今年9月底，華為發(fā)布了包括Mate 60智能手機(jī)在內(nèi)的一系列產(chǎn)品，幾乎覆蓋了家庭、個(gè)人、出行等所有的數(shù)字終端設(shè)備應(yīng)用，構(gòu)建了一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)。這些產(chǎn)品除了都具備高度智能化的特點(diǎn)外，還用統(tǒng)一的軟件構(gòu)造了所有產(chǎn)品的統(tǒng)一平臺(tái)，帶來(lái)了極致的用戶體驗(yàn)。hHlesmc

這樣平臺(tái)化的布局其實(shí)源于非常現(xiàn)實(shí)的、對(duì)數(shù)字經(jīng)濟(jì)的需求。如今，數(shù)字經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵趨勢(shì)囊括了數(shù)字平臺(tái)、提供服務(wù)轉(zhuǎn)變?yōu)轶w驗(yàn)以及生態(tài)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)顯示，2016-2025年，全球數(shù)據(jù)量將達(dá)到163 zettabytes，高速發(fā)展的智能設(shè)備（平板、無(wú)人機(jī)、智能手機(jī)等）將在2030年達(dá)到6.9萬(wàn)億美元的市場(chǎng)規(guī)模。hHlesmc

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在這個(gè)市場(chǎng)規(guī)模下，全世界將產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，要存儲(chǔ)并利用好這些數(shù)據(jù)，又帶來(lái)了大量對(duì)工具、芯片以及軟件硬件的需求，而支撐這些應(yīng)用需求的，正是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。hHlesmc

如下圖所示，從摩爾定律演進(jìn)和開(kāi)發(fā)成本的角度來(lái)看，2011年整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的制造工藝集中在28nm，成本達(dá)到歷史低點(diǎn)。隨著工藝技術(shù)的進(jìn)步，半導(dǎo)體制造成本卻開(kāi)始持續(xù)地往回漲，如今要設(shè)計(jì)和生產(chǎn)一顆7nm以下的芯片，成本非常高。hHlesmc

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根據(jù)比利時(shí)微電子研究中心（IMEC）的預(yù)測(cè)，從2024年到2032年，芯片制造工藝會(huì)從2nm逐步發(fā)展到1.4nm、1.0nm、0.7nm甚至0.5nm，不停地往前進(jìn)步。hHlesmc

“但是很不幸的是，這些先進(jìn)工藝目前對(duì)中國(guó)來(lái)說(shuō)是被封鎖的。這也是我們EDA產(chǎn)業(yè)要突破的地方，因?yàn)樗械倪@些先進(jìn)工藝都離不開(kāi)工具軟件的支撐。EDA行業(yè)一定要領(lǐng)先于工藝的發(fā)展，才能支撐工藝的落地。” 在日前舉行的第11屆EEVIA年度中國(guó)硬科技媒體論壇暨產(chǎn)業(yè)鏈研創(chuàng)趨勢(shì)展望研討會(huì)上，上海合見(jiàn)工業(yè)軟件集團(tuán)（UniVista）產(chǎn)品工程副總裁 孫曉陽(yáng) 從高端芯片面對(duì)的發(fā)展挑戰(zhàn)和機(jī)遇出發(fā)，重點(diǎn)談了EDA驗(yàn)證環(huán)節(jié)對(duì)芯片開(kāi)發(fā)的重要性，并介紹了合見(jiàn)工軟的最新驗(yàn)證解決方案。hHlesmc

上海合見(jiàn)工業(yè)軟件集團(tuán)產(chǎn)品工程副總裁 孫曉陽(yáng)hHlesmc

EDA和整體半導(dǎo)體行業(yè)之間的影響

越是高端的應(yīng)用，越會(huì)大量地使用高端芯片。例如智能手機(jī)里的SoC芯片，云計(jì)算HPC用到的高性能CPU、GPU等，都屬于用到先進(jìn)工藝的高端大芯片。從市場(chǎng)生態(tài)發(fā)展的角度看，國(guó)內(nèi)的半導(dǎo)體公司越來(lái)越多，要搶占市場(chǎng)先機(jī)面臨的壓力也越來(lái)越大。再加上流片成本、人員成本越來(lái)越高，對(duì)各種驗(yàn)證技術(shù)的需求就會(huì)越來(lái)越大。hHlesmc

除了芯片設(shè)計(jì)和驗(yàn)證本身，系統(tǒng)級(jí)封裝也一樣面臨非常大的挑戰(zhàn)。由于海量數(shù)據(jù)需要高性能處理，容量的增加讓芯片尺寸越做越大，I/O的高速、大量和多樣化，工藝節(jié)點(diǎn)提升，多核異構(gòu)，層次化的軟件設(shè)計(jì)與多源多版本的全棧式集成以及持續(xù)增加的IP集成需求，都帶來(lái)了先進(jìn)封裝復(fù)雜度的提升。hHlesmc

