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    • PART.1EDA创新的必要性
    • PART.2以技术之长,重新定义EDA
    • PART.3写在最后:国产EDA走向更广阔未来
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新型国产自主EDA,如何颠覆芯片设计?

2023/04/26
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前言:EDA被誉为“芯片之母”。半导体产品在设计过程中,需要通过EDA工具完成架构设计、软件仿真、硬件仿真和原型验证等。后摩尔时代,多样化、异构集成的芯片设计要求给EDA产品带来全新的挑战,技术迭代的号角已然吹响。在新技术序章中,新型EDA悄然入局,直面现实挑战。

2023年4月初,芯易荟(上海)芯片科技有限公司(以下简称:芯易荟;或ChipEasy)面向市场正式发布首款自主研发的领域专用处理器生成工具FARMStudio。这是芯易荟首款自研产品,也是全球首款采用C语言描述的专用处理器生成工具。

该产品一经推出,即因其对EDA工具的颠覆性定义和创新引发半导体业内广泛谈论,该款产品创新点何在,解决问题能力如何?本文中,芯师爷将带大家一同探索。

PART.1EDA创新的必要性

“在过去50余年间,通用处理器充分享受了摩尔定律持续发展的红利。芯片晶体管数量约两年翻一番的规律,使得芯片的设计几乎不需要改变,在跑相同算法的时候就能效率翻倍,且成本更低。但随着摩尔定律的放缓,它给芯片设计带来的红利期正在过去。通用处理器过两年就性能翻倍的好事已经不存在了。”芯易荟联合创始人徐勇向芯师爷介绍道。

 

全球半导体产业大致按照摩尔定律发展了半个多世纪   资料来源:Our World in Data,图源:尚普研究院

后摩尔时代,依靠增加晶体管密度来提升计算性能乏力,未来需要更多异构集成的方式实现系统级芯片,在这种情况下,DSA(Domain Specific Architecture,特定领域架构)兴起。

DSA 指的是在特定领域内设计定制的芯片架构,使其能够用于加速某些应用程序,相对于通用型芯片,DSA芯片在特定的应用场景中具备更好的性能和功耗优化。

图灵奖获得者John Hennessy和David Patterson早在2017年曾盛赞DSA技术,认为在CPU性能达到瓶颈的情况下,要大幅提高性能并且优化成本和能耗的唯一途径是DSA。市场也对DSA技术进展反应积极。2016年谷歌发布的TPUv1是第一款DSA架构的处理器,自此,各种基于DSA概念而生的加速处理器如雨后春笋般涌现。不少近年来被广泛应用的芯片,如 GPU、NPU、DPU 以及新兴的 AI 芯片等均为 DSA 产物。后摩尔时代,DSA 技术的应用被寄望于进一步推动芯片技术的发展和应用。

面对DSA的兴起,芯片设计源头EDA软件如何适配新架构完成芯片设计,成了新的挑战。

在新的半导体产业环境中,EDA面临的挑战还不止于此。随着终端产品应用场景急速变化,芯片原厂为了更快抓住市场机遇,满足“风口”产品需求,亟需缩短芯片的上市时间和提升自家芯片的竞争力。

在EDA环节,要同时助力芯片设计者完成这两点并不容易。缩短芯片上市周期对EDA流程的工作提出了更高效率的要求,这意味着芯片设计者需借助EDA软件快速完成开发甚至是迭代环节,最好一次流片成功;而提升芯片的竞争力则对应所设计的芯片需实现行业领先的功耗、性能、面积(PPA)目标,且在成本上还要能具备一定的优势。

芯片设计端对EDA环节提出了“既要又要”,芯片设计人才却日益短缺。随着芯片的使用范围扩大和在电子系统中的重要性彰显,互联网、汽车和手机等芯片主要应用领域的厂家也不断入局“造芯”,芯片设计人才成了业内紧俏资源。《中国集成电路产业人才白皮书(2020-2021年版)》数据统计,2017-2020年期间,我国集成电路行业人员复合增长率为10.59%,设计业人员规模发展尤其突出,达10.18%。预计到2023年前后,设计业人才需求为28.83万,人才缺口近9万人。

如何打造使用成本更低、效率更高的新型平台成了EDA环节助力芯片设计者的关键,对半导体产业链而言更是意义重大。

PART.2以技术之长,重新定义EDA

技术创新,往往是解决技术应用问题的破局思路。新锐企业的出现也常常是因为其发现市场空缺,及时补位而诞生。芯易荟就是其中的实践者,该团队经过长时间的技术探索,对EDA当前困境有了不一样破局思路。

