“你驗(yàn)完了沒有,？”“芯片還存不存在bug？”
這是芯片驗(yàn)證團(tuán)隊(duì)經(jīng)常直面的兩個(gè)靈魂問題,，這樣的問題,，實(shí)際上也是對(duì)EDA驗(yàn)證能力的拷問。
5月10日,，在南京EDA公司芯華章舉辦的研討會(huì)上,，多位芯片資深從業(yè)者對(duì)驗(yàn)證EDA的痛點(diǎn)和破局之徑進(jìn)行了深入交流。中興微電子有線系統(tǒng)部部長(zhǎng)賀志強(qiáng)談道,，隨著集成電路規(guī)模,、復(fù)雜度提升，芯片的“一版成功”已是最低要求,。芯片驗(yàn)證不僅要質(zhì)量,，還要在有挑戰(zhàn)的時(shí)間窗內(nèi)完成。
市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)加劇，正進(jìn)一步壓縮芯片研發(fā)周期,。燧原科技資深架構(gòu)師鮑敏祺對(duì)此感受深刻,，以前做大芯片流片大約需要一年半，現(xiàn)在則可能得縮短至一年,。
也就是說(shuō),，芯片工程師要在更短時(shí)間內(nèi)，做更多門級(jí)的驗(yàn)證工作,。芯片規(guī)模變大后,，整個(gè)驗(yàn)證亦從單點(diǎn)功能升級(jí)到整個(gè)系統(tǒng)級(jí)、場(chǎng)景級(jí)的需求,。
這些挑戰(zhàn),，正推動(dòng)著驗(yàn)證EDA工具加速進(jìn)化。
EDA（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）軟件被譽(yù)為“芯片之母”,，是整個(gè)集成電路產(chǎn)業(yè)鏈“金字塔尖”般的存在,。芯片工程師正是借助EDA工具，才得以完成單芯片集成了千億顆晶體管的復(fù)雜電路設(shè)計(jì),。
“沒有好的EDA軟件,，我們不可能制造出好的芯片?！焙戏适形㈦娮友芯吭涸洪L(zhǎng)陳軍寧說(shuō),。EDA工具的使用，能極大避免芯片電路設(shè)計(jì)和布局的錯(cuò)誤,，而高成功率,，便意味著更少的損失。
芯片流片費(fèi)用高到驚人——低端芯片流片一次花費(fèi)數(shù)十萬(wàn)元,，先進(jìn)制程更是上億,。對(duì)于一些中小企業(yè)來(lái)說(shuō)，如果流片失敗兩三次,，它們就可能面臨破產(chǎn),。這要求芯片驗(yàn)證環(huán)節(jié),，必須萬(wàn)無(wú)一失,。
但在賀志強(qiáng)看來(lái)，如何度量質(zhì)量與效率,，仍要打一個(gè)問號(hào),。其中既有主觀的數(shù)據(jù)，又有客觀的數(shù)據(jù),，在各種數(shù)據(jù)之間如何佐證不同的流程,、不同的方法，不同的工具之間又如何關(guān)聯(lián)，這是留給驗(yàn)證的問題,，亦是給EDA廠商的問題,。
EDA集體面對(duì)的挑戰(zhàn)，也是國(guó)產(chǎn)EDA企業(yè)突圍的機(jī)會(huì)所在,。
本文福利：全球EDA行業(yè)呈現(xiàn)寡頭壟斷趨勢(shì),，國(guó)產(chǎn)EDA工具市占率較低，個(gè)別點(diǎn)工具成為未來(lái)突破口,。推薦精品研報(bào)《EDA深度報(bào)告：半導(dǎo)體賦能基石,，國(guó)產(chǎn)突圍勢(shì)在必行》，可在公眾號(hào)聊天欄回復(fù)關(guān)鍵詞【芯東西261】獲取,。
01.
