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云端部署引领IC设计迈向全自动化
整合运算和设计资源

【作者: 吳雅婷】2020年07月01日 星期三

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随着科技应用走向智慧化、客制化,系统复杂度明显增长,IC设计业者要抢占车用、通讯或物联网等热门市场,以强大运算力实现快速验证与设计已不足够,部署弹性和整合资源将成为开发的关键考量,云端部署会是重要的一步棋。


通讯、车用和物联网是未来IC应用的主要场域,尤其随着持续开发人工智慧应用,以及扩大部署5G、Wi-Fi 6等新一代网路技术,这些颇具潜力的应用展现了强劲成长。


根据市调机构IC Insights上(6)月公布的研究显示,消费性及通讯IC类仍居IC市场最高市占率,至2024年预计将达35.5%,在近20年来成长几近翻倍,速率惊人;车用类则呈现稳定成长,虽然市占率目前不到10%,但其年复合成长率(CAGR)在所有应用类别中表现最为突出,至2024年CAGR可能达9.7%。



图一 : 市调机构IC Insights的最新研究显示,消费性及通讯IC类位居IC市场最高市占率,至2024年预计将达35.5%,车用类则呈现稳定成长,其年复合成长率(CAGR)在所有应用类别中表现最为突出,至2024年可能达9.7%。(source:icinsights.com)
图一 : 市调机构IC Insights的最新研究显示,消费性及通讯IC类位居IC市场最高市占率,至2024年预计将达35.5%,车用类则呈现稳定成长,其年复合成长率(CAGR)在所有应用类别中表现最为突出,至2024年可能达9.7%。(source:icinsights.com)

就消费性及通讯应用来说,5G晶片已经成为发展指标,设计开发商面临的挑战,除了处理器、图形运算晶片等基本运算力,更包括射频前端模组、毫米波IC、人工智慧处理单元(APU)等AI和5G应用的硬体设计工作。不论是SoC或是晶片组,在功能性和运算规格要求上都将更为严苛,要应对这些设计挑战,更快速、更智慧化且自动化的设计工具将成为必需。


若想抢占这些明星市场,晶片设计或开发商除了以缩短开发时程来抢夺上市先机之外,善用电脑设计工具与云端平台,未来将能大幅增加开发规划的整合资源与部署弹性,进而全面优化设计流程与产品开发效率。


其实EDA工具走上云端这件事,已经讨论有些时日。但由於云端环境部署存在高度不确定性,资安、成本控制和设计系统转移等技术和营运问题,仍待提出更多解决方案并加以验证。IC设计要走向云端,就要做好长期抗战的准备。


益华电脑(Cadence)云端事业发展??总Craig Johnson就表示,EDA客户在最初洽谈云端EDA解决方案时,首要问题往往是该方案是否已有早期采用者。足见IC设计商对於部署环境的转换,态度尤其谨慎。


然而,尽管EDA云端解决方案的采用兹事体大,云端环境具备快速升级运算效能、弹性部署及整合设计资源的能力,这些优点在5G和AI应用驱动的未来市场,将逐渐成为绝对优势。EDA云端方案的推出随之更加活络。


汇整云端与就地部署的运算资源

在晶片设计环境采用云端资源其实具备不同选择,国际晶片大厂往往已建构具备相当规模与效能等级的基础设施,因此,与其说是以云端取代就地部署,不如说是将云端纳入IC设计系统,再藉由建立一个整合云上云下的整合开发平台,进行最有效率的设计工作环境部署。


行动应用晶片大厂Arm在去(2019)年AWS云端科技发表会(AWS re:Invent)上就指出,在其设计流程中,电路设计、验证和原型设计三大步骤就耗费85%左右的开发人力。此外,随着晶片系统复杂度快速增长,开发时程却被压缩,验证步骤所需进行的循环数量已经从十亿级(gigacycles;109)??升至百万兆级(exacycles;1018)。


