IC設(shè)計(jì)風(fēng)云變幻，EDA工具的“定數(shù)”和“變數(shù)”

以不變應(yīng)萬變在這個時代對于EDA廠商而言是行不通的，靈活性將成為EDA工具一個重要的性能指標(biāo)，而靈活性是云與生俱來的本領(lǐng)。Frank Schirrmeiste表示：“業(yè)界正迎來SaaS作為EDA工具使用模型的時代，自動化將為用戶提供最優(yōu)的異構(gòu)架構(gòu)，以最高效的方式執(zhí)行EDA工作負(fù)載。”

高性能計(jì)算HPC，異構(gòu)計(jì)算CPU+X，小芯片Chiplet，3nm量產(chǎn)在即……后“摩爾定律”時代，IC設(shè)計(jì)技術(shù)日新月異，給IC產(chǎn)業(yè)鏈后續(xù)的工藝、測試、封裝等一整套工序帶來了極大的挑戰(zhàn)，EDA工具同樣受到了技術(shù)風(fēng)暴的沖擊，設(shè)計(jì)軟件更新頻率在加快。

Cadence是一家專門從事電子設(shè)計(jì)自動化（EDA）的軟件公司，由SDASystems和ECAD兩家公司于1988年兼并而成。作為三大EDA巨頭企業(yè)之一，Cadence會如何定義眼下這個時代？

Cadence公司解決方案與生態(tài)系統(tǒng)資深總監(jiān)Frank Schirrmeister認(rèn)為：“半導(dǎo)體行業(yè)的多種應(yīng)用都對EDA工具提出了更高要求，設(shè)計(jì)復(fù)雜度也在隨之增加。五大變革性的驅(qū)動因素包括人工智能（AI）/機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）、自動駕駛、超大規(guī)模計(jì)算、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)以及5G通信。這五大領(lǐng)域的發(fā)展提出了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)，包括工具性能，算力的增加，以及高質(zhì)量、集成度更高的設(shè)計(jì)流程。”

圖：Cadence公司解決方案與生態(tài)系統(tǒng)資深總監(jiān)Frank Schirrmeister

超越摩爾，充滿變數(shù)

過去的半個世紀(jì)，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)習(xí)慣于遵循“摩爾定律”去推進(jìn)算力的大跨度發(fā)展，但現(xiàn)在智能設(shè)備種類越來越多，體積越來越小，重量越來越輕，同時硅芯片已步步逼近物理和經(jīng)濟(jì)成本上的極限。當(dāng)芯片的工藝制程來到7nm以下時，短溝道效應(yīng)和量子遂穿效應(yīng)給芯片制造帶來了巨大的挑戰(zhàn)。當(dāng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)不能夠再用先進(jìn)制程的方式粗暴地解決問題，超越“摩爾定律”便成為一條新路。

Frank Schirrmeister表示：“超越‘摩爾定律’正在成為新的主流，實(shí)現(xiàn)它的關(guān)鍵是系統(tǒng)創(chuàng)新，包括集成化、軟件和系統(tǒng)分析。” 具體如下：

集成化創(chuàng)新主要包括異構(gòu)3D-IC Chiplet小芯片和封裝的實(shí)現(xiàn)，高性能RF開發(fā)，芯片-封裝-線路板協(xié)同設(shè)計(jì)，軟硬件協(xié)同開發(fā)，以及機(jī)電效應(yīng)。

軟件創(chuàng)新則主要集中于“左移”至早期軟件初啟和糾錯，同時考慮系統(tǒng)安全和關(guān)鍵安全性設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)分析領(lǐng)域的關(guān)鍵創(chuàng)新是使用可擴(kuò)展的有限元法和網(wǎng)格生成等計(jì)算流體動力學(xué)進(jìn)行多物理場分析。3D EM、熱分析以及熱求解器的功能和速度需要獲得進(jìn)一步改進(jìn)，要充分利用云架構(gòu)的大規(guī)模并行運(yùn)算能力。