國(guó)產(chǎn)EDA風(fēng)起：
起點(diǎn)高,、包袱輕、貼近客戶
國(guó)內(nèi)外動(dòng)蕩的貿(mào)易背景,，加速了國(guó)內(nèi)芯片產(chǎn)業(yè)對(duì)國(guó)產(chǎn)EDA的迫切需求,。盡管國(guó)際三巨頭占據(jù)了主要的EDA市場(chǎng)，但隨著技術(shù)的飛躍發(fā)展,，創(chuàng)新產(chǎn)品和新興初創(chuàng)公司仍不斷涌現(xiàn),，國(guó)產(chǎn)EDA企業(yè)正面對(duì)一個(gè)前所未有的市場(chǎng)機(jī)遇。
據(jù)中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)（CSIA）統(tǒng)計(jì),，2020年中國(guó)EDA行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模約93.1億元,，同比增長(zhǎng)27.7%，其中我國(guó)本土EDA工具市場(chǎng)份額約為12%,。
▲2015-2025年中國(guó)EDA行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模統(tǒng)計(jì)及預(yù)測(cè)（圖源：概倫電子IPO文件,，數(shù)據(jù)來(lái)源：CSIA）
合肥市微電子研究院院長(zhǎng)陳軍寧談道，國(guó)內(nèi)EDA公司在全流程工具方面與國(guó)際巨頭差距尚存,，但在許多點(diǎn)工具方面已與國(guó)際水平相當(dāng),，甚至領(lǐng)先于國(guó)際水平。
“國(guó)產(chǎn)EDA公司擁有高技術(shù)起點(diǎn)和貼近本地市場(chǎng)的優(yōu)勢(shì),，能夠基于客戶的痛點(diǎn)進(jìn)行開發(fā),，將經(jīng)驗(yàn)與解決方案集成到工具當(dāng)中?！敝信d微電子有線系統(tǒng)部部長(zhǎng)賀志強(qiáng)分析說(shuō),。
起步較晚，使得國(guó)產(chǎn)EDA缺乏長(zhǎng)期的技術(shù),、生態(tài)積累及工程經(jīng)驗(yàn),，卻也帶來(lái)“包袱較輕”的優(yōu)勢(shì)，因而得以輕裝上陣,，去破解一些傳統(tǒng)EDA難解的問題,。
其中,，能檢測(cè)芯片各項(xiàng)指標(biāo)、及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷的驗(yàn)證環(huán)節(jié),，儼然是EDA亟待優(yōu)化的重點(diǎn)方向之一,。
在陳軍寧看來(lái)，下一代EDA工具的挑戰(zhàn)主要來(lái)自三方面：（1）新工藝節(jié)點(diǎn)不斷涌現(xiàn),，帶來(lái)物理驗(yàn)證和可測(cè)性設(shè)計(jì)方面的挑戰(zhàn),；（2）不斷攀升的設(shè)計(jì)規(guī)模，導(dǎo)致高階綜合功能驗(yàn)證和物理驗(yàn)證等運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)更長(zhǎng),；（3）從片上系統(tǒng)到系統(tǒng)對(duì)接帶來(lái)的設(shè)計(jì)方法學(xué)和驗(yàn)證方法學(xué)的革命性變化,。
與此同時(shí)，人工智能,、5G通信,、智能汽車等新應(yīng)用領(lǐng)域正快速發(fā)展，對(duì)芯片性能的要求越來(lái)越高,，功耗,、成本的要求趨于分化，導(dǎo)致芯片設(shè)計(jì)驗(yàn)證的成本隨之急劇上升,。
而復(fù)雜且費(fèi)時(shí)費(fèi)力的調(diào)試工程,，又是關(guān)鍵驗(yàn)證工作的重中之重。
02.