“其實(shí)整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)可以看做一個(gè)倒三角形，最上面是所有的終端應(yīng)用，中間是電子系統(tǒng)的軟硬件，硬件就包括了芯片，最下層就是EDA工具和IP。” 孫曉陽(yáng)說(shuō)到，“半導(dǎo)體要設(shè)計(jì)并制造出來(lái)，需要EDA工具和IP。就像造一棟大樓要先畫(huà)圖，把大樓的結(jié)構(gòu)圖、應(yīng)力分析做出來(lái)一樣。”hHlesmc

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上層廣闊且龐大的市場(chǎng)規(guī)模，讓位于最下層的EDA看起來(lái)很不起眼。這也是一個(gè)事實(shí)，上層玩家非常多，中層的系統(tǒng)廠商和服務(wù)商也很多，EDA則相對(duì)小眾。但正是這樣的“小眾”，也讓EDA行業(yè)受整體大環(huán)境的影響更小。hHlesmc

以2022年的全球芯片短缺潮為例，當(dāng)時(shí)所有的半導(dǎo)體公司生意都非常好，但到了2023年初，突然間的市場(chǎng)下行，讓很多半導(dǎo)體公司開(kāi)始清庫(kù)存。在這次下行周期中，位于倒三角上方的系統(tǒng)廠商受市場(chǎng)供需關(guān)系影響非常大，雖然影響也傳遞到了EDA行業(yè)，但相對(duì)會(huì)小很多。hHlesmc

孫曉陽(yáng)表示，這是因?yàn)榘雽?dǎo)體或系統(tǒng)廠商即使今年生意不好，仍需繼續(xù)投入研發(fā)，“如果不繼續(xù)做研發(fā)投入，也許兩年后市場(chǎng)復(fù)蘇，就被競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手超過(guò)了。所以對(duì)于芯片和系統(tǒng)廠商來(lái)說(shuō)，今天的研發(fā)投入不是說(shuō)在解決今年的問(wèn)題，而是解決兩年后的問(wèn)題，其中對(duì)新技術(shù)的研發(fā)投入就需要EDA的支撐。”hHlesmc

驗(yàn)證對(duì)芯片設(shè)計(jì)公司的重要性

據(jù)介紹，合見(jiàn)工軟秉承以EDA為核心的工業(yè)軟件戰(zhàn)略，布局從芯片級(jí)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證、系統(tǒng)級(jí)的封裝設(shè)計(jì)一直到應(yīng)用級(jí)，可以支撐超算、大數(shù)據(jù)、AI等方面的應(yīng)用。而其中最重要的著力點(diǎn)就是驗(yàn)證領(lǐng)域，這是因?yàn)轵?yàn)證貫穿整個(gè)芯片設(shè)計(jì)流程，是花費(fèi)時(shí)間、資源最多的步驟。hHlesmc

如下圖所示，設(shè)計(jì)成本隨著工藝節(jié)點(diǎn)的進(jìn)步指數(shù)上升，芯片功能和集成度越來(lái)越高，所涉及的因素特別多，通過(guò)設(shè)計(jì)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷和錯(cuò)誤愈發(fā)重要。hHlesmc

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“以前的手機(jī)除了打電話，就是塊磚。而現(xiàn)在則是一個(gè)漂亮的移動(dòng)設(shè)備，還能拍照、看視頻、玩大型游戲，功能不知道強(qiáng)過(guò)以前多少倍，這就是工藝演進(jìn)帶來(lái)的集成度提高和功能的拓展。” 但孫曉陽(yáng)也同時(shí)提到，“這樣的提升對(duì)芯片功耗、性能又帶來(lái)很多挑戰(zhàn)，驗(yàn)證成本在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)占的比例，正是在這種情況下逐漸變高的。”hHlesmc

驗(yàn)證隨著IC設(shè)計(jì)發(fā)展逐漸細(xì)化，驗(yàn)證方法學(xué)及驗(yàn)證手段在不斷發(fā)展，涉及到仿真驗(yàn)證（Simulation）、硬件仿真（Emulation）、原型驗(yàn)證（Prototyping）、虛擬原型（Virtual Prototyping）、形式驗(yàn)證（Formal）、靜態(tài)時(shí)序分析（STA）等。hHlesmc