我們都知道這一輪的Chiplet風(fēng)潮是由AMD帶起來的，但現(xiàn)在它已經(jīng)成為半導(dǎo)體全行業(yè)實(shí)現(xiàn)超越“摩爾定律”的方法論之一。Frank Schirrmeister提到的3D-IC封裝技術(shù)也在討論之列。他指出，利用3D-IC封裝技術(shù)開發(fā)SoC和ASIC的趨勢正在推動特定用途芯片的開發(fā)。為此，現(xiàn)有的EDA技術(shù)需要獲得計(jì)算軟件算法的增強(qiáng)，提供熱學(xué)、電磁學(xué)和流體學(xué)的系統(tǒng)級分析。

在超越“摩爾定律”這方面，靈活應(yīng)變的能力是企業(yè)制勝的關(guān)鍵，比如在同樣的線寬、同樣工藝的情況下，通過創(chuàng)新性的布局設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)芯片價值的最大化。在這個過程中，IP的價值愈發(fā)凸顯，種類逐漸豐富，在芯片設(shè)計(jì)/制造的成本占比也步步攀高。

當(dāng)我們談到這個問題時，F(xiàn)rank Schirrmeister發(fā)表了自己的看法。他提到，隨著生產(chǎn)企業(yè)愈加希望自己的開發(fā)團(tuán)隊(duì)將精力專注于開發(fā)獨(dú)特的差異化IP，IP外包的趨勢將延續(xù)下去。標(biāo)準(zhǔn)化的協(xié)議IP就是非常適合外包的一種。同時，很多協(xié)議的最新版本都非常復(fù)雜，需要具備這一領(lǐng)域更高層次的知識儲備。其實(shí)并不僅是協(xié)議IP，數(shù)字與混合信號設(shè)計(jì)、驗(yàn)證也出現(xiàn)了類似趨勢。

正如Hennessy教授和Patterson教授在2018年圖靈講座所預(yù)測的，我們正處于特定域架構(gòu)和語言發(fā)展的黃金時期。開發(fā)團(tuán)隊(duì)可以通過針對特定應(yīng)用和工作負(fù)載的開發(fā)實(shí)現(xiàn)高度定制化。處理器IP的可配置和可擴(kuò)展架構(gòu)已經(jīng)成為了定制加速器的常態(tài)，接口的設(shè)計(jì)IP模塊也同時獲得了優(yōu)化。

處理器IP和設(shè)計(jì)IP的內(nèi)在價值正在提高，開發(fā)團(tuán)隊(duì)可以更專注于差異化定制硬件、架構(gòu)和軟件的開發(fā)。

需求無止，當(dāng)有定數(shù)

誠然，當(dāng)下的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)用日新月異形容都不為過，技術(shù)的更新迭代每時每刻都在發(fā)生著。但人們追求更高性能的野心是無休止的，盲目地追新追高會讓企業(yè)自身迷失方向。

EDA工具作為芯片設(shè)計(jì)的必要一環(huán)，在這個巨變的時代，很多東西是需要堅(jiān)守并持續(xù)推進(jìn)的。Frank Schirrmeister在受訪過程中對此講到了三點(diǎn)：

對于最佳工具的追求是不變的；

對于高效驗(yàn)證的探索是不變的；

對于FPGA潛力的開發(fā)是不變的。

首先是最佳工具性能的實(shí)現(xiàn)，需要更優(yōu)的計(jì)算求解器（numerical solver），硅片簽核精度，單CPU性能，存儲器管理效率，以及存儲器和接口IP的創(chuàng)建。在此過程中，完全集成的工具流程可以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的功耗、性能及面積（PPA）目標(biāo)，包括先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)的數(shù)字設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，定制/模擬及射頻（RF）設(shè)計(jì)，混合信號設(shè)計(jì)，和全集成的驗(yàn)證流程。將計(jì)算引擎和ML機(jī)器學(xué)習(xí)功能原生集成在一起，以增強(qiáng)工作流程生產(chǎn)力，才是實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的重要路徑。對此，Cadence制定了智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)戰(zhàn)略，不斷交付創(chuàng)新的計(jì)算軟件功能，助力實(shí)現(xiàn)卓越的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

