自主開發不一定是最有利的方法！
2021-05-05
作者
Kurt Shuler，Arteris市場行銷副總裁
就算是工程團隊，也需要重新考量「自製或採購」的舊決策。商業原則告訴我們，應該要專注於實現附加價值，將其他工作留給第三方業者。另一個考量方向是，如果直接使用外部技術不自己開發，是否能省錢？──甚至是賺錢？
沒有人會選擇自己從零開始打造一輛Mercedes-Benz，就算是德國Stuttgart出身、祖傳三代的車輛工程師，也不會自己去打造一輛車，而是會去買車。這是為什麼？因為車廠的專業人員知道自己在做什麼，他們具備更豐富的經驗與更完善的工具，而且提供原廠保固。
從以上的案例去思考另一個問題：該自己打造矽智財(IP)還是尋求授權？
就算是工程團隊，也需要重新考量「自製或採購」的舊決策。商業原則告訴我們，應該要專注於實現附加價值，將其他工作留給第三方業者。另一個考量方向是，如果直接使用外部技術不自己開發，是否能省錢？──甚至是賺錢？這個問題不容易回答，得看實際數字。
而接下來最大的問題則是，哪些部分可以自己設計、哪些從外部取得？這需要從頭進行結構性的討論，過程可能很激烈和情緒化。工程師們要打造產品，管理者則想要以盡可能最經濟的方法產生可用的產品；如果工程師們想自己做，管理者想從外部採購，該聽誰的？誰可以做決定？又該如何證明這個決定是正確的？
中型SoC設計案財務模型
讓我們用財務模型來檢視一個中型規模的系統級晶片(SoC)設計專案，如圖1和圖2所示(稍後會討論上市時間和風險因素)；首先假設生產1,000萬顆晶片，每一顆晶片成本8美元，售價為每顆15美元；實際上會打造兩款晶片設計，每款設計的總研發成本預計800萬美元。到目前為止都很簡單。
圖 1：一個中型SoC設計專案的基礎成本假設：兩款晶片設計，在生命週期內總產量為1,000 萬顆，單顆成本為8美元，平均售價(ASP)為15美元，總開發預算為800萬美元。
(圖片來源：Arteris)
還有：要評估哪些IP？要考量哪些設計權衡？這些細節我們留待稍後。現在，我們以上述假設為基礎，進一步假設以授權方案替代自主設計邏輯電路。這會衍生另外四個假設：第一，假設在產品生命週期內，整體產量達到0.5%的小幅度成長；在以上的範例中，這意味著總出貨量達到1,005萬顆晶片。
圖 2：中型 SoC 專案的進一步成本假設。
(圖片來源：Arteris)
為什麼產量會提高0.5%？或者說，為什麼產量會提高？原因之一在於產品品質提升了，授權解決方案比自有設計更可靠、更具可製造性；這是因為授權IP來自於該領域中具備專業經驗的可信賴供應商。就像跑車界的Ferrari以及卡車領域的Kenworth，專精某種技術的供應商通常表現會比其他普通業者更好。
因為授權IP比起自有設計的配置和整合速度更快，所以能縮短上市時間、提高產量。早日上市意味著生命週期內的銷售量也會增加；這部分稍後再詳細介紹。整體來說，0.5%的產量增加是非常保守的估計。
第二個假設是，授權IP能節省約0.5%的晶片面積。這同樣是根據最佳化商用IP與內部開發替代方案的比較結果。 第三個假設是，由於以現成IP解決方案取代了人力密集的內部開發，預計直接研發支出小幅降低1%；實際上人力成本的節省幅度可能更大，但保守一點是好的。
最後一個假設是，因為授權IP已經通過驗證、不需要除錯，能加快衍生產品開發速度、縮短上市時程，同時可以更快速因應不可避免的工程變更指令(engineering change orders，ECO)，預計可實現1%的「額外成本節省」。
