2023年開篇——芯片設(shè)計五部曲來了,！

　　本季將會包括：模擬IC、數(shù)字IC,、存儲芯片、算法仿真和總結(jié)篇（排名不分先后）

　　第一集：模擬IC

　　模擬IC是負(fù)責(zé)生產(chǎn)、放大和處理各類模擬信號的電路,，工程師通過模擬電路把模擬信號放大縮小后,，再全部記錄下來,，是連續(xù)的信號,；而數(shù)字IC則是通過0和1兩個代號來處理手機(jī)信號,、寬帶信號和數(shù)碼信號等，是離散的信號,。

　　如果說數(shù)字IC像科學(xué),，那么模擬IC，就更像是一種魔法,。

　　利用計算機(jī)來輔助模擬芯片設(shè)計，本質(zhì)是在解一道又一道高階微分方程題,。

　　EDA工具就是干這個的,，ta的價值，就不需要我們來解釋了,。

　　而我們今天的主題是：模擬IC設(shè)計不同階段有哪些典型的業(yè)務(wù)特點(diǎn),，使用的EDA工具有哪些特性，我們?nèi)绾卫糜嬎銠C(jī)技術(shù)提升不同業(yè)務(wù)場景的計算效率,，協(xié)助模擬芯片工程師更高效地完成芯片研發(fā)工作,，提升整體效率。

　　本篇主要從EDA工具的計算任務(wù)視角出發(fā),。

　　而在計算角度之外,，調(diào)度/管理/數(shù)據(jù)/協(xié)同/CAD等視角,，那就是另外的（價錢）篇章了~

　　先給大家一個模擬芯片設(shè)計全流程分析圖：

　　1、前仿階段：前端電路設(shè)計與仿真

　　本階段包括了設(shè)計需求/說明書架構(gòu),、原理圖輸入,、前仿結(jié)果比對設(shè)計需求3大步驟。

　　前仿階段本質(zhì)上是數(shù)值計算,，因此對主頻要求很高,，一旦資源無法滿足，會直接造成CPU過載,，且任務(wù)之間獨(dú)立可切割,，十分適合并行?；谠O(shè)計圖的設(shè)計與仿真,，參數(shù)范圍較少，對內(nèi)存要求不高,。此階段多為多corner與蒙特卡羅Monte Carlo任務(wù),，峰值算力需求較高，存儲需求一般,。

　　2,、中期：版圖設(shè)計驗(yàn)證

　　本階段包括版圖設(shè)計、版圖規(guī)則檢查DRC/LVS兩個步驟,。

　　版圖繪制/驗(yàn)證同屬規(guī)則檢查,，因?yàn)椴簧婕皵?shù)值計算，對主頻要求不高,，重內(nèi)存需求,。版圖可以模塊為單位進(jìn)行切割，子任務(wù)間幾乎無數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián),、適合并行,。但版圖檢查量十分大，算力需求比前仿高,，推薦使用多核+大內(nèi)存機(jī)型,，存儲要求最高。

　　3,、后仿階段：后端仿真

　　后仿包括寄生參數(shù)提取,、后端仿真、GDS文件形成,。

　　后仿和前仿類似,，多個任務(wù)可進(jìn)行分布式處理。但后仿階段任務(wù),，因?yàn)橛锌赡苌婕半姶艌龇抡?，本質(zhì)雖為數(shù)值計算,，但需在優(yōu)先滿足內(nèi)存情況下，再滿足高主頻需求,，因?yàn)榧尤肓烁黝愒骷募纳鷧?shù),，算力需求是三大階段里最高的，存儲比前仿要求高,，有時會與版圖階段相當(dāng),。

　　以下，我們選了三種典型場景,，展開說說：

　　兩大超常見數(shù)值計算場景

　　多corner又稱為多工藝角,，和蒙特卡羅Monte Carlo屬于兩種不同的電路性能與工藝誤差的估計方法，但本質(zhì)上都是數(shù)值計算,，前仿和后仿都會大量使用這兩種方法進(jìn)行任務(wù)處理,。這兩種方法里的單個任務(wù)間都獨(dú)立、沒有數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián),，不論是多corner 還是Monte Carlo都很適合進(jìn)行分布式并行計算,。

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　　這個故事拆開揉碎地解釋了我們怎么幫助用戶從單機(jī)單任務(wù)單線程運(yùn)行的階段大幅度跨越到了大規(guī)模任務(wù)自動化集群化運(yùn)行階段，應(yīng)該能很好地幫助你理解為啥分布式并行計算會大大提高計算效率,。

　　多corner是將元件的電阻,、溫度、電壓等參數(shù)的誤差上下限固定后,，取每個參數(shù)的極值（誤差上限或誤差下限）進(jìn)行排列組合,，每一個組合都是一個獨(dú)立的任務(wù)。