其次，驗(yàn)證是一項(xiàng)永無止境的任務(wù)。哪怕算力不斷提高，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)依舊可以隨時用驗(yàn)證任務(wù)把多出的算力填滿。功能性驗(yàn)證最重要的部分是驗(yàn)證吞吐量，驗(yàn)證團(tuán)隊(duì)需要把精力用在刀刃上，在固定的單位時間找出并修正最多的錯誤。為了實(shí)現(xiàn)成功的驗(yàn)證流程，驗(yàn)證團(tuán)隊(duì)需要足夠的靈活性，為驗(yàn)證流程匹配正確的算力。做到這一點(diǎn)，需要支持多處理器架構(gòu)，以滿足形式驗(yàn)證與仿真，以及硬件輔助開發(fā)的需求。格外值得關(guān)注的是，硬件仿真和原型驗(yàn)證需要在前端一致的前提下，提供足夠的靈活性，充分使用定制化處理器及基于FPGA的架構(gòu)。這也是Cadence將這一功能強(qiáng)大的硬件仿真和原型驗(yàn)證組合稱為“系統(tǒng)動力雙劍”的原因。

關(guān)于“對于FPGA潛力的開發(fā)是不變的”這一點(diǎn)，F(xiàn)rank Schirrmeister指出，軟件開發(fā)和驗(yàn)證的復(fù)雜性是硬件輔助驗(yàn)證的關(guān)鍵驅(qū)動因素。今天，超過80%的設(shè)計(jì)已經(jīng)采用基于FPGA的原型驗(yàn)證，使用硬件仿真加速的比例也在穩(wěn)步提高。不在硬件仿真加速平臺和原型驗(yàn)證平臺啟動軟件，就直接流片成功的可能性變得非常小。設(shè)計(jì)缺陷一致延續(xù)至啟動的風(fēng)險實(shí)在太高，由于上市時間推遲而造成的成本和利益損失將極為巨大。驗(yàn)證、硬件仿真加速和原型驗(yàn)證引擎的最優(yōu)平衡極為關(guān)鍵，三者需要發(fā)揮優(yōu)勢各司其職。通過統(tǒng)一的前端設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)不同項(xiàng)目階段最優(yōu)的驗(yàn)證基礎(chǔ)設(shè)施復(fù)用是生產(chǎn)力優(yōu)化的關(guān)鍵。

EDA上云，予取予求

工藝微縮至今依然是集成電路制造技術(shù)發(fā)展的最重要的特征之一。雖然目前工藝微縮的速度變慢了，但更先進(jìn)的工藝制程依然在持續(xù)更新中，從而讓相同面積的芯片上可以集成更多的器件，提高芯片性能從而降低單位制造成本。但與此同時，設(shè)計(jì)復(fù)雜度在顯著提升，給EDA工具也帶來了諸多挑戰(zhàn)。

Frank Schirrmeister對此表示：“隨著設(shè)計(jì)和產(chǎn)品復(fù)雜性的極速上升，我們需要思考的不再僅僅是芯片，而是要從全局的系統(tǒng)層面實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。這一思維方式的變化驅(qū)動了很多芯片-封裝-電路板協(xié)同設(shè)計(jì)和集成領(lǐng)域的創(chuàng)新。這些創(chuàng)新不僅需要將性能最優(yōu)的引擎用于設(shè)計(jì)、組裝、分析和簽核，還需要構(gòu)建集成的開發(fā)平臺，以管理復(fù)雜的多領(lǐng)域集成挑戰(zhàn)。”

當(dāng)芯片設(shè)計(jì)工藝越來越復(fù)雜，云計(jì)算+EDA的模式體現(xiàn)出無限的妙處。就拿靈活度來講，傳統(tǒng)的EDA工具為了配合復(fù)雜芯片設(shè)計(jì)，需要用大量的服務(wù)器來提供算力支撐，但我們都知道這些算力并不是全周期都需要的，尤其是在項(xiàng)目早期階段，會有相當(dāng)一部分算力資源閑置，造成了資源浪費(fèi)。而云能夠按需調(diào)整，按量收費(fèi)，EDA上云極大地提升了經(jīng)濟(jì)效益。