孫曉陽(yáng)認(rèn)為，對(duì)一家IC設(shè)計(jì)公司來(lái)說(shuō)，驗(yàn)證是芯片開(kāi)發(fā)最大的挑戰(zhàn)，而工具和方法學(xué)是驗(yàn)證的基礎(chǔ)。只有在驗(yàn)證上做得又快又好又完整，才能提升效率，因此要將各種驗(yàn)證方法結(jié)合，來(lái)提升驗(yàn)證的可預(yù)期性。“在保證激勵(lì)及場(chǎng)景的真實(shí)性、準(zhǔn)確度，跨平臺(tái)的一致性、驗(yàn)證引擎的健壯性等驗(yàn)證的質(zhì)量的同時(shí)，由于現(xiàn)在各種應(yīng)用的不斷變化，還要滿足功能、性能、功耗、安全、軟硬件協(xié)同等場(chǎng)景不一樣的驗(yàn)證多樣化需求。”hHlesmc

各種驗(yàn)證方法的優(yōu)劣勢(shì)

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他認(rèn)為，應(yīng)該從幾個(gè)維度來(lái)判斷驗(yàn)證工具的好壞：hHlesmc

• 最上方的線代表花多大的力氣才能把驗(yàn)證環(huán)境準(zhǔn)備好開(kāi)始跑；
• 最下方的線是工具運(yùn)行的速度（Speed），例如一個(gè)小模塊或整顆芯片，跑多久驗(yàn)證工作可以結(jié)束；
• 左邊的線代表容量（Capacity），即一次驗(yàn)證能處理的是一個(gè)小模塊、一個(gè)子系統(tǒng)還是一顆芯片；
• 右側(cè)的線代表Visibility & Debuggability，意思就是跑驗(yàn)證會(huì)有錯(cuò)的地方，這個(gè)錯(cuò)有可能出現(xiàn)在驗(yàn)證本身的環(huán)境中，工程師要去調(diào)試它，“在驗(yàn)證領(lǐng)域還有一個(gè)非常通常的共識(shí)，調(diào)試會(huì)占驗(yàn)證70%的時(shí)間。所以在所有驗(yàn)證方法和手段中，可調(diào)試能力是非常重要的因素。”孫曉陽(yáng)說(shuō)到，“如果不可調(diào)試，即便能很快地把錯(cuò)誤找到，找不到根本原因還是無(wú)法解決問(wèn)題。”

從這四個(gè)維度可以發(fā)現(xiàn)，軟件仿真（Simulation）的速度是最慢的，只能處理比較小規(guī)模的單元、模塊和子系統(tǒng)初始化，但所有信號(hào)可見(jiàn)，所以可調(diào)試性非常好。hHlesmc

大概十年前左右，國(guó)內(nèi)就開(kāi)始大量使用硬件仿真加速器（Emulator），可以看做EDA工具用一個(gè)硬件系統(tǒng)，去仿真客戶的設(shè)計(jì)。硬件仿真在速度和容量上都較軟件仿真有所提升。hHlesmc

而傳統(tǒng)上原型驗(yàn)證系統(tǒng)（Prototype），就是在芯片流片之前，把設(shè)計(jì)的一部分放到FPGA上驗(yàn)證，它的優(yōu)勢(shì)是速度可以跑得很快。hHlesmc

所以綜合對(duì)比上面三種驗(yàn)證方式，傳統(tǒng)的硬件仿真容量最大，原型驗(yàn)證雖然容量相對(duì)低一些，但可以跑得更快。隨著軟件的發(fā)展，原型驗(yàn)證和硬件仿真開(kāi)始出現(xiàn)融合，界限已經(jīng)不那么清晰了，業(yè)內(nèi)一般把它們統(tǒng)稱為硬件加速或者硬件原型系統(tǒng)。hHlesmc

在這樣的大系統(tǒng)上，IC設(shè)計(jì)公司有機(jī)會(huì)把一顆芯片設(shè)計(jì)全部放到硬件上做驗(yàn)證，并且可以跟外界所有接口對(duì)接，去仿真和驗(yàn)證一個(gè)真實(shí)的場(chǎng)景，甚至跑真實(shí)的軟件也變成可能。hHlesmc

當(dāng)然，這種硬件原型系統(tǒng)還是比真實(shí)的芯片測(cè)試（Test Chip）要慢很多。舉例來(lái)說(shuō)，操作系統(tǒng)在筆記本電腦的真實(shí)芯片上可能是一分鐘就跑起來(lái)了，但是到硬件仿真或者原型驗(yàn)證系統(tǒng)上要幾十分鐘或一個(gè)小時(shí)的水平。hHlesmc

