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EDA跨入云端环境新时代
 

【作者: 盧傑瑞】2019年09月11日 星期三

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最受全球半导体产业界注目,每年一次在北美举办的Design Automation Conference,今年(2019)在6月盛大开幕。比较特别的是会议地点一改过去在旧金山或奥斯丁举办,而是移到有赌城别称的拉斯维加斯,事实上,从CES展览开始,拉斯维加斯就举办了各式各样的展览活动,但是,为何今年会移师到拉斯维加斯,最主要的原因之一大概是,Design Automation Conference的叁观人数正逐年在减少之中。


不过,虽然叁观人数规模不若过去的盛大,但是,今年展览的仍旧有令人关心的几项焦点议题,关键字分别是「RISC-V」、「Security」,以及「Cloud」。其中,「Cloud」的部分指的就是,全球主要EDA供应业者,已经开始将一部分的IC设计工具,透过新一代的网路技术以及储存、运算能力,提供云端设计或验证的功能。并且未来可能将更进一步的,针对各种不同领域或产业、制品技术等,都能够透过云端来完成所需要的,EDA工具的核心部分和资料存取、传送。


半导体设计资料量暴涨数倍

在过去数十年来,IC设计一直依循每18个月电晶体数量就会加倍的摩尔定律,但随着摩尔定律即将到达极限,晶片设计要再进入更先进的制程,就会出现增加积体电路内部电晶体的数量,与减小晶片尺寸的需求,这些结果正不断推进IC设计的研发投资并采用更复杂且而昂贵的EDA工具。


因此EDA技术和工具的重要性,从其近两年的市场发展趋势也可见一斑。从ESD联盟的资料显示,2019年第一季,全球EDA市场规模达到26亿美元,比同时期增长了16.3%。而EDA软体和IP销售额的年4个季度移动平均值(将最近4个季度与其之前的4个季度进行比较)增加了6.1%(表一)。


表一 全球EDA市场规模分析 (百万美元)
 

Total EDA Revenue

Americas

EMEA*

Japan

APAC*

Q1 ‘19 Total

Q1 ‘18 Total

% Growth

CAE

691.8

242.3

168.1

519.9

1622.2

1365.6

18.8%

PCB & MCM

394.2

130.4

91.3

224.8

840.7

699.7

20.2%

IC Physical Design/Verification

77.2

56.0

44.0

46.9

224.1

193.4

15.9

 

 

 

 

 

 

 

 

Total SIP Revenue

373.6

83.2

59.9

359.5

876.1

762.9

14.8%

Reporting SIP Companies++

159.9

43.1

23.1

117.8

344.0

279.4

23.1%

Non-reporting SIP Companies**

213.6

40.1

36.8

241.7

532.2

483.5

10.1%

Total Service Revenue

47.5

20.4

16.7

23.4

108.0

112.5

-3.9%

Total EDA, SIP & Services Revenue

1112.8

345.9

244.7

902.9

2606.4

2241.0

16.3%

(资料来源:ESD联盟)

以目前半导体的设计技术,为了在5奈米的晶片上实现更为复杂、使用更大量的Pattern时,在设计的资料量上暴涨了数倍以上,无形中大力推动EDA设计环境朝向云端化发展的力量(图一、图二)。



图一 : 5奈米的晶片在设计的资料量上暴涨了数倍以上。(资料来源:Cadence)
图一 : 5奈米的晶片在设计的资料量上暴涨了数倍以上。(资料来源:Cadence)

图二 : 越来越复杂的晶片设计案也会需要越来越大量的运算性能与储存空间(资料来源:Microsoft Azure)
图二 : 越来越复杂的晶片设计案也会需要越来越大量的运算性能与储存空间(资料来源:Microsoft Azure)

因此即使物理特性能够在材料的演进下,获得更多元化的支持,但在进行IC设计时,所需要的伺服器、储存空间、通讯量等等的资源要求,已经出现暴增的压力,根据统计,每进步一世代的技术所需要增加的运算资源已经高达六倍;这样的成本支出压力已经非是一般中小IC设计公司能够承受的(图三)。



图三 : 各制程半导体设计费用(亿美元)。(资料来源:iBS、ET NEWS)
图三 : 各制程半导体设计费用(亿美元)。(资料来源:iBS、ET NEWS)

因为传统上,如果要利用EDA工具同时对多项IC剂型侦错,是非常困难的,因此必须规画分批作业,使得验证和侦错的工作时间变的非常长,但是如果透过拥有巨大储存空间、相当强大的运算能力的云端EDA平台,便可以同步执行多项IC的模拟(Simulation)、合成(Synthesis)及配置布线(Place & Route)等前、後段设计作业。因此解决实体运算资源的急迫性,最好的方式就是将大部分的工具运算、资料库转移至云端。