如果從芯片設(shè)計(jì)的前后端來看，EDA上云的優(yōu)勢會體現(xiàn)的更為明顯。前端設(shè)計(jì)要求高并發(fā)、多線程、混合隨機(jī)訪問等，后端則需要單線程、有序訪問和內(nèi)存密集等。這些都可以通過調(diào)整云參數(shù)來適配。

“用戶可以利用云架構(gòu)提供的彈性算力獲得成產(chǎn)力和擴(kuò)展性的優(yōu)勢。一些情況下，用戶無需面對云架構(gòu)的復(fù)雜性，因?yàn)橐恍┖诵囊嬉呀?jīng)被重新定義架構(gòu)，以支持云計(jì)算的大規(guī)模并行計(jì)算。所以，用戶可以充分享受性能、容量和生產(chǎn)力的升級?！盕rank Schirrmeister講到，“還有一些情況，如果涉及到云服務(wù)的價格，或者針對特定的EDA工作負(fù)載進(jìn)行云實(shí)例的最優(yōu)配置，ML正作為一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)幫助開發(fā)者選擇EDA工作負(fù)載和計(jì)算配置的最佳匹配?！?

后“摩爾定律”時代，人們在探索各種各樣的方式/方法去超越它，先進(jìn)封裝、異構(gòu)集成、Chiplet模式……各國也在成立各種超越摩爾聯(lián)盟和基金會。日新月異的新技術(shù)讓芯片設(shè)計(jì)的邊際在不斷擴(kuò)大，而這些創(chuàng)新離不開EDA工具的幫助。從EDA廠商的角度來看，要滿足這些新需求，EDA工具也需要不斷創(chuàng)新。

Frank Schirrmeiste提到了驗(yàn)證環(huán)節(jié)的創(chuàng)新，“驗(yàn)證領(lǐng)域的創(chuàng)新層出不窮，智能驗(yàn)證管理將可以自動生成測試，將驗(yàn)證任務(wù)提交給最合適的驗(yàn)證引擎，采集并分析覆蓋率信息，以及支持糾錯失敗管理?！?

他還強(qiáng)調(diào)說：“智能驗(yàn)證必須要充分利用云計(jì)算的大規(guī)模并行計(jì)算，并采用ML技術(shù)提高驗(yàn)證生產(chǎn)力和吞吐量。”

因此，不管芯片設(shè)計(jì)走在哪一條路徑上，是遵循“摩爾定律”還是超越摩爾，EDA上云都成為必然趨勢。在此，F(xiàn)rank Schirrmeiste說到：“仿真加速必須要用到云計(jì)算和機(jī)器學(xué)習(xí)ML技術(shù)提供的大規(guī)模并行計(jì)算，對硬件回歸更是如此。抽象化的高效利用推動了很多創(chuàng)新技術(shù)的產(chǎn)生，構(gòu)建混合驗(yàn)證環(huán)境，為需要高保真度的設(shè)計(jì)提供寄存器傳輸級精確度與事務(wù)級虛擬原型驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)的集成。我們正處在邁向新階段的關(guān)口，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和軟件開發(fā)者將利用豐富的混合設(shè)置，對高效評估模型精確度和仿真性能之間進(jìn)行利弊權(quán)衡?！?

寫在最后

以不變應(yīng)萬變在這個時代對于EDA廠商而言是行不通的，靈活性將成為EDA工具一個重要的性能指標(biāo)，而靈活性是云與生俱來的本領(lǐng)。因此，還是用Frank Schirrmeiste的話來收尾，“業(yè)界正迎來SaaS作為EDA工具使用模型的時代，自動化將為用戶提供最優(yōu)的異構(gòu)架構(gòu)，以最高效的方式執(zhí)行EDA工作負(fù)載?！?