　　一種組合就是一個corner,，全部的排列組合即多corner,。

　　這就像你來到一家二選一奶茶店。這家店奶茶店的甜度,、熱度,、加多少配料都只提供兩個選擇，你要么選擇不甜,，要么最甜,。你每喝一次無非都在這些選項(xiàng)里排列組合（2*2*2種），比如超多糖,、燙嘴、超多料,；下次你換一種排列組合,，無糖，多冰,，無料,；所有選項(xiàng)的排列組合全點(diǎn)了,，那就是多corner。

　　蒙特卡羅Monte Carlo則是在上,、下限之間無窮盡地取值進(jìn)行排列組合,。

　　這次你來到了一家新的奶茶店，名字叫無窮∞奶茶店,，選項(xiàng)完全定制化,。你可以在選擇任意一個值，比如第一次你喝的是3分甜,、少少冰,、不加料；下一次覺得不夠甜,，不冰,，你點(diǎn)了6.6分甜、7.8分冰,、加兩顆珍珠,。

　　這樣就會有出現(xiàn)無數(shù)種排列組合的奶茶，這就是蒙特卡羅Monte Carlo了,。

　　可取無數(shù)個組合的蒙特卡羅Monte Carlo可以用來估算良率的范圍,，隨著取值組合越多，對工藝偏差導(dǎo)致的誤差估計范圍越準(zhǔn)確,，對實(shí)際的成品良率預(yù)測范圍越準(zhǔn)確,，當(dāng)然計算量也會成倍提高。

　　不管是哪家奶茶店,，這杯奶茶與那杯奶茶之間互相獨(dú)立,，你喝你的，我喝我的,。

　　這就是多corner和蒙特卡羅Monte Carlo任務(wù)特別適合分布式并行計算的本質(zhì)原因,。

　　不同任務(wù)，你算你的,，我算我的,，分開算，人多力量大,。

　　不論是前仿還是后仿階段,，都需要大量多corner與蒙特卡羅Monte Carlo仿真。

　　兩者相比,，蒙特卡羅Monte Carlo仿真因?yàn)槿≈颠x擇多,，組合多，計算量明顯比多corner大,。

　　而前仿和后仿之間,，后仿因涉及更多的物理參數(shù),，兩種算法的計算量都會呈幾何倍增長，算力需求也更大,。

　　整體來說,，這兩種數(shù)值計算方法任務(wù)間獨(dú)立，算力需求大,，是我們幫用戶提高效率的典型場景之一,。

　　“大家來找茬”之版圖驗(yàn)證任務(wù)

　　版圖設(shè)計，就是把設(shè)計好的電路原理圖變成包含實(shí)際布局布線規(guī)劃內(nèi)容的掩模版圖,，設(shè)計師每天在電路圖上畫花花綠綠的MOS管,，確定要用多少元件、用哪種排列方法,，在保證芯片電氣性能的前提下,，怎么跨層使得芯片體積最小、最省錢,。

　　版圖驗(yàn)證就是把畫好的版圖和原理圖進(jìn)行比對,，確保兩者的拓?fù)溥B接關(guān)系一致，同時檢查版圖是否符合foundry的設(shè)計工藝,。

　　版圖設(shè)計與驗(yàn)證,，就像是在玩一個“大家來找茬”的游戲，首先幾個版圖設(shè)計師先一起把這張圖分工合作給畫出來,。到了版圖驗(yàn)證階段,，就開始正式玩找茬游戲了。目的是檢查版圖有哪些地方不對,，有問題的話,，打回去重新畫。畫完再繼續(xù)檢查,，循環(huán)往復(fù),。

　　如果使用“小F影分身術(shù)”（版圖分割術(shù)），可以把小F分為9個影子,，每個影子只需負(fù)責(zé)找茬九分之一個版圖,，影分身的數(shù)量越多（版圖切割的任務(wù)數(shù)）越多，分配的資源數(shù)越多,，單位效率越高（當(dāng)然,，版圖大小有個物理上限，沒必要走極端）,。

　　更重要的一點(diǎn),，切割版圖與找茬任務(wù)之間互不干擾，你改你的，我改我的,。你改完了重新提交下一輪，也不影響我還在上一輪,。中間也不用因?yàn)榈却９ぁ?/p>

　　切割版圖并合理分配資源的檢查方法,，可以讓版圖設(shè)計師無需苦苦等待一臺計算機(jī)對單個大版圖各部分逐一檢查，而可以讓多臺計算機(jī)并行檢查同一張大版圖的不同部分,，并自動匯總結(jié)果,。這樣一來就能更快地完成任務(wù)。

