芯片設(shè)計(jì)隨著時(shí)間推移正在變得越來(lái)越復(fù)雜是業(yè)界人士的共識(shí)，但是究竟“復(fù)雜”體現(xiàn)在哪些方面,，并且隨著復(fù)雜度提升,，還有哪些沒(méi)有解決的問(wèn)題,，這就需要深入的考察和研究,。上周,，西門(mén)子EDA和Wilson Research完整公布了2022年兩家公司一起合作的芯片設(shè)計(jì)報(bào)告,，該報(bào)告的定量分析為我們提供了一些重要的洞見(jiàn),。在研究了該報(bào)告后，我們認(rèn)為,，芯片設(shè)計(jì)變得更復(fù)雜不僅僅體現(xiàn)在芯片晶體管規(guī)模變大上,，還體現(xiàn)在SoC復(fù)雜度的提升上，而SoC復(fù)雜度提升會(huì)帶來(lái)一系列的改變,，包括設(shè)計(jì)方法學(xué)的變化,，以及設(shè)計(jì)驗(yàn)證方面的新需求。這些新的變化和新需求將會(huì)驅(qū)動(dòng)未來(lái)幾年芯片設(shè)計(jì)的變革,。

　　芯片復(fù)雜度的多維度提升

　　隨著人工智能,、智能汽車(chē)等新應(yīng)用的出現(xiàn)，芯片復(fù)雜度正在慢慢提升,。芯片復(fù)雜度的提升可以是一件多維度的事情,，一方面,，它可以體現(xiàn)在晶體管數(shù)量的增大上；另一方面,，它也可以體現(xiàn)在芯片中復(fù)雜子系統(tǒng)的數(shù)量上,。

　　從芯片的晶體管數(shù)的角度，西門(mén)子／Wilson的研究報(bào)告中,，36%以上的芯片項(xiàng)目門(mén)數(shù)達(dá)到了千萬(wàn)級(jí),，而門(mén)數(shù)在百萬(wàn)級(jí)以下的項(xiàng)目?jī)H占30%,，因此從晶體管數(shù)的角度,，今天芯片的復(fù)雜度確實(shí)已經(jīng)大大提升。

　　但是晶體管數(shù)并非唯一考量,。例如,，在一些芯片中，片上內(nèi)存（如緩存）可以占據(jù)相當(dāng)大的門(mén)數(shù),，但是其整體設(shè)計(jì)復(fù)雜度未必會(huì)很高,。因此，另一個(gè)芯片復(fù)雜度的觀(guān)察角度是芯片子系統(tǒng)的數(shù)量,。在SoC中,，每一個(gè)芯片子系統(tǒng)都有其獨(dú)特的功能，而且當(dāng)芯片子系統(tǒng)數(shù)量更多時(shí),，如何讓這些子系統(tǒng)能很好地工作在一起就是一件具有挑戰(zhàn)性的事情,。因此，芯片的子系統(tǒng)數(shù)量也是衡量整體芯片復(fù)雜度的一個(gè)重要指標(biāo),。然而,，芯片子系統(tǒng)的數(shù)量并不容易統(tǒng)計(jì)，而一個(gè)可以和這個(gè)數(shù)字掛鉤的數(shù)據(jù)就是芯片上使用的處理器數(shù)量,。通常,，當(dāng)芯片子系統(tǒng)的復(fù)雜度超過(guò)一定程度時(shí)，都會(huì)單獨(dú)配有一個(gè)為它服務(wù)的嵌入式處理器,。因此,，統(tǒng)計(jì)一個(gè)芯片上嵌入式處理器的數(shù)量可以從一定程度上體現(xiàn)芯片上復(fù)雜系統(tǒng)的數(shù)量，從而體現(xiàn)芯片設(shè)計(jì)復(fù)雜度,。

　　從芯片上嵌入式處理器數(shù)量的角度,，首先我們可以看到今天74%的芯片擁有至少一個(gè)嵌入式處理器；而一半以上的芯片項(xiàng)目擁有兩個(gè)以上的嵌入式處理器,，15%的處理器有8個(gè)以上的嵌入式處理器,。從這個(gè)角度來(lái)看，今天的芯片設(shè)計(jì)從系統(tǒng)角度也確實(shí)是越來(lái)越復(fù)雜,。