业者积极推动EDA环境云端化

从1980年网际网路正式进入实用化後,网路储存、网路资料交换等等的技术蓬勃而生。而更进一步的,从2000年开始,云端运算(cloud computing)的观念也开始被推广,包括亚马逊(Amazon)、Google等巨擘以及老牌软体大厂微软(Microsoft)积极的投入之下,应用范围持续扩大,各种以云端为基础的服务不仅已经渗透到一般大众的网路应用、催生了新产业型,同时,云端技术也正在改变不同传统产业与应用市场的商业模式,包括电子制造产业以及半导体产业。


根据Garther的一份统计资料显示,全球的公众云端服务的市场规模包括软体即服务 (SaaS)、平台即服务 (PaaS)、基础架构即服务 (IaaS)等等,过去几年之间呈现快速的成长,在短短的4~5年之间,从2016年的680亿美元开始,预计在2020年时将成长了将近3倍达到1620亿美元的规模(图四)。



图四 : 全球公众云端网路服务市场总值预估。(资料来源:Garther)
图四 : 全球公众云端网路服务市场总值预估。(资料来源:Garther)

公众云端服务市场规模的不断扩大,资安、通讯储存技术持续的提升和强化,也就提供了EDA产业界解决运算资源困扰的最隹方案之一。当然,满足这样的目标,并不是EDA业者能够独立完成,几??所有的平台资源都需要依赖类似亚马逊(Amazon)、微软(Microsoft)、Google这些云端服务大厂,而这些云端服务业者也一直相当努力的提案,说服各EDA业者以及IC设计业者将本身的EDA工具、运算需求、存储设备放在由他们提供的云端系统上。


经过数年的努力,这些年来,已经有EDA业者、晶圆厂、IC设计公司、半导体译者开始采用,使得EDA正式迈入「云端运算」的时代。从前端开始,包括Block design、Synthesis、Formal verification、Simulation,以及後端的Place and route、Static timing analysis、Physical verification、Tape-out等等都已经可以透过云端服务平台,让IC设计可以顺利透过云端系统获得最大的执行效率、高度弹性的使用,更快地进行设计或验证、各项模拟。


EDA业者透过Cloud技术提供更多元化的服务,并非从今年开始,虽说,云端技术的应用与安全性,在最近这几年才逐渐的成熟,但是利用网路储存或运算来提供EDA设计服务,可以追溯到1990年代末期与2000年初,EDA业者已经开始透过虚拟私人网路(VPN)的方式来提供对客户部分的服务,让客户能利用VPN的网路连上EDA业者特定的伺服器,来加速进行软/硬体模拟时,所需要的运算能力。


虽然初期,云端方案还不受客户欢迎,刚开始的主要原因是客户??虑安全性,将软体工具和IP模组存放在云端,并提供客户任意使用,会有高度怀疑资料外泄的资安管理技术能力。不过,现在多数人已经逐渐建立对云端技术的信任,所以安全应该已经不是最大的问题;目前的商业性的问题於,大多数IC设计业者都有自己的资料库和网路管理,并需要云端EDA方案,或许中小型业者,甚至新创公司虽然会有需求,但因为目前云端方案在价格上与一般方案差不多,所以当时,期待透过云端采用EDA方案省下成本的客户可能会相当的失??。


亚太半导体产业各展全力跨入EDA云端服务

在随着产业环境的改变,透过云端技术,来客户提供更加扩大与深入的EDA产品概念,从去年(2018)呈现出爆炸性的发展。因此在DAC 2018最受注目的明显趋势,就是包括Cadence、Mentor、Synopsys等EDA供应商,正式发表和展示了透过云端来提供EDA工具的服务,让客户能利用云端的强大资源,来支援运算量相当吃重的硬体模拟(Emulation)。例如Cadence的Palladium Cloud、Mentor的Veloce Stato、Synopsys 的Cloud Solution等等,甚至於能透过亚马逊的Amazon Web Services (AWS)直接取得硬体模拟的运算支援资源。


Amazon Web Services的David Pellerin也在一场公开活动中表示,对於今天的半导体设计来说,由於资安与记忆体、CPU等等技术都已经能够满足巨量的运算需求,因此高度的灵活使用这样的环境,可以带动EDA设计的高度自动化和扩充性。例如,Cadence将EDA工具中的Regression Tests等等,这些设计的环境及工具转移到云端运算,并且透过Amazon本身对於云端管理的经验和Knowhow,来强化EDA工具在云端运算的使用,就是一个相当重要的案例。


最初期,EDA工具业者并不太愿意改变原本与客户之间的服务提供模式。转变EDA工具业者积极跨入与研究云端服务模式的刺激原因是来自於台积电的扩大开放创新平台(Open Innovation Platform,OIP)云端联盟。因应台积电晶片设计采用云端部署的需求,EDA工具业者需要配合上下游产业的需求来调整。例如,在过去,EDA业者的传统营运模式是,对於客户的每台伺服器都需要获得软体授权,并且是以每年计费。


台积电展开OIP VDE计画

在2018年10月,台积电(TSMC)透过云端技术,扮演主导整合的角色,建立了开放创新平台(Open Innovation Platform,OIP)云端联盟,叁加者包括了明导(Mentor)、亚马逊的AWS、益华(Cadence)、微软 Azure(Microsoft Azure),以及新思(Synopsys)等业者,运用崭新的云端设计解决方案来加速制程运算,例如,透过这个开放创新平台,台积电5奈米的测试晶片,可以在4个小时之内快速完成实体验证。