“但它（原型驗(yàn)證系統(tǒng)）的突破在于相比其他幾種驗(yàn)證方式，終于能把操作系統(tǒng)跑起來(lái)，能跑起來(lái)就意味著能跑應(yīng)用。” 孫曉陽(yáng)以手機(jī)行業(yè)最常見(jiàn)的跑分宣傳為例，事實(shí)上手機(jī)芯片的公司在流片之前，真的會(huì)在原型驗(yàn)證或硬件仿真上跑分，這樣才能在芯片回來(lái)之前就知道芯片的性能、功耗。“正是因?yàn)橛辛擞布抡婧驮万?yàn)證的大量使用，才使得中國(guó)的半導(dǎo)體設(shè)計(jì)和制造企業(yè)可以高效率地去設(shè)計(jì)和生產(chǎn)這樣的芯片。”hHlesmc

合見(jiàn)工軟驗(yàn)證工具的優(yōu)勢(shì)

合見(jiàn)工軟的產(chǎn)品覆蓋了上面提到的驗(yàn)證范圍和領(lǐng)域，算得上是一個(gè)全流程驗(yàn)證平臺(tái)，包含了形式驗(yàn)證、數(shù)字仿真器和硬件仿真加速器和原型驗(yàn)證系統(tǒng)，以及虛擬原型驗(yàn)證。hHlesmc

所有這些驗(yàn)證引擎都是基于計(jì)算的，算出來(lái)對(duì)錯(cuò)后要進(jìn)行調(diào)試，所以下圖下方的Debug調(diào)試平臺(tái)（Debugger），在所有驗(yàn)證工具判定“對(duì)或錯(cuò)”后，會(huì)轉(zhuǎn)移到調(diào)試工具環(huán)境中尋找對(duì)錯(cuò)的原因。hHlesmc

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由于驗(yàn)證是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，所以需要做驗(yàn)證管理，合見(jiàn)工軟做的整個(gè)驗(yàn)證管理系統(tǒng)從規(guī)劃、出口標(biāo)準(zhǔn)去驅(qū)動(dòng)整個(gè)驗(yàn)證流程，然后簽核（signoff）和出口。hHlesmc

原型驗(yàn)證系統(tǒng)是合見(jiàn)工軟引以為傲的產(chǎn)品，滿足了剛才上文提到的驗(yàn)證質(zhì)量、效率、可預(yù)期性等因素，當(dāng)前面對(duì)超大規(guī)模CPU/HPC芯片軟硬件協(xié)同驗(yàn)證挑戰(zhàn)，還要支持更大的容量。hHlesmc

“一款驗(yàn)證工具的容量、性能，代表了實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)移植和啟動(dòng)速度的能力。直接反應(yīng)出花多少力氣能把一個(gè)設(shè)計(jì)在驗(yàn)證平臺(tái)上跑起來(lái)。再來(lái)就是調(diào)試手段能否實(shí)現(xiàn)芯片的快速版本迭代，能否支持十億門(mén)的大規(guī)模設(shè)計(jì)等。”孫曉陽(yáng)說(shuō)到。hHlesmc

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目前，合見(jiàn)工軟新一代時(shí)序驅(qū)動(dòng)（Timing-Driven）高性能原型驗(yàn)證系統(tǒng)Advanced Prototyping System（UV APS）已經(jīng)實(shí)現(xiàn)4-100顆VU19P FPGA級(jí)聯(lián)，這也是賽靈思（Xilinx）最成熟、最大的一顆FPGA。據(jù)悉合見(jiàn)工軟在客戶端的實(shí)際部署總數(shù)已經(jīng)達(dá)到160顆，按照單套設(shè)備四顆FPGA 10億門(mén)計(jì)算，大概支持40億門(mén)的規(guī)模，最大容量支持25套設(shè)備級(jí)聯(lián)。hHlesmc

UV APS全新功能升級(jí)版還集成了先進(jìn)的時(shí)序驅(qū)動(dòng)全流程編譯軟件APS Compiler，自研前端編譯處理引擎可以快速實(shí)現(xiàn)多種類型設(shè)計(jì)的移植和啟動(dòng)，降低用戶初期部署成本。APS Compiler內(nèi)嵌的時(shí)序驅(qū)動(dòng)引擎，通過(guò)大范圍TDM ratio自動(dòng)優(yōu)化求解，面對(duì)10億門(mén)以上設(shè)計(jì)也能自動(dòng)化快速實(shí)現(xiàn)更優(yōu)性能。hHlesmc