“专用处理器是半导体业内的大趋势,芯易荟选择的是研发新型EDA工具这条路径。我们将致力于降低EDA使用门槛,使其满足各种不同特性化专用处理器的设计者需求,将专用处理器的开发和应用推向更加繁荣状态。”徐勇表示。

为了达到目标,芯易荟于今年4月初迈出了第一步——推出自动生成专用处理器的EDA工具——FARMStudio,该工具利用先进的底层技术,针对丰富的应用场景,可快速自动产生最佳匹配的软硬件协同方案,以全新的EDA形态服务芯片设计企业及个人。

据发布会资料,FARMStudio将其使用者定义为有算法突破者,这可能是传统从事芯片设计者;也可以是在专用领域有算法突破,但不具备传统的芯片设计能力,也不懂EDA工具工作流程细节的个人或者团队。

使用者只需在最初分析应用层软件和算法之后,将基础核、“超级指令”和芯易荟提供的预置模板这三项输入到FARMStudio工具中,“点一个按钮”就能自动生成DSA硬件和软件。其中,硬件包括RTL,以及综合脚本、测试套件、FPGA开发环境,与验证环境。软件则是工具链,包括编译器指令集仿真器(ISS)、性能仿真器(Profiler)、OS、数学库、调试器、应用软件包等。

芯片设计者还能借助FARMStudio进行快速的多轮迭代,在数周内就完成算法固化,提升DSA处理器的性能和完成验证。

对比传统EDA的使用方法,在芯片设计过程中,开发者通常需要耗费数月甚至是年为单位的时间周期,FARMStudio大大缩减了芯片设计的研发周期。由于FARMStudio是面向专用处理器的EDA工具,其生成的产品在性能上表现也具备优势。

目前FARMStudio主要聚焦于打造专用架构处理器。徐勇向芯师爷强调:“为了扩大专用DSA的适用性,FARMStudio不仅专注于加速某一个算法,更是加速某一类算法。”

随着数字化大潮的兴起,DSP已成为AI、计算机视觉、音频等领域的关键核心。基于此背景,目前FARMStudio主要是面向工业控制通信、计算机视觉、互联网、AI、音频等六大领域专用处理器的开发平台。

FARMStudio发布会上,芯易荟市场总监徐明介绍道:“DSP是目前芯片市场比较典型的例子,使用FARM设计方法学,提炼典型应用场景的算法需求,聚焦不同应用方向提供灵活的可选组件来加速DSP的设计、开发及验证流程。这其中也包括专用的加速指令,依托于强大的编译器可以显著提升性能和资源利用率。相较于已有的传统DSP IP,能以更少的面积和功耗,更小的code size,获得更极致的性能。”

这一切颠覆性的创新FARMStudio是如何做到的呢?据芯师爷了解,芯易荟的FARMStudio主要从四方面革新技术。

革新1“经验”共享,实现分钟级自动生成

面对传统 EDA 工具提升效率的难点,FARMStudio一上来就拿出了“杀手锏”——实现分钟级的自动生成效率。

传统的 EDA 工具使用“经验法则”,需要设计人员根据个人或某一团队的经验对设计流程进行优化。而FARMStudio恰恰是顶尖芯片设计人员的“经验池”,这个工具是众多芯片设计经验的集大成者,内置了丰富的处理器设计可选配置,同时也提供丰富的预制模板资源供芯片设计者调用。如此,使用FARMStudio的芯片设计者将算法以C语言的形式输入给系统,系统就会在数分钟内自动生成该算法的DSA处理器和配套工具链,最大程度缩短产品上市时间。

FARMStudio对于快速生成有明确的定义,利用FARMStudio做芯片的设计迭代,每次只需要几分钟,当然,芯片在设计过程中可能需要无数次迭代,才能最终完成,但是从整个芯片设计的整个流程来说,典型案例表明:FARMStudio可以为开发者在芯片设计一环中节省90%的时间。”徐勇向芯师爷介绍。为了验证“分钟级”的生成效率,芯易荟软件副总裁张卫航在FARMStudio也做了现场演示:利用FARMStudio实机演示三个专用处理器核生成过程,并演示了软件仿真和debug的使用过程。演示证明,FARMStudio的工作流程通畅,并可按需输出结果。