無(wú)法替代的調(diào)試工作
在典型的芯片設(shè)計(jì)過程,，驗(yàn)證占據(jù)了約70%的工作量,，其中的調(diào)試（debug）就占了40%。
驗(yàn)證包含的原型驗(yàn)證,、硬件仿真,、軟件仿真、形式驗(yàn)證等環(huán)節(jié)都需要調(diào)試,。調(diào)試在其中穿針引線,、綜合資料，然后加以分析,，進(jìn)而達(dá)到有效的診斷,。
“在整個(gè)設(shè)計(jì)驗(yàn)證的流程中，debug是不可欠缺,、無(wú)法替代的,。”芯華章科技研發(fā)副總裁林揚(yáng)淳記得,，即便是非調(diào)試的場(chǎng)景,，客戶也常常利用調(diào)試工具來(lái)檢視和理解整個(gè)設(shè)計(jì),。
但據(jù)其調(diào)研,，調(diào)試產(chǎn)品的供需存在著極大落差。
原因有三。一是缺乏創(chuàng)新,，人工智能,、機(jī)器學(xué)習(xí)和云計(jì)算已是不可逆的趨勢(shì)，而市面上的產(chǎn)品卻甚少掌握,，頂多只是“沾點(diǎn)皮毛”,。
二是資料的碎片化、凌亂甚至矛盾,。點(diǎn),、步驟之間常常需要轉(zhuǎn)換，不僅耗時(shí),，更容易出錯(cuò),。“造成如此現(xiàn)象最根本的原因,，就是缺乏整體性的規(guī)劃,，僅憑商業(yè)并購(gòu)，將不同公司的工具拼湊在一起造成的,?！绷謸P(yáng)淳強(qiáng)調(diào)。
兼容性會(huì)直接影響芯片工程師的體驗(yàn),，這是驗(yàn)證過程中經(jīng)常遇到的問題,。中興微電子有線系統(tǒng)部部長(zhǎng)賀志強(qiáng)對(duì)此進(jìn)一步拆解，它既包括不同EDA廠商的工具的兼容性,，也包括同一家廠商工具的不同驗(yàn)證手段的兼容性,。后者相對(duì)來(lái)說(shuō)沒有太高的技術(shù)壁壘，但前者很難做到統(tǒng)一,。
三是設(shè)計(jì)日新月異,，規(guī)模和復(fù)雜度不斷增加，對(duì)調(diào)試產(chǎn)品的性能要求也不斷提高,。
好的調(diào)試系統(tǒng),，不僅能確保項(xiàng)目的成功，更可以有效提高SoC芯片的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證效率,，降低芯片設(shè)計(jì)成本,，這將對(duì)芯片工程師大有裨益。
03.
走向下一代設(shè)計(jì)驗(yàn)證工具
為了適應(yīng)接踵而至的挑戰(zhàn),，陳軍寧認(rèn)為下一代EDA設(shè)計(jì)驗(yàn)證工具會(huì)呈現(xiàn)兩大趨勢(shì)：智能化與上云,。
EDA智能化，涉及廣義上一切減少人力投入的改進(jìn),，包括高度并行化的EDA計(jì)算,、求解空間探索,、設(shè)計(jì)自動(dòng)化、數(shù)據(jù)模型化及機(jī)器學(xué)習(xí)等,。
新一代EDA將大幅減少芯片架構(gòu)探索,、設(shè)計(jì)驗(yàn)證布局布線等工作中的人力占比，把設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)吸收到EDA工具中,，形成智能化的EDA設(shè)計(jì),。
另一個(gè)趨勢(shì)是上云。隨著芯片設(shè)計(jì)復(fù)雜度提升,，芯片設(shè)計(jì)公司將面臨計(jì)算資源需求激增,、EDA峰值性能需求難以滿足、工藝數(shù)據(jù)遷移耗費(fèi)成本巨大,、多項(xiàng)目并行發(fā)生的資源搶奪以及辦公地點(diǎn)限制帶來(lái)的效率影響等問題,，進(jìn)而影響芯片研發(fā)周期及成本。
芯片設(shè)計(jì)如能上云,，則可以平滑多項(xiàng)目并行帶來(lái)的資源搶奪問題,，降低EDA購(gòu)買成本和維護(hù)費(fèi)用，保障企業(yè)研發(fā)生產(chǎn)效率,，擺脫物理環(huán)境束縛,，并有助于支持EDA在教育領(lǐng)域的應(yīng)用。