　　綜上所述,，我們認(rèn)為芯片設(shè)計(jì)的復(fù)雜度提升不僅僅體現(xiàn)在晶體管數(shù)量上,，還體現(xiàn)在系統(tǒng)復(fù)雜度上。這些復(fù)雜度的提升是由于應(yīng)用端的驅(qū)動(dòng)（例如人工智能,，智能駕駛,，下一代智能設(shè)備等），在未來(lái)隨著這些系統(tǒng)的進(jìn)一步普及,，我們預(yù)計(jì)會(huì)進(jìn)一步推高芯片系統(tǒng)的復(fù)雜度,，這也會(huì)給芯片設(shè)計(jì)行業(yè)帶來(lái)相應(yīng)的變化。

　　芯片系統(tǒng)復(fù)雜度正在改變芯片設(shè)計(jì)生態(tài)

　　芯片系統(tǒng)復(fù)雜度對(duì)于芯片設(shè)計(jì)生態(tài)的影響是多方位的,。首先,，如前所述，隨著應(yīng)用的驅(qū)動(dòng),，芯片系統(tǒng)復(fù)雜度上升,，整個(gè)芯片系統(tǒng)上復(fù)雜度較高的子系統(tǒng)數(shù)量上升，這也就讓芯片上需要的嵌入式處理器數(shù)量提升,。一方面,，應(yīng)用驅(qū)動(dòng)了對(duì)于嵌入式處理器需求的提升；另一方面,，如果有成本較低,、設(shè)計(jì)較為靈活的嵌入式處理器，也將能進(jìn)一步賦能這樣的復(fù)雜度提升,。

　　從這一方面來(lái)看,，RISC－V可謂是切中了芯片設(shè)計(jì)復(fù)雜度提升的需求，未來(lái)可望會(huì)越來(lái)越多地得到應(yīng)用,，并且從另一個(gè)角度越來(lái)越多地滿(mǎn)足復(fù)雜芯片系統(tǒng)對(duì)于嵌入式處理器的需求,。RISC－V是一種開(kāi)源處理器指令集，任何人有能夠自由使用該指令集,，并且在其基礎(chǔ)上進(jìn)一步定制滿(mǎn)足自己需求的額外指令集,。對(duì)于有實(shí)力的廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)，使用RISC－V指令集可以自主開(kāi)發(fā)屬于自己的處理器,，并且使用在自己的產(chǎn)品中,；而對(duì)于中小廠(chǎng)商，也可以選擇SiFive等公司提供的RISC－V處理器IP來(lái)使用,。目前,，使用RISC－V作為對(duì)于計(jì)算性能要求不高的嵌入式處理器／MCU已經(jīng)成為越來(lái)越多芯片的選擇，其背后的主要原因就是基于RISC－V處理器的成本和靈活性,。而西門(mén)子／Wilson的2022年芯片設(shè)計(jì)報(bào)告也進(jìn)一步證實(shí)了這一觀(guān)點(diǎn)：2022年有30%的芯片使用了RISC－V處理器,，而這一數(shù)字在2020年僅為23%。在未來(lái)，我們預(yù)期RISC－V得到進(jìn)一步廣泛的應(yīng)用,，并且從另一方面也進(jìn)一步賦能芯片系統(tǒng)復(fù)雜的提升,。

　　除了嵌入式處理器之外，隨著芯片系統(tǒng)復(fù)雜度提升,，對(duì)于芯片系統(tǒng)設(shè)計(jì)的另一個(gè)改變就是如何把這些系統(tǒng)用高效而可靠的方法連接到一起,，可以互相通信，互相訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存等,。這就需要越來(lái)越多地使用NoC（network－on－chip）,。NoC將會(huì)越來(lái)越多地成為SoC系統(tǒng)上的基礎(chǔ)IP，來(lái)確保芯片系統(tǒng)設(shè)計(jì)能更加高效地拓展其復(fù)雜度和設(shè)計(jì)規(guī)模,。根據(jù)市場(chǎng)研究公司Brainy Insights的研究,，未來(lái)十年內(nèi)NoC的年復(fù)合增長(zhǎng)率可達(dá)7.9%，因此我們也預(yù)期會(huì)在未來(lái)越來(lái)越多的大規(guī)模高復(fù)雜度芯片中看到NoC的使用,。

