拿起石頭做武器那一刻,決定了人類將成為這個星球的萬物之靈,工具是人類文明高度的衡量標準,是生產力水平的代表,也是行業變革的催化劑。相機出現之前,畫師既是藝術家,也是一種職業;相機出現之后,畫師就只剩下藝術屬性,普通人稍加訓練,拍出的照片惟妙惟肖,與實景纖毫不差,面對工具加持的影像愛好者,在實景還原方面,一般畫師就算有十年功力也難比過,畫筆仍可以呈現藝術,但影像產業的繁榮則離不開現代工具。在工程領域也是如此,芯片設計最早都是靠工程師一筆一劃用紙筆將設計在圖紙上呈現出來,但集成度的提高很快讓設計任務超出人力極限,各種工具應運而生,幫助工程師應對越來越復雜的產品開發,最后,EDA工具與IP成為了一個百億美元規模的產業。

為什么EDA工具要從“Photoshop”變成“美圖秀秀”?

最早的芯片產品開發者就像畫師一樣,從產品定義到邏輯設計,從版圖到封裝,從測試到應用,每一個晶體管都靠頭腦和手工處理,屬于高強度勞動密集型工作,對開發人員知識與經驗要求極高,培養人才周期很長,不利于產業規模化發展。

隨著計算機輔助設計(CAD)、設計重用和模型化開發等技術發展,芯片功能開發與具體物理實現逐漸剝離開,芯片架構師與數字電路設計工程師不再需要關注晶體管在物理實現時的很多細節,單元庫、硬件描述語言和硅IP的出現,讓工程師可以用抽象化的高級語言設計芯片,通過邏輯綜合工具把抽象化設計轉換成實際的邏輯電路連接組合,從而突破了人力極限,推動芯片沿著摩爾定律預測的方向不斷提升集成度。

EDA工具就這樣連接兩端,一端連接思路活躍的工程師,一端連接規則嚴謹的物理世界。所以,EDA工具提高升級也沿著兩個方向走,一個方向面向工程師,即工具的易用性,簡化難度,降低門檻,讓更多人可以從事芯片開發;一個方向是面向物理世界的,即功能性,規則要夠細,功能要夠強,規模要夠大,效率要夠高,做好芯片工藝升級換代的支撐。

但易上手和功能強不能兼美的情況還很普遍,對此,EDA大廠的答案很簡單,不做選擇,全都提供。

新思科技中國董事長兼全球資深副總裁葛群告訴探索科技(techsugar),隨著數字社會全面來臨,芯片應用范圍不斷擴展,不同設計需求將長期共存,新思為開發者提供了不同類型的集成電路設計工具,以滿足更多元化的工程需求。

他用“美圖秀秀”和“Photoshop”來舉例。家電等功能簡單的終端產品所使用的芯片并不復雜,性能要求也不高,普通工藝就能滿足應用要求;而像CPU、GPU等追求極致性能的SoC,功能繁多,集成度要求極高,需要最先進的工藝才能實現。對于前者而言,相對簡單的“美圖秀秀”級別的工具便可滿足其設計需求,而后者則需要更為專業的“Photoshop”級別的工具。

葛群表示,由于數字社會中芯片的需求量激增,未來使用“美圖秀秀”類EDA工具進行芯片設計的場景會更多,市場潛力也會更大。因此,使芯片設計變得像用“美圖秀秀”做圖一樣簡單,而不是維持在原來只有少數人才能掌握的專業“Photoshop”,是半導體技術發展的前景及新思一直以來的期待。

降低EDA工具使用門檻大勢所趨,半導體產業發展勢頭迅猛,人才缺口已經成為影響行業發展勢頭的決定性因素。

從1959年集成電路產業誕生,到1994年全球半導體產值首次突破1000億美元,用時35年,而在突破千億美元大關之后6年,半導體產值即破2000億元美元,3000億關口和4000億關口分別用了10年和7年。根據市場研究機構IC Insights的估算,2021年全球半導體產值將突破5000億美元,這也算4000億到5000億關口用時4年,而該機構預測2年之后的2023年,全球半導體產值將突破6000億。

市場規模在膨脹,大芯片提高集成度的游戲還在延續,那么向EDA工具要開發效率的要求就會一直存在,而降低專業軟件使用門檻,補齊人才缺口,用“美圖秀秀”級別使用難度的軟件,也能開發出功能強大的芯片,就成為EDA工具廠商的使命。

新思能提供什么樣的“Photoshop”和“美圖秀秀”?