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全新版的UV APS同時(shí)還提供了寄存器回讀和深度調(diào)試等多樣化調(diào)試手段，同時(shí)提供了面向多種行業(yè)應(yīng)用的原型驗(yàn)證子卡及快速定制服務(wù)，支持PCIe Gen5、DDR5、HBM2e等高性能接口速率適配，支持虛擬原型混合驗(yàn)證等一系列適配多種典型應(yīng)用的解決方案，應(yīng)對(duì)原型驗(yàn)證的各種復(fù)雜場(chǎng)景需求。hHlesmc

“另外一些客戶在做原型驗(yàn)證之前，并不是所有RTL代碼都是準(zhǔn)備好的，有可能一部分準(zhǔn)備好，一部分還沒(méi)有。這時(shí)候可以一部分跑在原型驗(yàn)證系統(tǒng)服務(wù)器上，另一部分用硬件模型來(lái)替代做Hybrid（聯(lián)合仿真和驗(yàn)證）。”孫曉陽(yáng)說(shuō)到，“這樣可以實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證左移，不一定等到所有代碼都實(shí)現(xiàn)完了再開(kāi)始驗(yàn)證工作，可以更早地開(kāi)始驗(yàn)證和軟件開(kāi)發(fā)，縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。”hHlesmc

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除了驗(yàn)證，封裝等應(yīng)用也非常重要，所以合見(jiàn)工軟也在PCB和封裝領(lǐng)域做了布局。UniVista Integrator（UVI）增強(qiáng)版完善了先進(jìn)封裝設(shè)計(jì)在IC、Package、PCB設(shè)計(jì)協(xié)同的Sign-off功能，支持全面的系統(tǒng)互連一致性檢查（System-Level LVS）。據(jù)稱，合見(jiàn)工軟在仿真生產(chǎn)設(shè)計(jì)環(huán)境所得準(zhǔn)確率、覆蓋率均達(dá)100%，該版本將檢查效率提高了96倍，從上一版檢查600,000管腳8分鐘提升至5秒鐘；同時(shí)，在圖形顯示性能、效果與精度上都有大幅提升。EDMPro則是基于規(guī)則的庫(kù)管理簽核工具。hHlesmc

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結(jié)語(yǔ)

除了工具以外，現(xiàn)在的芯片大量使用了IP。典型的SoC會(huì)有ISP、NPU、GPU、CPU等等，還有外圍各種高速接口、低速接口、Memory等等。所以合見(jiàn)工軟除了EDA工具，也在積極布局IP領(lǐng)域。今年5月，合見(jiàn)工軟收購(gòu)北京諾芮集成電路設(shè)計(jì)有限公司，就是其IP產(chǎn)品線的戰(zhàn)略布局之一，目前做了以太網(wǎng)控制器、PCIe等等IP產(chǎn)品；Memory方面也做了DDR等解決方案；另外半導(dǎo)體工藝的演進(jìn)，也催生了Chiplet這種新的封裝方式，UCIe接口協(xié)議就是用于支持Chiplet異構(gòu)封裝的。hHlesmc

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據(jù)孫曉陽(yáng)介紹，合見(jiàn)工軟這些IP相關(guān)產(chǎn)品從兩年半前已經(jīng)陸續(xù)針對(duì)一些客戶做了部署，也得到了認(rèn)可。hHlesmc

不過(guò)，近期國(guó)內(nèi)EDA行業(yè)最受矚目的還是合見(jiàn)工軟與華大九天聯(lián)合發(fā)布的全國(guó)產(chǎn)化完整數(shù)?；旌闲盘?hào)設(shè)計(jì)仿真解決方案。一顆芯片中除了數(shù)字部分，還有模擬部分，最典型的例子就是手機(jī)芯片，除了數(shù)字部分的CPU，還有模擬的基帶芯片和天線RF部分。hHlesmc

“通常來(lái)講，現(xiàn)在的芯片大多是‘大A（Analog）小D（Digital）’，也有場(chǎng)景是‘大D小A’。”談到和華大九天的合作，孫曉陽(yáng)表示，“華大九天做高速高精度并行晶體管級(jí)電路模擬仿真（Empyrean ALPS），我們做高性能數(shù)字仿真（UVS），共同在客戶端打通接口。在兩者結(jié)合的過(guò)程中，最主要解決的是仿真精度的問(wèn)題，所以通過(guò)這個(gè)模型，來(lái)構(gòu)建兩者之間的橋梁。”hHlesmc

最后孫曉陽(yáng)指出，合見(jiàn)工軟的愿景就是在EDA產(chǎn)業(yè)覆蓋從芯片、系統(tǒng)到應(yīng)用層次，所以也希望能夠團(tuán)結(jié)擁有更多的人才，一起來(lái)打造成熟的國(guó)內(nèi)EDA解決方案和生態(tài)。hHlesmc