chế tạo chúng. Thay vào đó, các nhà sản xuất chip dựa nhiều vào IP silicon đã được thiết lập từ các công ty như Arm, Cadence, Rambus, Synopsys và công ty tôi đang làm việc, Silicon Creations. Trong suốt sự nghiệp của mình, tôi đã thiết kế chip cho nhiều mục đích khác nhau, bao gồm hỗ trợ chương trình nghiên cứu trong phòng thí nghiệm học thuật của tôi và mở rộng danh mục IP của công ty tôi. Khi tôi gia nhập Silicon Creations, tôi không biết ngành công nghiệp tiếp cận thiết kế IC khác biệt như thế nào và đã gặp phải một đường cong học tập dốc. Ban đầu, có vẻ như phần lớn hai thập kỷ nghiên cứu và đào tạo học thuật của tôi không trực tiếp áp dụng vào vai trò này. Tôi đã phải học các kỹ năng mới và áp dụng một tư duy mới. Ngày nay, nhu cầu về ASIC đang tăng nhanh, được thúc đẩy bởi nhu cầu về chip chuyên dụng trong lĩnh vực ô tô, các ứng dụng AI và nhiều lĩnh vực khác. Theo một ước tính thị trường, thị trường ASIC dự kiến sẽ tăng từ 23,4 tỷ USD lên 38,8 tỷ USD vào năm 2033, và ngành công nghiệp bán dẫn nói chung được dự báo sẽ đạt 1 nghìn tỷ USD vào năm 2030. Ngành công nghiệp cần nhiều nhà thiết kế chip hơn – nhưng nếu bạn đến từ môi trường học thuật như tôi, có một vài điều bạn cần biết. Mục tiêu khác nhau dẫn đến chiến lược khác nhau Sự khác biệt giữa ngành công nghiệp và học thuật bắt đầu từ sự khác biệt về mục đích. Trong học thuật, mục tiêu chính của tôi là tạo ra kiến thức mới: đề xuất một kỹ thuật mạch mới, xác nhận một kiến trúc độc đáo hoặc khám phá giới hạn hiệu suất trong một lĩnh vực nhất định. Một con chip thành công là con chip chứng minh được một khái niệm. Trong ngành công nghiệp, việc chứng minh rằng một thứ có thể hoạt động là chưa đủ. Mục tiêu là đảm bảo rằng nó hoạt động đáng tin cậy, lặp đi lặp lại và ở quy mô lớn. Thành công không được đo bằng sự mới lạ mà bằng việc silicon đáp ứng các thông số kỹ thuật, đạt năng suất như mong đợi trong sản xuất và hỗ trợ một sản phẩm cạnh tranh được giao đúng thời hạn. Điều này dẫn đến sự tương phản rõ rệt về mức độ chấp nhận rủi ro. Các thiết kế học thuật thường cố tình đẩy vào những lĩnh vực chưa được chứng minh, nơi ngay cả thành công một phần cũng có thể mang lại cái nhìn sâu sắc có giá trị. Tuy nhiên, trong ngành công nghiệp, chúng tôi giảm thiểu rủi ro một cách có hệ thống. Chi phí thất bại khiến việc thành công ngay lần đầu tiên của silicon trở thành một yêu cầu cốt lõi – đặc biệt là ở các nút công nghệ tiên tiến, nơi các mặt nạ quang khắc được sử dụng để chuyển thiết kế mạch lên các tấm wafer silicon có thể tốn hàng chục triệu đô la. Do đó, các quy trình thiết kế công nghiệp được xây dựng xung quanh việc loại bỏ sự không chắc chắn thông qua các biên độ bảo thủ, xác nhận rộng rãi và tái sử dụng cẩn thận các giải pháp đã được chứng minh. “Học thuật khám phá không gian thiết kế, đặt câu hỏi về những gì có thể, trong khi ngành công nghiệp khai thác nó, xác định những gì khả thi ở quy mô lớn.” Mô hình này đã tồn tại từ những năm 1970, khi