在小芯片開發上,現有工具已經比較強大,縱然還不能像“美圖秀秀”一樣一鍵完成設計,但有足夠豐富的工具、IP庫與設計案例供開發者選擇,已經大幅降低了開發難度。大芯片則要難很多,動輒集成數十億顆晶體管,支持千百個功能,待測項成千上萬,先進工藝要考慮的參數遠多于成熟工藝,開發周期還是固定的18個月左右,像移動或桌面處理器這樣巨大的系統工程,廠商往往要投入大幾千工程師年開發資源,而至少每年升級一代主打產品已經成為頭部芯片產品公司的慣例,如此浩大的工程,應該如何簡化呢?

葛群介紹,新思為開發者提供了一套組合拳,利用開發左移、設計上云、人工智能與硅生命周期管理等創新理念和技術變革,芯片設計企業在工具和新式開發方法學幫助下,分解工程難度、加速設計進程、縮短開發時間,從而提高研發產出率。

具體來看,開發左移(Shift Left)是指提前啟動芯片驗證和軟件開發工作。傳統開發流程各環節順序展開,功能驗證和軟件開發只能等芯片生產好之后才能正式開始,隨著芯片集成度提高,芯片驗證與軟件開發工作量越來越大,投入工程師資源不變時,開發時間就大大延長,極大增加了錯過新產品市場最佳投放時機的風險。

解決之道就是開發左移,利用IP復用、驗證左移和Virtualizer等虛擬原型設計解決方案,軟件工程師和驗證工程師不需要等芯片生產出來,就可以在新思打造的虛擬原型平臺上進行軟件開發與功能驗證。這樣,開發者從最初產品定義期就開始驗證項目流程管理的順暢性、合理性,讓整體步驟前移,從而加速設計進程、縮短設計時間并提高設計成功率。

人工智能在芯片設計工具、方法論和流程上應用效果如何,是EDA工具能否從“Photoshop”轉向“美圖秀秀”的關鍵。在這個領域,新思已經結出碩果。2020年初,新思推出DSO．ai技術,通過在芯片設計工作中引入人工智能,讓EDA工具更智能化,更好用,并進一步提高了芯片設計的抽象層次,大幅降低芯片設計的難度和門檻,讓開發者將更多精力投放在高層次模塊的創新上。新思還利用人工智能技術在芯片設計的巨大求解空間里搜索優化目標,自主執行次要決策,幫助芯片設計團隊以專家級水平進行操作,從而大幅提高整體生產力。

此外,新思諸多工具在推動人工智能硬件研發方面也起到了關鍵作用,尤其在硅工程、IP、設計與驗證三個關鍵領域。2020年10月,新思宣布與IBM Research人工智能硬件中心的合作進入新階段,目標是在新思的工具和工程師協助下,2029年將人工智能計算性能比當前提升1000倍。

芯片設計上云是另一個重點方向。“云上EDA”融合了EDA技術與云端運算性能和存儲優勢,能解決大型芯片設計面臨的算力缺口問題,為開發者提供價格便宜的、實時可用的算力,研發環境部署簡單快捷、高度協同,還可獲得專家實時響應和支持。多年前,新思就開始與大型芯片公司合作,開展內部云上部署。例如,新思與臺積電共同部署云上設計和芯片制造平臺,幫助臺積電成為首家實現云設計的代工廠。世界上首枚完全在云上實現的芯片,就誕生在臺積電的云設計平臺上。新思還與臺積電在微軟Azure平臺上成功實現云上時序簽核(signoff)新流程,加快片上系統開發效率。

