云端部署引領(lǐng)IC設計邁向全自動(dòng)化

通訊、車(chē)用和物聯(lián)網(wǎng)是未來(lái)IC應用的主要場(chǎng)域，尤其隨著(zhù)持續開(kāi)發(fā)人工智能應用，以及擴大部署5G、Wi-Fi 6等新一代網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，這些頗具潛力的應用展現了強勁成長(cháng)。

根據市調機構IC Insights上（6）月公布的研究顯示，消費性及通訊IC類(lèi)仍居IC市場(chǎng)最高市占率，至2024年預計將達35.5%，在近20年來(lái)成長(cháng)幾近翻倍，速率驚人；車(chē)用類(lèi)則呈現穩定成長(cháng)，雖然市占率目前不到10%，但其年復合成長(cháng)率（CAGR）在所有應用類(lèi)別中表現最為突出，至2024年CAGR可能達9.7%。

就消費性及通訊應用來(lái)說(shuō)，5G芯片已經(jīng)成為發(fā)展指針，設計開(kāi)發(fā)商面臨的挑戰，除了處理器、圖形運算芯片等基本運算力，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應用的硬件設計工作。不論是SoC或是芯片組，在功能性和運算規格要求上都將更為嚴苛，要應對這些設計挑戰，更快速、更智能化且自動(dòng)化的設計工具將成為必需。

若想搶占這些明星市場(chǎng)，芯片設計或開(kāi)發(fā)商除了以縮短開(kāi)發(fā)時(shí)程來(lái)?yè)寠Z上市先機之外，善用計算機設計工具與云端平臺，未來(lái)將能大幅增加開(kāi)發(fā)規劃的整合資源與部署彈性，進(jìn)而全面優(yōu)化設計流程與產(chǎn)品開(kāi)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、成本控制和設計系統轉移等技術(shù)和營(yíng)運問(wèn)題，仍待提出更多解決方案并加以驗證。IC設計要走向云端，就要做好長(cháng)期抗戰的準備。

Cadence云端事業(yè)發(fā)展副總Craig Johnson就表示，EDA客戶(hù)在最初洽談云端EDA解決方案時(shí)，首要問(wèn)題往往是該方案是否已有早期采用者。足見(jiàn)IC設計商對于部署環(huán)境的轉換，態(tài)度尤其謹慎。

然而，盡管EDA云端解決方案的采用茲事體大，云端環(huán)境具備快速升級運算效能、彈性部署及整合設計資源的能力，這些優(yōu)點(diǎn)在5G和AI應用驅動(dòng)的未來(lái)市場(chǎng)，將逐漸成為絕對優(yōu)勢。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算資源

在芯片設計環(huán)境采用云端資源其實(shí)具備不同選擇，國際芯片大廠(chǎng)往往已建構具備相當規模與效能等級的基礎設施，因此，與其說(shuō)是以云端取代就地部署，不如說(shuō)是將云端納入IC設計系統，再藉由建立一個(gè)整合云上云下的整合開(kāi)發(fā)平臺，進(jìn)行最有效率的設計工作環(huán)境部署。

行動(dòng)應用芯片大廠(chǎng)Arm在去（2019）年AWS云端科技發(fā)表會(huì )（AWS re:Invent）上就指出，在其設計流程中，電路設計、驗證和原型設計三大步驟就耗費85%左右的開(kāi)發(fā)人力。此外，隨著(zhù)芯片系統復雜度快速增長(cháng)，開(kāi)發(fā)時(shí)程卻被壓縮，驗證步驟所需進(jìn)行的循環(huán)數量已經(jīng)從十億級（gigacycles；109）飆升至百萬(wàn)兆級（exacycles；1018）。

因此，Arm的異質(zhì)開(kāi)發(fā)平臺也采用了云端環(huán)境，未來(lái)將透過(guò)建置結合云端和就地部署基礎設施的開(kāi)發(fā)平臺，并導入智慧化的排程代管服務(wù)（scheduler），就能將運算資源分配與設計需求管理工作交由Arm的異質(zhì)開(kāi)發(fā)平臺處理，不僅最大化利用設計開(kāi)發(fā)者的運算資源，更進(jìn)一步邁向全自動(dòng)化芯片設計的愿景。

藉由導入云端資源，芯片開(kāi)發(fā)者將更容易整合繁瑣設計流程中的大量數據，也能與工程團隊更緊密合作，實(shí)時(shí)配合硬件設計的工程方法，在進(jìn)行回歸驗證時(shí)也能更有效率。

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

組件庫通常涵蓋數以百計的組件數據，而每個(gè)組件的仿真工作各不相同，因為運行的溫度、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大量的CPU運算力。

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

整合多方資源的全自動(dòng)設計流程

顧名思義，EDA工具是高度自動(dòng)化的設計資源，然而，隨著(zhù)芯片設計越趨復雜，不同軟硬件設計語(yǔ)言、組件功能設定和處理器架構，都帶給EDA更多的挑戰。因此，自動(dòng)化功能也需與時(shí)俱進(jìn)，增添更多設計工具。

開(kāi)源架構RISC-V的IP供貨商SiFive就以云端建構其SoC和處理器開(kāi)發(fā)平臺，藉此，他們希望能夠達成在數周內完成電路設計、原型設計到送交樣品的開(kāi)發(fā)流程。

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

該平臺結合了微軟云端平臺Azure、Cadence與Synopsys專(zhuān)業(yè)的EDA技術(shù)資源，再加上臺積電的制程技術(shù)、設計套件和參考流程等數據，提供一個(gè)云端EDA的成果開(kāi)發(fā)案例。

SiFive首席執行長(cháng)Naveed Sherwani曾表示，要實(shí)現真正的自動(dòng)化設計，設計者僅需提供RTL層級的硬件語(yǔ)言，剩下的運算工作就交由云端平臺處理，設計者甚至不需處理Chisel語(yǔ)言，直接進(jìn)行C語(yǔ)言設計工作。

藉由更完善部署云端設計界面，芯片開(kāi)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，能夠滿(mǎn)足未來(lái)特定應用領(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(chǎng)Synopsys合作，在Microsoft Azure云端平臺上整合Synopsys的開(kāi)發(fā)與驗證資源，持續為未來(lái)SoC芯片設計建構自動(dòng)化功能。

結語(yǔ)

云端環(huán)境適合整合多方資源，例如EDA供貨商的設計工具、第三方IP、晶圓廠(chǎng)制程設計套件（process design kit；PDK）等。隨著(zhù)云端服務(wù)的供應鏈與技術(shù)發(fā)展漸趨成熟，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設計為IT產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)注入活水，提升設計彈性與加速開(kāi)發(fā)時(shí)程，在異質(zhì)整合、VLSI、AI等高階芯片需求增長(cháng)的時(shí)代，進(jìn)一步實(shí)現全自動(dòng)化設計流程。