　　版圖,、原理圖對比與設(shè)計規(guī)則檢查同屬檢查類任務(wù),，都是以模塊為單位，本質(zhì)上是數(shù)據(jù)對比工作,、重內(nèi)存需求,、子任務(wù)間沒有數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，是一種高并行度任務(wù),。因此這一階段很適合在云上使用內(nèi)存優(yōu)化型資源,，通過暴力堆資源的方式快速完成任務(wù)。

　　模擬電路王冠上的明珠--射頻電路

　　射頻芯片作為模擬電路王冠上的明珠,，一直被認(rèn)為是芯片設(shè)計中的“華山之巔”,。

　　一方面因?yàn)樯漕l電路的物理形狀和周圍介質(zhì)分布會對射頻信號的傳輸造成很大影響，因此設(shè)計之路十分困難,，前期需要進(jìn)行大量仿真測試,，而且為了保證高頻性能，材料的選取也十分講究,，比如砷化鎵和氮化鎵,。

　　另一方面，為了保證射頻芯片各類指標(biāo)的性能均衡,，很多指標(biāo)的性能要求都需要挑戰(zhàn)工藝極限或設(shè)計創(chuàng)新性的電路結(jié)構(gòu),，十分考驗(yàn)工程師的經(jīng)驗(yàn)積累。

　　而射頻需要使用電磁場仿真,，需要計算三維空間向量,。

　　如果說版圖是將二維世界切成一片片的，那射頻就是將立體空間切成一粒粒的,，當(dāng)然更具挑戰(zhàn)性,，算力需求也會呈指數(shù)級增加。

　　當(dāng)遇到CPU無法滿足的情況,，不妨嘗試使用GPU處理,，他們可是處理向量計算的一把好手。

　　目前射頻電路電磁場仿真的三種常用軟件分別為：HFSS、EMX,、ADS,。

　　HFSS處理智能制造/汽車制造場景下的電磁場仿真較多、也支持部分芯片設(shè)計場景,，EMX和ADS處理芯片設(shè)計場景的電磁場仿真更為廣泛,。其中，HFSS和19版之后的ADS支持GPU處理電磁場仿真任務(wù),，且通過并行化處理后,，效率提升十分顯著；EMX作為Cadence里的萬能插件暫不支持GPU任務(wù),。

　　關(guān)于計算量級的本質(zhì)

　　單模塊,、多模塊和top級任務(wù)是三種計算量級的任務(wù)，從字面上就能猜到單模塊任務(wù),，計算量最少,；以此遞增，top級任務(wù)計算量最多,。

　　單模塊任務(wù)指的是單一模塊的任務(wù),，比如單層上的某個元器件就是一個單模塊任務(wù)，計算量級最小,，可能可以繼續(xù)拆,，也可能是最小不可拆分任務(wù)；

　　多模塊任務(wù)指的是多個單模塊合并在一起的任務(wù),，比如一層上的多個元器件組合在一起的模塊,，計算量級中等，可將多個模塊拆分進(jìn)行多線程處理,；

　　top級任務(wù),，字如其名，是整個芯片設(shè)計階段最大規(guī)模的仿真,，將整個芯片的全部功能模塊聚在一起,，做全功能驗(yàn)證。top級仿真是在頂視圖下的一整套前仿或后仿,，算力需求最高,。

　　如果涉及到先進(jìn)工藝（28nm以下芯片），更小的空間,，更多的模塊,，更復(fù)雜的PDK工藝庫，計算量呈指數(shù)級增長,。

　　而且先進(jìn)制程芯片后仿時還要做IR Drop的獨(dú)立性檢查,，是SignOff的一個必要步驟,。業(yè)內(nèi)在該步驟使用的工具大多為Redhawk，和DRC/LVS的算法流程基本一致,。

　　關(guān)于模擬IC設(shè)計,，從不同設(shè)計階段的計算任務(wù)視角出發(fā)，我們總結(jié)了三點(diǎn)：

　　1,、三大階段的算力需求呈現(xiàn)前期<中期<后期的趨勢,。和波谷相比，峰值算力最高可達(dá)到百萬級別,，使用彈性云端資源可以高效且動態(tài)地滿足峰值需求；

　　2,、多corner,、蒙特卡羅Monte Carlo以及DRC、LVS這類任務(wù),，非常適合直接用多機(jī)并行來提升任務(wù)效率,；

　　3、基于單模塊不可拆的任務(wù),，雖不能做到多機(jī)分布式處理,，但可以通過上大內(nèi)存、高主頻機(jī)型,，靠機(jī)器的性能實(shí)現(xiàn)任務(wù)效率的提升,。

　　說到這，模擬IC篇就結(jié)束啦,，敬請期待我們的第二集--數(shù)字IC,！

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