當(dāng)前,，云平臺(tái)的模式還在探索和發(fā)展的初期,，它不是簡(jiǎn)單地將現(xiàn)有EDA放到云計(jì)算平臺(tái)上，而需采用適合于云平臺(tái)的EDA軟件架構(gòu),、高可靠的安全保證,，并要解決其付費(fèi)模式和使用模式的創(chuàng)新問題。現(xiàn)在已經(jīng)有混合云,、全云等靈活的方式,，來(lái)滿足芯片設(shè)計(jì)公司的各種需求。
電子科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院副教授黃樂天一直在做大規(guī)模系統(tǒng)級(jí)集成電路設(shè)計(jì),，他重點(diǎn)提到要增強(qiáng)EDA工具間的融合問題：
首先是加強(qiáng)軟件提前介入驗(yàn)證的能力,，在早期提供方便的虛擬原型驗(yàn)證環(huán)境，使得芯片設(shè)計(jì)之初即可實(shí)現(xiàn)對(duì)整體功能進(jìn)行全面驗(yàn)證,?！澳壳皝?lái)看，虛擬原型的驗(yàn)證環(huán)境各家做的都還不夠好,，設(shè)計(jì)方法推廣的也還不夠多,。”黃樂天說(shuō),。
其次是在虛擬原型驗(yàn)證的基礎(chǔ)上,，找到能快速驗(yàn)證大規(guī)模設(shè)計(jì)的方法學(xué),，尤其要加強(qiáng)驗(yàn)證各IP間、各子系統(tǒng)間交互設(shè)計(jì)的一些方法,，并加強(qiáng)芯片設(shè)計(jì)和其他外圍系統(tǒng)的一些交互驗(yàn)證,。
他希望將仿真,、形式化驗(yàn)證,、原型驗(yàn)證、調(diào)試工具等形成一個(gè)完整的整體平臺(tái),，或是成系列的一個(gè)整體驗(yàn)證方法學(xué),，將各環(huán)節(jié)的驗(yàn)證有機(jī)協(xié)同，相互補(bǔ)充,，來(lái)極大減少驗(yàn)證的投入,。
更進(jìn)一步來(lái)說(shuō)，以Chiplet為代表的新一代集成電路的設(shè)計(jì)方法學(xué)正在迭代,，其設(shè)計(jì)空間又增加了一個(gè)新維度,，隨著設(shè)計(jì)規(guī)模越來(lái)越大，軟件結(jié)合更為緊密,，新的驗(yàn)證方法學(xué)或驗(yàn)證EDA工具還有很大的改進(jìn)和整合空間,。
04.
多重創(chuàng)新技術(shù)加持
芯華章的驗(yàn)證調(diào)試秘招
針對(duì)驗(yàn)證調(diào)試方面的挑戰(zhàn)，一些國(guó)產(chǎn)EDA企業(yè)正為此付諸努力,。2020年3月創(chuàng)立的芯華章便是其中的代表之一,。過去兩年，芯華章已發(fā)布仿真驗(yàn)證,、形式驗(yàn)證,、場(chǎng)景驗(yàn)證、FPGA原型驗(yàn)證系統(tǒng)等產(chǎn)品,。
芯華章科技研發(fā)副總裁林揚(yáng)淳也分享了他們的解題思路：其昭曉Fusion Debug是一款基于創(chuàng)新架構(gòu)的數(shù)字驗(yàn)證調(diào)試系統(tǒng),，有創(chuàng)新性、易用性,、高性能等特點(diǎn),，提供快速代碼解析、波形查看,、設(shè)計(jì)原理圖探索,、覆蓋率數(shù)據(jù)分析等多種先進(jìn)技術(shù)，能夠幫助工程師簡(jiǎn)化調(diào)試任務(wù),，提高設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的效率,。
除了獨(dú)立使用外，該系統(tǒng)還可以配合芯華章智V驗(yàn)證平臺(tái)的所有產(chǎn)品混合使用,。它也提供了豐富,、可編程的數(shù)據(jù)接口,，以供用戶針對(duì)不同調(diào)試場(chǎng)景的多樣化需求進(jìn)行定制化。