因此,Arm的异质开发平台也采用了云端环境,未来将透过建置结合云端和就地部署基础设施的开发平台,并导入智慧化的排程代管服务(scheduler),就能将运算资源分配与设计需求管理工作交由Arm的异质开发平台处理,不仅最大化利用设计开发者的运算资源,更进一步迈向全自动化晶片设计的愿景。



图二 : Arm异质开发平台宣布采用云端环境,透过建置结合云端和就地部署基础设施的开发平台,并导入智慧排程代管服务(scheduler),就能将运算资源分配与设计需求管理工作以自动化进行。(source:d1.awsstatic.com;制图/CTIMES)
图二 : Arm异质开发平台宣布采用云端环境,透过建置结合云端和就地部署基础设施的开发平台,并导入智慧排程代管服务(scheduler),就能将运算资源分配与设计需求管理工作以自动化进行。(source:d1.awsstatic.com;制图/CTIMES)

藉由导入云端资源,晶片开发者将更容易整合繁琐设计流程中的大量资料,也能与工程团队更紧密合作,即时配合硬体设计的工程方法,在进行回归验证时也能更有效率。


此外,Cadence的专栏作家暨Breakfast Bytes编辑Paul McLellan就指出,Arm将设计工作部分移至云端环境,主要的驱动因素就是元件库特徵化(cell library characterization)。


元件库通常涵盖数以百计的元件资料,而每个元件的模拟工作各不相同,因为运行的温度、电压和制程可能都有差异,因此将元件库特徵化就需要耗费大量的CPU运算力。


Paul McLellan进一步表示,采用云端设计环境最大的好处,就是自CPU导向转为人为导向的典范移转。他举例,与其采用4个月的云端运算方案,集中运算工作至1个月,不仅能降低35%的成本,运算时间也减少了30%。


整合多方资源的全自动设计流程

顾名思义,EDA工具是高度自动化的设计资源,然而,随着晶片设计越趋复杂,不同软硬体设计语言、元件功能设定和处理器架构,都带给EDA更多的挑战。因此,自动化功能也需与时俱进,增添更多设计工具。


开源架构RISC-V的IP供应商SiFive就以云端建构其SoC和处理器开发平台,藉此,他们希??能够达成在数周内完成电路设计、原型设计到送交样品的开发流程。


除了加快开发时程,云端资源更可以开放多个云端供应商、IC设计商和制造商共享晶片设计平台。SiFive推出的首款相容於Linux作业系统的64位元多核RISC-V处理器Freedom Unleashed 540(U540),就是在台积电开放创新平台虚拟设计环境(OIP VDE)上完成设计。


该平台结合了微软云端平台Azure、Cadence与Synopsys专业的EDA技术资源,再加上台积电的制程技术、设计套件和叁考流程等资料,提供一个云端EDA的成果开发案例。


SiFive首席执行长Naveed Sherwani曾表示,要实现真正的自动化设计,设计者仅需提供RTL层级的硬体语言,剩下的运算工作就交由云端平台处理,设计者甚至不需处理Chisel语言,直接进行C语言设计工作。


藉由更完善部署云端设计界面,晶片开发工作将更便利快速,此外,融合更多IP资源也是云端EDA的另一优势,能够满足未来特定应用领域中人工智慧加速器的客制需求。


SiFive日前更宣布与EDA大厂Synopsys合作,在Microsoft Azure云端平台上整合Synopsys的开发与验证资源,持续为未来SoC晶片设计建构自动化功能。


结语

云端环境适合整合多方资源,例如EDA供应商的设计工具、第三方IP、晶圆厂制程设计套件(process design kit;PDK)等。随着云端服务的供应链与技术发展渐趋成熟,不论是采用公有云、私有云或混合云等多元部署模式,都将能助力IC设计为IT产业开发注入活水,提升设计弹性与加速开发时程,在异质整合、VLSI、AI等高阶晶片需求增长的时代,进一步实现全自动化设计流程。


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