透過計算，我們得出的結果是：因為晶片面積縮小可節省37.5萬美元的間接成本，直接研發成本則可節省16萬美元，還有另外16萬美元的間接成本節省；而因為產量提高，收入可增加37.5萬美元。如此一來，總計能節省的成本遠超過100萬美元——這對一個成本預算僅1,600萬美元、準備開發兩款晶片的設計專案來說是一筆豐厚的紅利。
NoC互連IP揭密
有一種能節省SoC開發時間與成本的IP──實際上是一種匯流排──即晶片上網路(Network-on-Chip，NoC)。隨著SoC速度越來越快、設計越來越複雜，對組成元件之間的互連要求也越來越高，簡單的匯流排已經被採用資料封包化的精密NoC取代。
SoC設計工程團隊通常是以下三種情況之一：已經有自家設計的匯流排、使用了其他主要IP附帶的匯流排，或是選擇向專業供應商取得晶片上互連IP的授權。由於晶片複雜度越來越高，以及產品差異化需求，選擇最後一種方案是大勢所趨。
對於是否選擇取得第三方供應商的IP授權，不同種類的IP的爭議性程度會有差異。舉例來說，要讓工程師同意更換處理器系列IP比較困難，但更換USB IP的供應商就容易得多。本文提出的案例是以專為互連任務設計的真實網路，來取代SoC內部的匯流排；大多數工程師應該都不會在意，除非這意味著以商業替代方案取代他們舊有的手工設計。
節省寶貴時間
讓我們再回頭去看數字。要估計能節省的時間比較棘手，畢竟眾所周知，工程進度表並不可靠；不過我們可以根據幾十個實際案例與客戶的回饋，對進度調整做出有根據的預測。
圖3是典型的自有匯流排/網路設計時間表，幾乎橫跨一整年的時間。如圖所示，時間表大致分為三階段，其中有80個工作天進行架構設計(即定義自有匯流排在所有情況下的主體架構和工作原理)，另外40個工作天生成詳細的RTL，剩餘的100多個工作天則是進行所謂的實體設計，其中包括佈線(place-and-route)、時序收斂、除錯與可製造性設計(DFM)。再次強調，這些工程進度表並非憑空想像，而是以真實的客戶資料為根據。
圖 3：SoC 開發專案各個階段的相對時間跨度；節省的大部分時間(可達數個月)來自於後段的佈線和收斂階段。
(圖片來源：Arteris)
相較之下，採用授權NoC只需要大約一半的時間就能達到相同的效果。因為架構設計所需的時間很少，設計師不用從頭開始設計匯流排、不用費心研究其工作原理，包括曖昧不明的邊角案例和各種不可預期的狀況。
在中間階段，即RTL生成階段，雖然使用授權NoC可幾乎節省所有費工的資料登錄工作，但採用自有或授權IP所需的時間差異不大。最後，由於授權 NoC 現成可用，實體設計階段縮減到只需40天。整體來說，時間跨度已經從接近12個月縮短到少於5個月。這些節省下來的時間價值有多高？
而且，工程團隊現在可以減少一些瑣碎的工作，將更多精力放在創造附加價值上。這並不意味著他們突然間有了充裕的時間可以去度假，而是他們可以被重新指派執行專案中更有價值的任務，而且坦白說，那是他們更有興趣的工作。互連邏輯設計是高度技術性卻容易出錯的任務，不是成功就是搞砸，所以負責的工程師不是沒沒無聞就是成為代罪羔羊。
評估風險：千萬別「遲到」
現在來看看相關風險。我們已經了解採用授權NoC可望讓產品更早上市，但讓我們來分析一下相反的結果：如果晶片延遲上市會怎樣？在我們的案例中，假設生產1,000萬顆晶片，單價12美元，總營收1.2億美元。我們假設有24個月的上市期間。