硅生命周期管理(SLM)平臺則可視為芯片產品開發的大管家,該工具通過分析芯片內部的片上監控器和傳感器數據,從而實現對SoC的全生命周期管理。新思的SLM平臺為芯片開發及應用管理提供最豐富的數據,其數據收集范圍覆蓋芯片的設計校正、生產良率、測試驗證、質量監控、性能評測到使用維護等環節,利用這些數據,結合新思融合設計(Fusion Design)工具,開發人員可以對芯片的性能、可靠性和安全性進行深入分析,這為SoC開發團隊的設計經驗積累打開全新視角,為開發者在芯片開發和系統應用中的每個階段實現優化帶來可能。

從上述產品來看,EDA公司本質上就是軟件公司,但和通用軟件或互聯網公司差異極大。軟件特色之一是迭代快,尤其互聯網產品,上線之后再通過反復迭代試錯來完善產品是常見的做法。EDA產品的試錯空間就沒那么大,大芯片開發投入大,時間窗口緊,一代產品沒有趕上就步步被動,因此芯片產品公司期望在產品交付前把致命性缺陷都排除。新思三大業務都在圍繞幫客戶在限定時間內開發出最低缺陷的產品做文章,例如開發左移、IP化設計和軟件完整性等。

兼容并包是EDA發展之道

EDA公司的杠桿作用特別明顯。宏觀來看,EDA加上IP全球產值規模不過百億美元,卻是5000億美元半導體行業的“蘇伊士運河”,EDA和IP被“堵住”,晶圓制造公司和芯片設計公司均無法運轉;微觀來看,EDA與IP運用得好壞,決定著一個芯片產品公司的開發效率,還影響著產品質量和知識傳承,因此優秀的芯片產品公司和EDA公司相互成就,彼此激勵,一款釋放生產力的新工具,往往源自于芯片產品公司在開發新產品時的定制化需求。

作為芯片產業的根技術和硬科技,EDA與IP的重要性不言而喻。中國EDA產業發展磕磕絆絆,尚不能支撐當前本土芯片產業發展需求,但近年來,我國對EDA產業重視程度提高很多,國內也出現了一大批EDA和IP公司,據不完全統計,近期準備上市的EDA與IP企業就有7家。

葛群建議,本土EDA廠商在謀發展時要更具耐心,持續投入積淀,然后靜待時間來發酵。一款芯片的設計周期通常是一至兩年,但僅一個EDA點工具的開發周期就需要三年,平臺型工具更至少需要五年的開發時間。新思的發展歷程就頗多借鑒之處,從點工具入場,通過長期研發投入和不斷并購,歷時30多年新思才構建起了如今陣列完整的EDA工具庫。EDA本土化發展也不可能一蹴而就,必然是一個漸進的過程——先從單個點工具切入,再循序漸進到整個套件和平臺。

葛群認為,在當前國內國際雙循環相互促進的新發展格局下,新思在多數場景中都將是本土EDA廠商的合作伙伴,而非競爭對手。在本土公司尚不能構建起完整芯片開發環境前,本土供應鏈更可行的方式是與新思等頭部企業加強合作,利用新興的人工智能和云計算的技術,結合當前EDA頭部企業的優勢產品,發揮本土公司特色,為中國芯片行業發展鋪平道路。

在支持本土EDA產業發展上,新思勇于嘗試。2020年,新思與國產EDA公司芯華章開展合作,在南京設立云驗證中心,為芯片設計企業提供驗證服務。2021年,新思將12至28納米工藝技術授權芯耀輝,芯耀輝可利用這些技術來適配國內芯片制造工藝的DesignWare 、USB、DDR、MIPI、HDMI和PCI Express等系列IP核,芯耀輝將為本土芯片制造商進行定制優化,以提高本土廠商芯片設計自動化水平,提升開發效率和驗證能力。此外,芯行紀也在2021年開始為中國市場提供新思的Tweaker系列ECO(Engineering Change Orders)產品,并提供相應的技術支持。

葛群表示,在集成電路這樣一個“合作大于競爭”的行業中,發展得好的EDA廠商尤其體現了兼容并包的精神。

三大EDA廠商一路并購,將過去幾十年工程師的奇思妙想都保留在自己的產品樹中,這些產品凝結了EDA行業發展歷程中所有知識結晶,只是有些被蒙上了歲月的灰塵,有些才長出來正閃閃發亮。