“自动生成式”的研发方式,令FARMStudio在推出之初,就备受瞩目。值得注意的是,这种自动生成式的EDA工具的诞生,引发业内对其是否会取代人类芯片设计工程师的探讨。对此,徐勇坦言:“FARMStudio所做的是加速芯片设计者的芯片设计流程,而非替代,FARMStudio在当前与人类设计工程师在速度和特有算法设计方面互补,能为产业提供更具备优势的芯片产品。”

徐勇补充,未来芯易荟还会不断迭代FARMStudio,使更多重复性的工作整合至新的EDA工具中,将各式专用处理器更多新算法范式浓缩为新EDA工具理念,持续加速和完善芯片产品的研发流程。

革新2设计、验证并行,降低决策风

在传统的芯片设计流程中,会根据应用层软件及算法对软硬件功能拆分,然后再进行架构设计及编码性能优化,最后进入应用层功能的验证。这很容易导致反复出现前端设计无法保证后端设计效果的“bug”,影响设计效率。

到了FARMStudio,流程设置有所变动。通过对应用建模、算法模拟、算法分析和优化等一系列技术升级,FARMStudio能够使架构和软硬件实现方案的决策完全基于确定的功能设计、验证结果和PPA数据,最大程度减少决策面临的不确定性和风险,且硬件设计软件化可实现芯片设计中修改困难的问题,帮助芯片设计者快速收敛和验证,最终快速迭代硬件设计以最佳的PPA实现,在降低成本的同时提升芯片质量。

革新3用C语言提升EDA普适性

在主流设计过程中,通常是用硬件描述语言Verilog完成设计文件,而FARMStudio是采用的是C语言。

关于选择C语言的原因,徐勇解释道:“一方面,我们是希望芯片的软件和硬件的设计是使用同一种语言,全方位保障C to RTL 的正确性和一致性,这中底层设计涉及到非常复杂的数学问题,刚好我们团队可以做到,于是我们就选择了以C语言作为设计描述语言;另一方面,我们希望借此创新来降低芯片设计的门槛,为这个行业增加更多的芯片开发人才。相较其它语言,C语言的学习门槛较低,在我国,甚至全球范围内,会C语言的工程师肯定比会Verilog的人多。我国会Verilog的人顶多是几万,但是会C语言的人至少有200-300万,包括很多芯片设计公司的研发工程师,会C语言的人也是非常多的。从宏观的层面来讲,当前芯片行业正处于高速发展阶段,可以吸收更多源自互联网、通讯领域的人才至芯片设计领域,实现更好人才资源适配,也能解决芯片领域设计人才短缺的问题。”

C语言的使用颠覆了既往EDA的语言习惯,也使得新型的EDA工具有更广阔的普适性,有了更多的可能。

革新4工具基于RISC-V开发,自主可控

FARMStudio是基于RISC-V指令集开发的EDA工具,从知识产权方面来看,其拥有完整的技术储备和开放的生态圈,有利于实现国产化、自主可控。在当前的产业背景下,自主可控的知识产权显得格外重要。

PART.3写在最后:国产EDA走向更广阔未来

芯易荟的FARMStudio重新定义了EDA使用方式,简单来说,其颠覆性体现于,该平台利用应用建模和算法优化等“预处理”方式,“从内到外”改变了EDA的工具属性。“内”变化在于,FARMStudio以自动化的流程高效完成了芯片设计过程中的众多决策,大大减少了开发者的重复性工作,并优化了芯片设计路径,使得芯片设计的周期缩短、性能提升、成本降低,提升了设计者的芯片竞争力;“外”在的改变在于,FARMStudio对EDA工具使用者有了不一样属性定义:通过C语言、自动生成等功能,芯片设计者从传统的芯片设计工程师扩展至会C语言、有独特算法突破的开发者,这使得芯片设计领域可吸收的人才资源大大提升。在商业模式上,FARMStudio还将个人开发者也列入了客户名单中,鼓励和助力着更多的开发者加入芯片设计的队伍中。

不同领域人才涌入芯片设计领域,大量凝聚专业人才知识储备和创新算法固化到集成电路中,有利于半导体产品走向更广阔的未来。而伴随着他们前进的FARMStudio,也终将迈向新的发展征程。

作为国产EDA颠覆性创新赛道的先行者,我们有理由给予这家企业及其产品更多的期待。

 

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