云端部署引領(lǐng)IC設(shè)計(jì)邁向全自動(dòng)化

通訊、車用和物聯(lián)網(wǎng)是未來IC應(yīng)用的主要場(chǎng)域，尤其隨著持續(xù)開發(fā)人工智能應(yīng)用，以及擴(kuò)大部署5G、Wi-Fi 6等新一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，這些頗具潛力的應(yīng)用展現(xiàn)了強(qiáng)勁成長(zhǎng)。

根據(jù)市調(diào)機(jī)構(gòu)IC Insights上（6）月公布的研究顯示，消費(fèi)性及通訊IC類仍居IC市場(chǎng)最高市占率，至2024年預(yù)計(jì)將達(dá)35.5%，在近20年來成長(zhǎng)幾近翻倍，速率驚人；車用類則呈現(xiàn)穩(wěn)定成長(zhǎng)，雖然市占率目前不到10%，但其年復(fù)合成長(zhǎng)率（CAGR）在所有應(yīng)用類別中表現(xiàn)最為突出，至2024年CAGR可能達(dá)9.7%。

就消費(fèi)性及通訊應(yīng)用來說，5G芯片已經(jīng)成為發(fā)展指針，設(shè)計(jì)開發(fā)商面臨的挑戰(zhàn)，除了處理器、圖形運(yùn)算芯片等基本運(yùn)算力，更包括射頻前端模塊、毫米波IC、人工智能處理單元（APU）等AI和5G應(yīng)用的硬件設(shè)計(jì)工作。不論是SoC或是芯片組，在功能性和運(yùn)算規(guī)格要求上都將更為嚴(yán)苛，要應(yīng)對(duì)這些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，更快速、更智能化且自動(dòng)化的設(shè)計(jì)工具將成為必需。

若想搶占這些明星市場(chǎng)，芯片設(shè)計(jì)或開發(fā)商除了以縮短開發(fā)時(shí)程來搶奪上市先機(jī)之外，善用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)工具與云端平臺(tái)，未來將能大幅增加開發(fā)規(guī)劃的整合資源與部署彈性，進(jìn)而全面優(yōu)化設(shè)計(jì)流程與產(chǎn)品開發(fā)效率。

其實(shí)EDA工具走上云端這件事，已經(jīng)討論有些時(shí)日。但由于云端環(huán)境部署存在高度不確定性，資安、成本控制和設(shè)計(jì)系統(tǒng)轉(zhuǎn)移等技術(shù)和營(yíng)運(yùn)問題，仍待提出更多解決方案并加以驗(yàn)證。IC設(shè)計(jì)要走向云端，就要做好長(zhǎng)期抗戰(zhàn)的準(zhǔn)備。

Cadence云端事業(yè)發(fā)展副總Craig Johnson就表示，EDA客戶在最初洽談云端EDA解決方案時(shí)，首要問題往往是該方案是否已有早期采用者。足見IC設(shè)計(jì)商對(duì)于部署環(huán)境的轉(zhuǎn)換，態(tài)度尤其謹(jǐn)慎。

然而，盡管EDA云端解決方案的采用茲事體大，云端環(huán)境具備快速升級(jí)運(yùn)算效能、彈性部署及整合設(shè)計(jì)資源的能力，這些優(yōu)點(diǎn)在5G和AI應(yīng)用驅(qū)動(dòng)的未來市場(chǎng)，將逐漸成為絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。EDA云端方案的推出隨之更加活絡(luò)。

匯整云端與就地部署的運(yùn)算資源

在芯片設(shè)計(jì)環(huán)境采用云端資源其實(shí)具備不同選擇，國際芯片大廠往往已建構(gòu)具備相當(dāng)規(guī)模與效能等級(jí)的基礎(chǔ)設(shè)施，因此，與其說是以云端取代就地部署，不如說是將云端納入IC設(shè)計(jì)系統(tǒng)，再藉由建立一個(gè)整合云上云下的整合開發(fā)平臺(tái)，進(jìn)行最有效率的設(shè)計(jì)工作環(huán)境部署。

行動(dòng)應(yīng)用芯片大廠Arm在去（2019）年AWS云端科技發(fā)表會(huì)（AWS re:Invent）上就指出，在其設(shè)計(jì)流程中，電路設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和原型設(shè)計(jì)三大步驟就耗費(fèi)85%左右的開發(fā)人力。此外，隨著芯片系統(tǒng)復(fù)雜度快速增長(zhǎng)，開發(fā)時(shí)程卻被壓縮，驗(yàn)證步驟所需進(jìn)行的循環(huán)數(shù)量已經(jīng)從十億級(jí)（gigacycles；109）飆升至百萬兆級(jí)（exacycles；1018）。

因此，Arm的異質(zhì)開發(fā)平臺(tái)也采用了云端環(huán)境，未來將透過建置結(jié)合云端和就地部署基礎(chǔ)設(shè)施的開發(fā)平臺(tái)，并導(dǎo)入智慧化的排程代管服務(wù)（scheduler），就能將運(yùn)算資源分配與設(shè)計(jì)需求管理工作交由Arm的異質(zhì)開發(fā)平臺(tái)處理，不僅最大化利用設(shè)計(jì)開發(fā)者的運(yùn)算資源，更進(jìn)一步邁向全自動(dòng)化芯片設(shè)計(jì)的愿景。

