干货 | 新基建下,区块链+芯片的创新探索

2020-08-18 干货 | 新基建下,区块链+芯片的创新探索已关闭评论

前言:

万向区块链蜂巢学院线上公开课也将特别推出“融合创新”系列讲座,作为峰会的“先导片”,邀请物联网、人工智能、云计算等行业具有影响力的领军人物,带领大家深入挖掘这些技术与区块链的契合点、针对具体应用场景痛点探索解决方案、加速区块链应用出圈。添加小助手微信号:fengchaoxueyuan,可获取每周讲座直播时间和入口。

本文为“融合创新”系列讲座第一期,Altran亚创半导体事业部总监石贤帅先生分享了“新基建下,区块链+芯片的创新探索”。

非常感谢万向区块链蜂巢学院的邀请,今天晚上很高兴有机会和大家分享关于区块链+芯片的话题。今天的主题是“新基建下,区块链+芯片的创新探索”。

在目前形势下,芯片是非常重要的一个话题,国家层面也很重视,前几天我看到国务院发布了新一轮的扶持政策。在这样的背景下去讨论今天的话题是非常有意义的。

我本人在芯片行业已经工作了将近20年,主要从事大规模集成电路的设计,以及管理、市场方面的一些工作。我对区块链技术也非常感兴趣,我对区块链的理解是区块链完成的事情就是在虚拟世界的价值转移。

下面正式进入到今天的主题。

实际上区块链和芯片都包含在新基建内容里,整个新基建最初的时候有七大类:5G基站、大数据中心、交通、工业互联网、物联网网关、充电桩、人工智能,后来区块链也加入了。

 

大家在这张图上可以看到,芯片扮演了非常重要的角色,每一个新基建的分类都离不开芯片。比如说你看到像CPU、GPU,在大数据中心、人工智能、区块链都会用到。FPGA在基站里面,包括人工智能、区块链也都会用到。像一些传感器,在工业互联网、物联网关方面也是非常重要的应用。

芯片实际上是所有这些行业的基石,为什么会这样呢?我个人认为芯片是在人类这么多年历史以来非常重要、成功的技术。它之所以这么重要的原因实际上是它足够便宜。怎么理解呢?因为整个芯片的器件做的非常小,小到比如说像最先进的7纳米工艺,它在一个平方毫米的这样小面积上面能够塞进去1亿多个二极管。你们可以算一下,一个二极管的成本几乎是0。

我之前参加过的一个活动听到一位老师说,半导体技术还能够再发展100年,那意味着从事半导体行业的人暂时还能够继续发挥作用。

下面我的分享会按照这三部分:一、芯片的设计和制造流程;二、芯片在区块链中的应用;三、区块链在芯片行业中的应用展望。

我先介绍下芯片设计的流程。和其他的一些技术一样,开始都是来自于市场的需求,所以一般来说我们会有市场研究之后的市场规格书,然后算法人员会把规格书转换成架构的设计,然后进入RTL编码,实际上和软件也比较类似。

我举个小的例子,Verilog是RTL语言的一种,下图里实现了一个简单的加法器。芯片是并行执行的,意味着如果输入有变化,比如说这里X、Y一旦有变化,整个语句就会被调用。

芯片设计和软件不同的地方是整个芯片的制造工艺是非常昂贵,动不动就几千万美金,甚至上亿美金的研发成本和生产成本。如果出现哪怕一小点的问题,都会造成要重新生产。所以这里有个步骤叫RTL模拟,就显得非常重要。现在行业里面,验证工程师和设计工程师的比例会是3:1左右。

整个RTL模拟好之后会进入逻辑综合,优化和扫描插入环节。这个概念是什么呢?软件实际上是把代码最后编译成汇编语言,在硬件中是“逻辑门”,所以要把代码编译成如图中这样。最早实际上在设计芯片电路的时候,都是手工去画逻辑门,你们可以想象这效率是非常低的,后来规模变大之后,抽象层次提高,我们会用设计语言来做设计。