不过,期??导入台积电OIP VDE的话,必需要先与云端联盟的夥伴,例如亚马逊 AWS、微软 Azure等等合作,签订NDA以及商业相关条款等,再根据本身的需求,以及授权协定来建立专属的网站,由云端服务业者托管的线上专属空间。成本方面,将取决於使用者所选择的CPU与储存容量配置,甚至不同的云端服务供应商会有不同的计费模式。


目前在面对台积电的OIP VDE计画之下,Cadence和Synopsys都已经开始提供相关的服务,例如Cadence与微软、以及SiFive合作,对外发表了Cloud-Hosted Design Solution和CloudBurst平台,在准备就绪的AWS或Microsoft Azure 混合云环境中使用预先载入的Cadence 设计工具,可以降低云端的进入门槛,来支援台积电所提供的的7奈米技术设计。


而Synopsys则是采用了AWS以及微软Azure的云端环境,提出了云端解决方案(Synopsys Cloud Solution)。包含了PrimeTime时序分析、签核、StarRC萃取等工具的扩充性,以及IC Validator签核实体验证、HSPICE、CustomSim与FineSim电路模拟、SiliconSmart特性分析、VCS功能验证、VC Formal形式验证以及Z01X故障类比(fault simulation)等等。


另一家EDA工具业者明导也在今年(2019)加入OIP云端联盟,藉由Mentor的Calibre云端运算扩展性,来加速完成晶片实体验证。透过 Mentor、MicrosoftAzure及台积电合作,在4小时内快速完成5奈米测试晶片的实体验证。


台积电预期其他EDA供应商也将会加入OIP云端联盟,并将前段设计流程也纳入云端解决方案中;为了测试云端服务的能力,台积电也正在利用此服务设计5奈米制程的 SRAM,以更快速地提供记忆体、标准元件库、以及电子设计自动化设计基础架构。


韩国三星电子SAFE云端计画启动

不只台积电全力联合EDA与云端服务业者成立OIP,韩国三星为持续支援及提升客户的整体设计工作流程,也和台积电一样,结合EDA与云端服务业者针对云端服务启动了「三星先进制程生态系统云端 (SAFE-Cloud) 计画」。透过与Amazon Web Services(AWS)和Microsoft Azure等云端服务业者,以及Cadence和Synopsys等EDA业者合作,透过线上云端机制提供PDK、设计方法、EDA工具、IP、资料库和设计等等的服务。目前,透过SAFE云端平台,三星电子已经开始加速与Synopsys合作7奈米和5奈米元件库的开发,而三星、Gaonchips也和Cadence成功在此平台完成设计验证。


日本成立CDC研究所整合产业资源

对於IC设计环境的云端化,日本早在2013年就展开各种提案与思考。在2013年9月的一场来自日本国内各大半导体相关业者所叁加的会议中,为了实现「半导体设计云端服务」的目标,决定设立「CLOUD DESIGN COMMUNITY」的法人机构,来整合与提供日本半导体产业以云端平台为基础的半导体设计环境。


不过为了能够达到实际提供平台环境服务,因此更进一步的将此一法人单位,变更成营利事业体,而设立CDC研究所,并且从2016年4月开始,在云端平台上建置了EDA工具、可弹性使用各种业务模式的硬体环境,为了能够支援包括EDA工具、IP资料库、设计流程等的需要,CDC研究所建置了包括EDA Cloud、IP Cloud和Methodology Cloud这三个云端平台,来提供完整IC设计开发所需要的云端环境。此外,CDC研究所并且利用4个「as-a-Service」服务来确保进行半导体晶片设计时,平台的机能均能稳定的运行(图五)。



图五 : CDC研究所利用4个「as-a-Service」服务来确保平台的机能均能稳定的运行。(资料来源:CDC研究所)
图五 : CDC研究所利用4个「as-a-Service」服务来确保平台的机能均能稳定的运行。(资料来源:CDC研究所)

在费用计算方面,CDC研究所是采用使用EDA的时间来计费。一般而言,在使用EDA工具产品时,几??都是在签定合约後,以付费方式来获得软体授权使用。不过,CDC研究所是因为获得来自於各EDA业者的协助後,由CDC研究所建置云端环境平台,只要是CDC研究所的会员,都可以在日本国内的网路环境下,在选择各种不同服务,并以时段分享的方式付费,使用这个EDA云端环境平台。例如,使用EDA工具时的计费服务有,时间单价模式、优先使用模式、优先共享模式、授权使用模式、授权分享模式等(图六)。



图六 : 只要是CDC研究所的会员,都可以在日本国内的网路环境下,使用EDA云端环境平台。(资料来源:CDC研究所)
图六 : 只要是CDC研究所的会员,都可以在日本国内的网路环境下,使用EDA云端环境平台。(资料来源:CDC研究所)
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