藉由導(dǎo)入云端資源，芯片開發(fā)者將更容易整合繁瑣設(shè)計(jì)流程中的大量數(shù)據(jù)，也能與工程團(tuán)隊(duì)更緊密合作，實(shí)時(shí)配合硬件設(shè)計(jì)的工程方法，在進(jìn)行回歸驗(yàn)證時(shí)也能更有效率。

此外，Cadence的專欄作家暨Breakfast Bytes編輯Paul McLellan就指出，Arm將設(shè)計(jì)工作部分移至云端環(huán)境，主要的驅(qū)動(dòng)因素就是組件庫特征化（cell library characterization）。

組件庫通常涵蓋數(shù)以百計(jì)的組件數(shù)據(jù)，而每個(gè)組件的仿真工作各不相同，因?yàn)檫\(yùn)行的溫度、電壓和制程可能都有差異，因此將組件庫特征化就需要耗費(fèi)大量的CPU運(yùn)算力。

Paul McLellan進(jìn)一步表示，采用云端設(shè)計(jì)環(huán)境最大的好處，就是自CPU導(dǎo)向轉(zhuǎn)為人為導(dǎo)向的典范移轉(zhuǎn)。他舉例，與其采用4個(gè)月的云端運(yùn)算方案，集中運(yùn)算工作至1個(gè)月，不僅能降低35%的成本，運(yùn)算時(shí)間也減少了30%。

整合多方資源的全自動(dòng)設(shè)計(jì)流程

顧名思義，EDA工具是高度自動(dòng)化的設(shè)計(jì)資源，然而，隨著芯片設(shè)計(jì)越趨復(fù)雜，不同軟硬件設(shè)計(jì)語言、組件功能設(shè)定和處理器架構(gòu)，都帶給EDA更多的挑戰(zhàn)。因此，自動(dòng)化功能也需與時(shí)俱進(jìn)，增添更多設(shè)計(jì)工具。

開源架構(gòu)RISC-V的IP供貨商SiFive就以云端建構(gòu)其SoC和處理器開發(fā)平臺(tái)，藉此，他們希望能夠達(dá)成在數(shù)周內(nèi)完成電路設(shè)計(jì)、原型設(shè)計(jì)到送交樣品的開發(fā)流程。

除了加快開發(fā)時(shí)程，云端資源更可以開放多個(gè)云端供貨商、IC設(shè)計(jì)商和制造商共享芯片設(shè)計(jì)平臺(tái)。SiFive推出的首款兼容于Linux操作系統(tǒng)的64位多核RISC-V處理器Freedom Unleashed 540（U540），就是在臺(tái)積電開放創(chuàng)新平臺(tái)虛擬設(shè)計(jì)環(huán)境（OIP VDE）上完成設(shè)計(jì)。

該平臺(tái)結(jié)合了微軟云端平臺(tái)Azure、Cadence與Synopsys專業(yè)的EDA技術(shù)資源，再加上臺(tái)積電的制程技術(shù)、設(shè)計(jì)套件和參考流程等數(shù)據(jù)，提供一個(gè)云端EDA的成果開發(fā)案例。

SiFive首席執(zhí)行長(zhǎng)Naveed Sherwani曾表示，要實(shí)現(xiàn)真正的自動(dòng)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)者僅需提供RTL層級(jí)的硬件語言，剩下的運(yùn)算工作就交由云端平臺(tái)處理，設(shè)計(jì)者甚至不需處理Chisel語言，直接進(jìn)行C語言設(shè)計(jì)工作。

藉由更完善部署云端設(shè)計(jì)界面，芯片開發(fā)工作將更便利快速，此外，融合更多IP資源也是云端EDA的另一優(yōu)勢(shì)，能夠滿足未來特定應(yīng)用領(lǐng)域中人工智能加速器的客制需求。

SiFive日前更宣布與EDA大廠Synopsys合作，在Microsoft Azure云端平臺(tái)上整合Synopsys的開發(fā)與驗(yàn)證資源，持續(xù)為未來SoC芯片設(shè)計(jì)建構(gòu)自動(dòng)化功能。

結(jié)語

云端環(huán)境適合整合多方資源，例如EDA供貨商的設(shè)計(jì)工具、第三方IP、晶圓廠制程設(shè)計(jì)套件（process design kit；PDK）等。隨著云端服務(wù)的供應(yīng)鏈與技術(shù)發(fā)展?jié)u趨成熟，不論是采用公有云、私有云或混合云等多元部署模式，都將能助力IC設(shè)計(jì)為IT產(chǎn)業(yè)開發(fā)注入活水，提升設(shè)計(jì)彈性與加速開發(fā)時(shí)程，在異質(zhì)整合、VLSI、AI等高階芯片需求增長(zhǎng)的時(shí)代，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化設(shè)計(jì)流程。