这里扫描插入是说在生产制造过程中间会引入些制造上的问题,在整个芯片制造好之后要能去测试它有没有制造上的问题,所以这里测试的不是功能问题。

下一个步骤叫形式验证,把RTL级别的语言和逻辑门进行对比,这中间可能因为工具或人为会引入些错误,所以需要去做形式化的对比,保证这两个功能是一致的。

接下来是布局后的STA(静态时序分析),为什么有这样的步骤?因为在器件中速度肯定是有限的,因为有延迟等,所以不可能达到无限的速度。也就是说在电路中都会有一定的速度。那静态时序分析就是为了验证这些逻辑能够在这样的时间中完成。

时序正确之后,下一步会进入布局、布线、版图的阶段。这里是一个版图例子,密密麻麻很多线,实际上是在硅片上把“门”给摆上去,比如说这个“门”要摆在哪里,那个“门”要摆在哪里,肯定是有些讲究的,其中至少保证所有的线路都能够塞进小小的硅片中。目前的工艺,金属层可能会到十几层,图的右下角是一个做好的芯片金属层的例子,你会看到这个线就像房子一样的密密麻麻。

布局路线要分两个阶段:第一,比较粗地把全局的线布好;第二,比较详细布线的阶段。总之是把我们的逻辑最后放到硅片上面。

布好线之后,有真实的延迟后要重新做一遍静态时序分析。整个芯片设计流程大概是这个样子,实际上会非常复杂。

设计好之后进到制造阶段,制造分为前道工序和后道工序,前道工序等于是在硅片上做的一些事情,后道工序是做封装、老化测试等。

第一步是把多晶硅在石英炉通过高温溶化,通过石英棒拉出单晶硅来,下面就是单晶硅棒。接下来用金刚石刀切成一片片的Wafer,Wafer经过抛光打磨实现非常光滑的镜面效果,放在石英炉里进行氧化处理,上面附上了一层氧化硅。再滴上光刻胶,之后通过旋转涂均匀,这里面包含一个非常重要的步骤光学掩摸板,做掩摸、刻蚀。

荷兰有一家公司叫ASML,他们一台光刻机能卖到1亿美金的价格,说明工艺非常复杂,因为要能在硅片上刻出5nm、7nm这么小的图案。

光照好之后会做刻蚀,把它挖出了二极管图案。再经过离子注入的工艺之后,形成了Wafer,Wafer经过抛光处理,下一步做些正级/负级的电级来。因为中间所有过程可能会引入一些制造上的问题,所以在硅片上Wafer上会用测试机做测试,保证做出来的一个个die上的功能是好的,如果不好的标出来,好的做切割。

后道工序,刚刚看到的Wafer上的硅片已经一个个都做好了,用金刚石刀切成一个个die。这里看到的只是一种简单的封装形式,随着工艺的发展,封装也变的非常复杂,die放在引线框上,把芯片上的管脚用金线拉到引线框上,等于可以导电了,外面的电源、信号可以输入/输出,下一步封上树脂或者陶瓷,你们看到的外面芯片真正硅的部分很小,只是一小块儿。下一步是成型,因为芯片在系统里要用很多年,所以会做老化实验,人为制造恶劣环境,能够把制造过程中的缺陷提前暴露出来,老化之后还会继续做一些测试,把坏的片筛掉。这些步骤之后,下面会用激光打一些Maker,这就是你们看到的芯片情况。

大家经常听到SoC、FPGAs、ASIC等各种各样的用语。因为芯片规模很大,有IP的概念,设计芯片不是从头开始设计会用现成的,像ARM等其他IP来进行整合。集成电路只是半导体产业里的一部分,可以分为微处理器、逻辑IC、储存器,像MPU、NCU、DSP都是处理器,逻辑IC里有ASIC、以及其他IC。

大家会看到很多种芯片像CPU、GPU、FPGA、ASIC。ASIC是专用的集成电路,区别是从CPU到ASIC,灵活性越来越差,但是性能跟功耗会越来越好,因为ASIC是专门给特定的领域设计的。

