淺談eda芯片設(shè)計(jì)的四個(gè)難題

一千多年前，詩人李白創(chuàng)作了豪放灑脫、氣勢(shì)磅礴的《蜀道難》，并發(fā)出了“蜀道難，難于上青天”的感慨。從長(zhǎng)安到巴蜀之地，要穿越秦嶺和大巴山，山高谷深，道路崎嶇，極為艱險(xiǎn)！我雖沒有李白“筆落驚風(fēng)雨，詩成泣鬼神”般的才華，但想借用李白的詩句來表達(dá)芯片設(shè)計(jì)之難，從某種角度來說，芯片設(shè)計(jì)是真的“難于上青天”！

難點(diǎn)之一——設(shè)計(jì)具有競(jìng)爭(zhēng)力的高性能芯片

以個(gè)人計(jì)算機(jī)中的CPU為例，其全球市場(chǎng)幾乎被AMD和英特爾瓜分。在消費(fèi)電子領(lǐng)域，高性能就是絕對(duì)的競(jìng)爭(zhēng)力，這在AMD和英特爾幾十年的競(jìng)爭(zhēng)歷史上得到了完美的證明。一方的性能如果能全面超越另一方，那么其市場(chǎng)占有率就會(huì)發(fā)生明顯的變化。

比如，AMD在2003年推出的基于K8微架構(gòu)的64位速龍處理器，因其強(qiáng)悍的性能成為高端游戲玩家的主流配置。其市場(chǎng)份額也在逐年攀升，甚至在桌面CPU領(lǐng)域的市占率一度超過英特爾，但隨后英特爾憑借酷睿CPU重新奪回市場(chǎng)。

AMD和英特爾之間的競(jìng)爭(zhēng)如“神仙打架”一般，鮮有第三家公司能擠進(jìn)這個(gè)領(lǐng)域。這是因?yàn)锳MD和英特爾擁有最優(yōu)秀的架構(gòu)師，架構(gòu)設(shè)計(jì)思想經(jīng)過多年的市場(chǎng)驗(yàn)證及迭代，始終走在領(lǐng)域的最前沿。

從前端設(shè)計(jì)的角度看，頂級(jí)芯片設(shè)計(jì)公司在芯片性能（Performance）、功耗（Power）、面積（Area）方面都做到了極致，后來者恐怕難以望其項(xiàng)背！

難點(diǎn)之二——為芯片設(shè)計(jì)新功能

業(yè)內(nèi)的多數(shù)芯片都有著成熟的設(shè)計(jì)方案，并且新產(chǎn)品都是基于上一代項(xiàng)目的迭代而誕生的，芯片設(shè)計(jì)過程相對(duì)容易。如果為了解決一個(gè)新的問題或者適應(yīng)新的使用場(chǎng)景，從頭開始設(shè)計(jì)一款芯片，那么難度會(huì)直線上升。

首先要考慮如何設(shè)計(jì)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)新的功能；其次要考慮如何用硬件描述語言實(shí)現(xiàn)架構(gòu)師的想法，以及如何在有限的硬件資源條件下盡可能提高性能。這些問題都非常考驗(yàn)工程師的技術(shù)實(shí)力。

難點(diǎn)之三——芯片驗(yàn)證

事實(shí)上，驗(yàn)證工程師承受著非常大的壓力，因?yàn)槊鎸?duì)功能復(fù)雜的芯片，保證覆蓋率達(dá)標(biāo)是一件非常困難的事情。在流片之后，如果芯片沒有成功點(diǎn)亮，驗(yàn)證工程師也會(huì)挺身而出，與硅后工程師一起完成芯片的調(diào)試工作。在實(shí)際的芯片項(xiàng)目中，找到芯片設(shè)計(jì)中一個(gè)相對(duì)隱晦的錯(cuò)誤并不容易。