據(jù)林揚(yáng)淳回憶,，從一開始,，芯華章就花心血致力于底層框架、基礎(chǔ)平臺(tái)的研發(fā),，尤其是精簡(jiǎn)連貫一致,，形成共同數(shù)據(jù)庫(kù)，其中包括XCDB/XNDB/XEDB/XCovDB,。XCDB存儲(chǔ)了design HDL的信息,，XNDB記錄了design analyst，XEDB壓縮存儲(chǔ)了信號(hào)波形,，XCovDB則記錄了覆蓋率,。
相比于國(guó)際主流數(shù)字波形格式，昭曉Fusion Debug采用完全自研的高性能數(shù)字波形格式XEDB,。該波形格式借助創(chuàng)新的數(shù)據(jù)格式和架構(gòu),，具備高性能、高容量,、高波形壓縮比等特點(diǎn),，在實(shí)際測(cè)試中可帶來(lái)比國(guó)際主流數(shù)字波形格式超8倍的壓縮率。
與其它商業(yè)波形格式相比,，XEDB的讀寫速度快至3倍,，并支持分布式架構(gòu)，能夠充分利用多臺(tái)機(jī)器的物理資源來(lái)提升整體系統(tǒng)的性能,，實(shí)測(cè)中表現(xiàn)出的波形寫入速度可以比單機(jī)模式提高5倍以上,。
▲Fusion Debug GUI界面
在提供完整調(diào)試解決方案的同時(shí)，昭曉Fusion Debug也支持統(tǒng)一且高性能的編譯,，可供快速加載仿真結(jié)果和信號(hào)顯示,，輕松進(jìn)行信號(hào)連接跟蹤和根本原因分析。根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目數(shù)據(jù),，在完整的設(shè)計(jì)及原理圖模塊化加載中,，昭曉Fusion Debug的速度比其他商用EDA工具快至5倍，能滿足大規(guī)模SoC設(shè)計(jì)調(diào)試的需求,，大幅提高驗(yàn)證效率,。
林揚(yáng)淳談道，智能化是芯華章的優(yōu)勢(shì)之一,。昭曉Fusion Debug便融合了先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)框架,，以解決當(dāng)前產(chǎn)業(yè)調(diào)試方案缺乏創(chuàng)新、數(shù)據(jù)庫(kù)碎片化及性能局限等多重挑戰(zhàn)，從而降低調(diào)試難度,，進(jìn)一步優(yōu)化驗(yàn)證效率與操作體驗(yàn),。
05.
結(jié)語(yǔ)：EDA后浪們，正走出自己的路
盡管曾錯(cuò)失歷史發(fā)展良機(jī),，如今伴隨著新興技術(shù)的成熟,、利好政策的相繼落地以及資本熱錢的涌入，國(guó)產(chǎn)EDA企業(yè)正如雨后春筍般涌現(xiàn),。
后摩爾時(shí)代愈發(fā)復(fù)雜的芯片設(shè)計(jì),，在給整個(gè)EDA產(chǎn)業(yè)提出新挑戰(zhàn)的同時(shí)，也敞開了技術(shù)迭代的新機(jī)會(huì)窗口,。無(wú)論是解決各種EDA工具固有的頑疾,、更迭設(shè)計(jì)方法學(xué),，還是引入機(jī)器學(xué)習(xí),、云計(jì)算等新技術(shù)，EDA企業(yè)們可以探索的創(chuàng)新方向正趨于豐富,。
從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看,，國(guó)產(chǎn)EDA的發(fā)展，不應(yīng)僅滿足于成為“替代品”,，更多要結(jié)合EDA多年的發(fā)展,，在一些新的技術(shù)條件和需求上，抓住時(shí)間窗口,。
誠(chéng)然,，對(duì)于國(guó)產(chǎn)EDA企業(yè)而言，短期內(nèi)要比肩三大國(guó)際巨頭尚是一種奢望,。但通過對(duì)點(diǎn)工具的鉆研,，國(guó)產(chǎn)EDA企業(yè)已陸續(xù)輸出了一些成果。隨著其產(chǎn)品將從客戶側(cè)匯集的經(jīng)驗(yàn)沉淀到一代又一代的工具迭代中,，這些后起之秀正走出自己的路,。