　　因此,，我們認(rèn)為從設(shè)計(jì)IP角度,，新的嵌入式處理器（RISC－V）和片上互連（NoC）將會(huì)成為重要的新看點(diǎn),，來(lái)驅(qū)動(dòng)和賦能芯片系統(tǒng)復(fù)雜度進(jìn)一步提升。

　　芯片驗(yàn)證將成為重中之重

　　除了新的設(shè)計(jì)IP之外,，復(fù)雜芯片的驗(yàn)證將會(huì)成為另一個(gè)挑戰(zhàn),。如前所述，復(fù)雜芯片包括了越來(lái)越多的子系統(tǒng),，首先每一個(gè)子系統(tǒng)的驗(yàn)證隨著其復(fù)雜度的提升會(huì)越來(lái)越具有挑戰(zhàn)性,。其次，多個(gè)復(fù)雜子系統(tǒng)的協(xié)同工作和驗(yàn)證將會(huì)成為另一個(gè)芯片驗(yàn)證的難點(diǎn),。最后,，芯片系統(tǒng)中每個(gè)子系統(tǒng)存在異質(zhì)性，例如,，高性能模擬/混合信號(hào)模塊（例如內(nèi)存接口等）越來(lái)越多地使用在復(fù)雜芯片系統(tǒng)中,，這也給整體芯片系統(tǒng)的驗(yàn)證帶來(lái)了挑戰(zhàn)，因?yàn)椴煌淖酉到y(tǒng)的驗(yàn)證方法并不一致,。

　　芯片驗(yàn)證首先需要提高效率,，降低需要的時(shí)間。根據(jù)西門(mén)子/Wilson的報(bào)告,，2022年的芯片項(xiàng)目中,，高達(dá)三分之二的項(xiàng)目沒(méi)能按照原定的時(shí)間交付，這也說(shuō)明了目前的芯片驗(yàn)證系統(tǒng)對(duì)于復(fù)雜芯片尚需更多效率提升,。

　　除此之外,，芯片首次流片成功的比例也在下降，在2022年高達(dá)76%的項(xiàng)目需要兩次或更多的流片才能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。在導(dǎo)致芯片需要多次流片的原因中,，首要原因是邏輯功能問(wèn)題,，而另一個(gè)值得注意的原因是模擬模塊出現(xiàn)問(wèn)題：該項(xiàng)目在2020年和2022年占到從幾年前的20%一躍到了40%，這也說(shuō)明模擬設(shè)計(jì)相關(guān)的驗(yàn)證,，以及模擬模塊和其他模塊的協(xié)同驗(yàn)證將會(huì)成為未來(lái)復(fù)雜芯片驗(yàn)證領(lǐng)域非常重要的尚需解決的問(wèn)題,。

　　展望未來(lái)，復(fù)雜芯片的驗(yàn)證首先需要更加高效率的驗(yàn)證流程,，例如使用更加高效的testbench描述語(yǔ)言（使用C++/Python等）,，從而保證芯片項(xiàng)目能定期交付。在效率之外,，由于邏輯功能仍然是芯片流片失敗的首要問(wèn)題,，而隨著芯片系統(tǒng)復(fù)雜度提升這方面的問(wèn)題會(huì)越來(lái)越大，因此對(duì)于可靠的驗(yàn)證方式（例如emulator）提出了要求,，emulator需要能進(jìn)一步降低成本,，并且提升對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)的支持，從而確保復(fù)雜芯片系統(tǒng)的質(zhì)量,。最后,，模擬驗(yàn)證預(yù)計(jì)會(huì)成為未來(lái)復(fù)雜芯片系統(tǒng)中的關(guān)鍵一環(huán)，這包括了模擬驗(yàn)證,，以及模擬和數(shù)字系統(tǒng)的協(xié)同驗(yàn)證（例如模擬系統(tǒng)建模放到數(shù)字系統(tǒng)中驗(yàn)證等）,，這對(duì)于新驗(yàn)證方法論的采用和新的EDA系統(tǒng)都提出了新的需求，預(yù)計(jì)會(huì)成為未來(lái)幾年驗(yàn)證領(lǐng)域的另一個(gè)重頭戲,。

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