難點(diǎn)之四——可測(cè)性設(shè)計(jì)和測(cè)試

在可測(cè)性設(shè)計(jì)中，業(yè)界通常要求固定型故障的測(cè)試覆蓋率要達(dá)到99%或者99.5%，甚至更高。在超大規(guī)模的芯片中，邏輯設(shè)計(jì)極為復(fù)雜，邏輯深度大，很多電路難以被控制和觀測(cè)，盡管有EDA工具作為輔助，但要達(dá)到目標(biāo)并不容易。

在我初入職場(chǎng)時(shí)，公司領(lǐng)導(dǎo)曾給我講了一個(gè)故事：多年之前，一位工程師在芯片測(cè)試階段遇到了一個(gè)棘手的問題，耗費(fèi)一個(gè)月的時(shí)間仍沒有任何進(jìn)展，在巨大的壓力和挫敗感下，這位工程師趴在測(cè)試機(jī)上痛哭，讓人頗為唏噓。

拋開技術(shù)不談，芯片設(shè)計(jì)需要投入大量資金，流片費(fèi)用高昂，是一個(gè)名副其實(shí)的“燒錢”的行業(yè)。如果沒有資金注入，就好比“巧婦難為無米之炊”，寸步難行。

2021年4月21日，在芯片界的頂級(jí)會(huì)議Hot?Chips大會(huì)上，Cerebras Systems公司發(fā)布了一款晶圓級(jí)引擎芯片——Wafer Scale Engine 2。這款芯片采用臺(tái)積電7納米工藝制程，擁有85萬個(gè)AI核心，包含2.6萬億個(gè)晶體管，面積為46225平方毫米，基于一整張12英寸的晶圓制造，這是迄今為止包含晶體管數(shù)量最多的芯片 。

除了這款“巨無霸”，市面上主流的用在智能手機(jī)或者個(gè)人電腦中的芯片，其晶體管規(guī)模都在百億級(jí)。那么數(shù)量如天文數(shù)字般的晶體管，是如何被設(shè)計(jì)出來的呢？

“上百億個(gè)晶體管，總不能用手來畫吧？”相信很多非業(yè)內(nèi)人士會(huì)有類似的困惑。

其實(shí)在集成電路發(fā)展早期，內(nèi)部的晶體管都是通過手畫設(shè)計(jì)的，彼時(shí)芯片的規(guī)模較小，只有幾十個(gè)或者幾百個(gè)晶體管。但隨著芯片的發(fā)展和演進(jìn)，其邏輯功能變得越來越復(fù)雜且全面，晶體管的數(shù)目也呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，此時(shí)再徒手畫電路，顯然是不現(xiàn)實(shí)的。隨后，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)開始應(yīng)用于芯片領(lǐng)域。在直接促成百億級(jí)規(guī)模的芯片設(shè)計(jì)這一方面，有三種秘密武器必不可少。

秘密武器之一——使用編程語言來設(shè)計(jì)芯片的思想

這個(gè)思想來自卡沃·米德和林恩·康威的著作《超大規(guī)模集成電路系統(tǒng)導(dǎo)論》，它的提出是芯片設(shè)計(jì)歷史上一個(gè)非常重要的里程碑。

假設(shè)我們要設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)比較器，當(dāng)輸入值a和b相等時(shí)，equal的返回值為1；當(dāng)a和b不相等時(shí)，返回值為0。使用Verilog語言，一行代碼即可實(shí)現(xiàn)。

assign?equal = （a==b）? 1 : 0;

但如果徒手畫晶體管電路，通過分析以上數(shù)據(jù)比較器的功能可知，邏輯功能和同或門一致，因此可以用異或門后接一個(gè)反相器實(shí)現(xiàn)該數(shù)據(jù)比較器的功能。搭建一個(gè)異或門最少需要6個(gè)晶體管，一個(gè)反相器需要2個(gè)晶體管，所以我們用一行代碼就完成了8個(gè)晶體管的設(shè)計(jì)，這大幅提高了工程師設(shè)計(jì)芯片的效率！