根據Brian Prasad的權威著作《新產品上市的價格策略分析》(Analysis of Pricing Strategies for New Product Introduction，1997)，產品若延遲4個月上市會導致總營收驟降44% (參考圖4)，在我們的案例中是5,300萬美元的損失。如果將延遲時間減至3個月，仍然會造成4,100萬美元的損失；而如果只延遲2個月(幾乎已經是沒有延遲)，仍然會導致營收減少24%、即2,800萬美元損失。就我們所知，上市時間就是王道。
圖4：標準的經濟模型預測顯示，即使產品上市時間只是稍有延遲也會造成龐大的營收損失。
(圖片來源：Arteris)
風險通常是代價最高昂的，因此盡可能採用經過測試和驗證的成熟元件，將風險降到最低，同時減少內部嘗試進行高風險原創設計的次數，避免浪費時間在無用功的項目上，才是明智的做法。這與自尊心沒什麼關係，工程師們當然喜歡設計產品，但他們也想保住飯碗；而若是工程團隊緊守著沒必要的個人偏好專案，忽略可靠的商業替代方案，那就不可能發生。
大型專案
我們前面假設的模型是中等規模專案，那如果是一個規模更大、產量更高、單位成本更低，還可能帶來一些後續專案的例子呢？相關數字會是如何？
圖5來自於圖1的推論，但是規模更大的專案。此案例是產量達6,000萬顆晶片，共開發4 種晶片，成本和ASP分別降低至5美元和10美元，研發預算增加至1,000萬美元。而12個月的開發週期和24個月的上市期間保持不變。
圖 5：此案例的成本假設與圖1類似，不過是成本更低、產量更高、研發預算也更高的大規模專案。
(圖片來源：Arteris)
預計在產品生命週期內，增加產量與減少晶片面積都能節省1%的成本(高於0.5%)，因為商用NoC功能先進且風險較低，能給更複雜的晶片帶來更多好處──NoC的擴展性高於傳統晶片上匯流排和縱橫閂(Crossbar)互連──估計直接成本能節省2%，其他成本可帶來1%的額外成本節省。
這些數字顯示，光是晶片面積縮小的這一項，就馬上能帶來300萬美元的可觀回報，另外因產量提高又可額外增加300萬美元的銷售額，研發費用則能減少80萬美元，專案成本可節省40萬美元。整體看來，在單一專案的生命週期內就可以節省720萬美元。
不過風險因素看來更嚴峻(參考圖6)。如果總營收預計為6億美元，延遲上市4個月將使總營收減少2.93億美元。即使延遲微不足道的2個月，也會產生1.41 億美元的損失；甚至只是延遲30天，損失也會達到7,300萬美元。為了團隊內部的「寵物專案」(pet project)，是否值得付出如此高昂代價？
圖6：生產規模越大，營收損失也越高：只是延遲上市幾個星期，就可能損失1億至2億美元的訂單金額。
(圖片來源：Arteris)
商業NoC還有另一個無形的優勢，即能提高工程產品的生產力，也就是一個工程團隊在既定時間內可以產出的產品或專案數量。通常一家公司可能有三個獨立的工程團隊同時進行工作，可能在不同的據點。專案像是以流水生產線產出，或是有所重疊，這樣就能夠定期推出新產品。而原本每個專案需要花三年時間，有了三個團隊，公司每年都能發表最新產品。
如果開發團隊不把時間花費在無關差異化的匯流排互連，而是採用商業化的NoC替代方案，新產品推出的時間間隔可以縮短到9個月。每個團隊還是一樣忙碌，但所付出的努力有更多可供展現的實際成果。員工數量保持不變，財務損益表基本保持不變，團隊結構也保持不變，但工程師們的生產力更高，獲利能力也更強，甚至可能讓他們分到買一輛Benz的紅利！
本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2021年5月號
責編：Judith Cheng
(參考原文：Licensing Interconnect IP for Fun & Profit，by Kurt Shuler)