thiết kế chip chuyên dụng được thiết lập. Tuy nhiên, khoảng cách giữa học thuật và công nghiệp đã mở rộng kể từ giữa những năm 2010, khi công nghệ FinFET, một kiến trúc 3D sử dụng các “vây” silicon thẳng đứng, được áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp. Các thiết kế hệ thống cũng ngày càng trở nên mô-đun hóa với sự ra đời của chiplet. Điều này đã thay đổi cơ bản kinh tế và độ phức tạp của việc phát triển ASIC, với chi phí thiết kế tăng gần một bậc độ lớn. Các sáng kiến như Chương trình FinFET Đại học của Công ty Sản xuất Bán dẫn Đài Loan (TSMC) và các trung tâm thiết kế chip mới do chính phủ tài trợ hiện cho phép một số trường đại học có nguồn lực tốt thiết kế cho các kiến trúc tiên tiến hơn, nhưng công nghệ này vẫn nằm ngoài tầm với của nhiều nhà khoa học. Ý nghĩa thực tiễn của sự phân chia giữa công nghiệp và học thuật Hãy xem xét một công ty khởi nghiệp đang phát triển một ASIC. Đội ngũ kỹ sư của công ty có thể có chuyên môn sâu về một thuật toán cụ thể, giao diện cảm biến hoặc kiến trúc hệ thống, những tính năng tạo nên lợi thế cạnh tranh của họ. Nhưng họ khó có thể sở hữu chuyên môn đẳng cấp thế giới trong mọi chức năng hỗ trợ. Việc phát triển từng khối này nội bộ sẽ đòi hỏi thời gian, vốn và nhân tài chuyên biệt đáng kể. Làm như vậy có thể trì hoãn việc gia nhập thị trường vượt quá khả năng tồn tại của công ty khởi nghiệp. Ngay cả các công ty bán dẫn lớn cũng đối mặt với những hạn chế tương tự. Phát triển nút tiên tiến đòi hỏi sự tập trung cao độ. Việc phân bổ một nhóm để thiết kế lại một khối giao diện tiêu chuẩn đã được triển khai ở nơi khác có thể khó biện minh khi sự khác biệt nằm ở cấp độ hệ thống, chẳng hạn như khả năng của chip suy luận trong việc tăng tốc các phép tính mạng thần kinh. Thời gian cần thiết để đưa một chip mới từ ý tưởng đến thị trường và giảm thiểu rủi ro, chứ không phải tự cung tự cấp, chi phối hầu hết các quyết định về phát triển nội bộ so với thuê ngoài. Kinh tế của sản xuất IC tiên tiến củng cố thực tế này. Khi chi phí phát triển một chip tiên tiến đạt hàng trăm triệu đô la, việc giảm thiểu rủi ro trở thành một yêu cầu thiết kế trung tâm. Trong bối cảnh này, IP silicon nổi lên như một giải pháp thiết thực. Tương tự như cách các nhà phát triển phần mềm dựa vào các thư viện có sẵn thay vì viết mọi chức năng từ đầu, các nhà thiết kế ASIC cấp phép các khối silicon được thiết kế sẵn, đã được xác minh trước – chẳng hạn như lõi bộ xử lý, giao diện bộ nhớ và công cụ bảo mật – từ các nhà cung cấp IP chuyên biệt cao. Các khối này sau đó có thể được tích hợp vào các hệ thống lớn hơn, ngày càng phức tạp. Phạm vi thiết kế, xác minh và thời gian Với việc sử dụng IP silicon, ngành công nghiệp có thể mở rộng phạm vi thiết kế của mình. Các nỗ lực học thuật có xu hướng tập trung vào đổi mới cấp độ khối: ví dụ, một kiến trúc bộ chuyển đổi tương tự sang số mới hoặc một bộ khuếch đại nhiễu cực thấp. Những thiết kế này thường trừu tượng hóa nhiều sự phức tạp.