萬向區塊鏈蜂巢學院乾貨：新基建下，區塊鏈+晶片的創新探索

前言：

萬向區塊鏈蜂巢學院線上公開課也將特別推出「融合創新」系列講座，作為峰會的「先導片」，邀請物聯網、人工智慧、雲計算等行業具有影響力的領軍人物，帶領大家深入挖掘這些技術與區塊鏈的契合點、針對具體應用場景痛點探索解決方案、加速區塊鏈應用出圈。

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」。

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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發布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，主要從事大規模集成電路的設計，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、大數據中心、交通、工業網際網路、物聯網網關、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，在大數據中心、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。像一些傳感器，在工業網際網路、物聯網關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歷史以來非常重要、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納米工藝，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，整個語句就會被調用。

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，優化和掃描插入環節。這個概念是什麼呢？軟體實際上是把代碼最後編譯成彙編語言，在硬體中是「邏輯門」，所以要把代碼編譯成如圖中這樣。最早實際上在設計晶片電路的時候，都是手工去畫邏輯門，你們可以想像這效率是非常低的，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級別的語言和邏輯門進行對比，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。

接下來是布局後的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，下一步會進入布局、布線、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。

布局路線要分兩個階段：第一，比較粗地把全局的線布好；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通過高溫溶化，通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，之後通過旋轉塗均勻，這裡面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、信號可以輸入/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，下面會用雷射打一些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。集成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是專用的集成電路，區別是從CPU到ASIC，靈活性越來越差，但是性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，會在當中支持安全算法，包括ECC256、SHA256和AES256，很重要的是支持真隨機數發生器，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密鑰安全性上。包括支持各種籤名曲線、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、存儲以及交易信息時保證運算都在安全晶片裡運行。

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、智能合約應用、物聯網設備標識、身份認證等，我認為安全晶片是區塊鏈裡的基石。

加速器

比如說交易籤名和驗籤，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、智能合約引擎加速等。我看到的一個案例是區塊鏈卸載引擎，是插在伺服器上，有pcie接口、高速乙太網接口，驗籤性能可以提高5倍左右。

右邊的是區塊鏈加速IP，可以支持各種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。包括調度模塊，通過pcie把運算操作調度給PK Engines。

最近螞蟻鏈發布了螞蟻鏈一體機，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能合約專用處理硬體。

主要功能是密碼卡（安全晶片）、區塊鏈網絡共識加速，包括智能合約處理，現在智能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。可以看一下加速的數據，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、數據包加密跟通信結合在一起。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、集成電路行業裡IP資產扮演非常重要的作用。IP的數據很多時候安全性是大的問題，現在雲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。如果通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。

設計數據版本保護

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。區塊鏈的哈希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設備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遊通過區塊鏈協同的工作，企業用戶可以在平臺上做可信數據交流、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，大概了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：據我了解已經量產了，臺積電有些客戶已經有生產5nm的晶片了。