這是數(shù)字芯片設(shè)計(jì)中最簡(jiǎn)單的一個(gè)例子，在實(shí)際工作中，工程師可以在比較抽象的層次上描述設(shè)計(jì)電路的結(jié)構(gòu)和邏輯功能，用簡(jiǎn)潔明確的源代碼描述復(fù)雜的邏輯功能，并且支持模塊化設(shè)計(jì)和層次化設(shè)計(jì)。往往由簡(jiǎn)單的幾十行代碼設(shè)計(jì)出來的電路，即可包含成千上萬個(gè)晶體管。因此，通過編程可以讓設(shè)計(jì)具有百億級(jí)數(shù)量晶體管的芯片成為可能。

秘密武器之二——EDA

在 RTL 設(shè)計(jì)完成后，即可采用邏輯綜合工具把RTL 轉(zhuǎn)換成門級(jí)網(wǎng)表，也就是與、或、非等邏輯門及其之間的連接關(guān)系。將RTL 轉(zhuǎn)換成門級(jí)網(wǎng)表的過程主要有三個(gè)步驟：翻譯、優(yōu)化和映射。就像自動(dòng)化流水線一樣，只要把原材料放進(jìn)去，就可以得到成品。這些紛繁復(fù)雜的工作都交給EDA來做，可以明顯縮短設(shè)計(jì)的時(shí)間，加快將芯片推向市場(chǎng)的速度。

秘密武器之三——重復(fù)調(diào)用已有的成熟設(shè)計(jì)模塊

在芯片中，很多單元或模塊的數(shù)目不止用到一次，比如算術(shù)邏輯單元，我們只需設(shè)計(jì)一次，即可重復(fù)調(diào)用。這好比建筑師在設(shè)計(jì)住宅樓時(shí)，只需設(shè)計(jì)幾種標(biāo)準(zhǔn)戶型，并不要求每間房屋的戶型都是獨(dú)一無二的設(shè)計(jì)?；蛘邚母邔哟蔚慕嵌瓤?，目前的中央處理器都是8核、16核等，這些核心在設(shè)計(jì)上也幾乎是一致的。

盡管芯片設(shè)計(jì)工程師被認(rèn)為是硬件工程師，但編程是芯片設(shè)計(jì)工程師必不可少的技能之一，也正是編程思想賦予了芯片設(shè)計(jì)無限的可能。

本文節(jié)選自一本“嚴(yán)（專）肅（業(yè)）的”芯片科普?qǐng)D書——《了不起的芯片》。

作者王健，筆名“溫戈”，畢業(yè)于西安電子科技大學(xué)，曾就職于全球頂級(jí)芯片測(cè)試公司Teradyne，現(xiàn)為某芯片大廠數(shù)字芯片設(shè)計(jì)經(jīng)理。成功參與多款高性能CPU、GPU、服務(wù)器等超大規(guī)模SoC芯片產(chǎn)品的流片。在芯片設(shè)計(jì)、可測(cè)性設(shè)計(jì)、芯片測(cè)試及應(yīng)用開發(fā)等領(lǐng)域具有豐富的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)。

知乎平臺(tái)芯片（集成電路）、中央處理器（CPU）話題優(yōu)秀答主，數(shù)碼鹽究員。騰訊新聞特約撰稿人，四川衛(wèi)視《了不起的分享》節(jié)目嘉賓，微信公眾號(hào)“OpenIC”主理人。累計(jì)創(chuàng)作內(nèi)容高達(dá)百萬字，涉及科技熱點(diǎn)解讀、芯片科普、技術(shù)分享、職場(chǎng)成長(zhǎng)等主題，深受讀者好評(píng)，全網(wǎng)關(guān)注人數(shù)超過30萬，閱讀量過億。

編輯：黃飛

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