下面介绍一下芯片在区块链行业里的应用。

安全芯片

 

最基本的是安全芯片,左上角是产品,当中有MCU、符合金融级认证的安全芯片。一般来说,会在当中支持安全算法,包括ECC256、SHA256和AES256,很重要的是支持真随机数发生器,芯片能保证发生随机数是真随机,区块链的安全都是建立在密钥安全性上。包括支持各种签名曲线、安全操作系统、抗外部攻击(电压减压、温检、光检、主动防护层检测、抗DPA/SPA)。私钥的安全性非常重要,包括生存、存储以及交易信息时保证运算都在安全芯片里运行。

在上面的右图是比较完整的系统,包含安全芯片、操作系统、硬件平台等。应用领域蛮多的,像数字资产安全存放、智能合约应用、物联网设备标识、身份认证等,我认为安全芯片是区块链里的基石。

加速器

 

比如说交易签名和验签,用CPU来做的话效率会非常低,进行加速会非常有意义。像共识的加速、智能合约引擎加速等。我看到的一个案例是区块链卸载引擎,是插在服务器上,有pcie接口、高速以太网接口,验签性能可以提高5倍左右。

右边的是区块链加速IP,可以支持各种ECC曲线,可以应用在很多应用场景当中,并且对IP来说是可以用在FPGA里,也可以做到ASIC里,也可以在云端服务器做应用。包括调度模块,通过pcie把运算操作调度给PK Engines。

最近蚂蚁链发布了蚂蚁链一体机,当中用的是平头哥玄铁910的risc-v core,号称是全球第一个硬件隐私保护的解决方案,也是第一个针对区块链智能合约专用处理硬件。

主要功能是密码卡(安全芯片)、区块链网络共识加速,包括智能合约处理,现在智能合约量还没有那么大,未来量变得很大的话,用硬件来处理是非常有意义的。可以看一下加速的数据,并行处理量非常强。

宇链推出了云+链+芯片一体化的案例,芯片也是安全芯片。右边是NB-IoT的板子,这是物联网的应用。区块链在当中实现身份识别、数据包加密跟通信结合在一起。现在物联网应用非常广,是区块链在行业应用里用的比较成熟的一块。

上面介绍了芯片在区块链里的应用,接下来简单展望一下区块链在芯片行业里会有哪些潜在应用。

IP保护

在芯片行业、集成电路行业里IP资产扮演非常重要的作用。IP的数据很多时候安全性是大的问题,现在云计算在软件行业里非常成熟,在芯片行业里的EDA把工具和IP上云还不是那么普遍。如果通过区块链能解决这方面的知识产权、IP保护的问题,相信能加速IP和EDA上云的发展。

设计数据版本保护

设计会有很多版本管理,有些时候会发生版本管理不善,拿到了错误的版本,造成生产制造花了很多冤枉钱。区块链的哈希运算会对这一块儿很有帮助。

工业互联网

有一个例子,中微公司是做半导体设备在科创板上市的公司,他们也在研究基于区块链构建半导体行业工业互联网。基本上他们做的是供应链跟上下游通过区块链协同的工作,企业用户可以在平台上做可信数据交流、零部件质量控制和溯源工作,没有特别说半导体,就是行业的应用。

以上大概是我今天的介绍,希望大家听了讲座之后对芯片的设计、制造有一定的概念,大概了解芯片在区块链行业里有哪些应用。希望未来在半导体行业里能够用到很多区块链先进的技术。谢谢大家。

互动问答

:区块链芯片和通用芯片有什么区别?

石贤帅:芯片会用在各行各业里,有一些比较通用的芯片像CPU/GPU,可以用在很多行业里。我认为区块链芯片有很多种,安全芯片、加/解密、加速,给区块链做了定制的芯片,除此之外没有特别的区别,从设计流程到应用方面没有特别大的区别。

:5nm现在是否已经量产了?

石贤帅:据我了解已经量产了,台积电有些客户已经有生产5nm的芯片了。

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