分享降低芯片設(shè)計(jì)成本的方法和方案

雖然EDA行業(yè)傾向于關(guān)注前沿設(shè)計(jì)，其中的設(shè)計(jì)成本只占產(chǎn)品總成本的一小部分，但由于電子行業(yè)的長(zhǎng)尾效應(yīng)，沿著尾部走得越遠(yuǎn)，設(shè)計(jì)成本占總成本的比例就越大。

許多這類設(shè)計(jì)傳統(tǒng)上都是使用標(biāo)準(zhǔn)元件（如微控制器）來(lái)構(gòu)建的，但隨著更多的復(fù)雜技術(shù)逐漸滲透到物聯(lián)網(wǎng)邊緣設(shè)備中，人們對(duì)計(jì)算能力的需求正在增加，超出了簡(jiǎn)單微控制器所能提供的能力。

標(biāo)準(zhǔn)元件再無(wú)法提供可接受的解決方案，其原因五花八門(mén)，而且與日俱增。在許多情況下，設(shè)計(jì)需要自定義內(nèi)容以減少功耗。設(shè)計(jì)還需要更高水平的可靠性或額外的安全性，這些都超出了標(biāo)準(zhǔn)元件提供的能力。

如今，由于設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性，這類元件大多數(shù)都未能制造出來(lái)。如果設(shè)計(jì)變得更廉價(jià)，整個(gè)半導(dǎo)體市場(chǎng)會(huì)增長(zhǎng)多少？這并不意味著降低工具成本，而是意味著提高生產(chǎn)力，即便這意味著放棄其他東西——例如面積。

圖1：NRE（非重復(fù)性工程費(fèi)用）對(duì)總成本的影響。（來(lái)源：DARPA CRAFT）

這個(gè)問(wèn)題變得越來(lái)越重要，以至于美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）于2015年在“以更快的時(shí)間尺度實(shí)現(xiàn)電路（CRAFT）”的保護(hù)下啟動(dòng)了幾個(gè)項(xiàng)目。他們的愿景是“大幅降低國(guó)防部使用使用尖端CMOS技術(shù)構(gòu)建定制IC的障礙，同時(shí)保持該技術(shù)承諾的在功率方面的高性能水平。”

目前，國(guó)防部的大部分技術(shù)都基于標(biāo)準(zhǔn)元件，再次指出，NRE的成本對(duì)于小體積元件而言實(shí)在是太高了。該項(xiàng)目著眼于像UC伯克利RISC-V中心的BOOM-2這樣的項(xiàng)目，將其作為概念的驗(yàn)證。2014年，6名研究生用傳統(tǒng)EDA流程中沒(méi)有的語(yǔ)言和技術(shù)，在6個(gè)月內(nèi)完成了含有25M個(gè)晶體管的設(shè)計(jì)。

與此相比，有報(bào)道稱，英偉達(dá)最近的一塊芯片花費(fèi)了8000名員工一年的時(shí)間進(jìn)行設(shè)計(jì)。西門(mén)子Mentor旗下HLS集團(tuán)工程總監(jiān)Bryan Bowyer指出：“沒(méi)有多少公司能負(fù)擔(dān)得起。即使對(duì)于大體積芯片而言，NRE成本對(duì)人們而言也都是無(wú)法控制的。壓力無(wú)處不在。”

減少非重復(fù)性工程費(fèi)用（NRE）并不是什么新鮮事。Arm公司嵌入式和汽車業(yè)務(wù)戰(zhàn)略副總裁Tim Whitfield表示：“自從客戶擁有工具/無(wú)晶圓廠模型開(kāi)始以來(lái)，我們一直在持續(xù)努力降低設(shè)計(jì)成本。從高級(jí)設(shè)計(jì)語(yǔ)言（Verilog / VHDL）和邏輯綜合開(kāi)始，我們?cè)谔岣咴O(shè)計(jì)質(zhì)量、提高生產(chǎn)率和最終降低成本方面取得了重大進(jìn)展?！?/p>

我們還可以看看Arm和其他IP供應(yīng)商所帶來(lái)的巨大的生產(chǎn)力提升。這些成果讓我們走到了今天的位置，我們還需要走得更遠(yuǎn)。

關(guān)注前沿

傳統(tǒng)上講，支持工具開(kāi)發(fā)的是前沿設(shè)計(jì)。Cadence的產(chǎn)品管理總監(jiān)Dave Pursley表示：“盡管我們關(guān)注的是大客戶，但我們也有很多客戶在尋求成本更低、生產(chǎn)率更高的解決方案。他們承擔(dān)不起投入大量人力的代價(jià)，需要找到更好的辦法?！?/p>

Bowyer對(duì)此表示贊同，但他也表示，無(wú)論如何，這可能并不健全。“目前處于前沿的公司仍然是對(duì)EDA工具影響最大的公司。這可能有點(diǎn)問(wèn)題。我們通過(guò)接觸前沿公司來(lái)訓(xùn)練我們的工具，然后讓行業(yè)的其他人使用這些工具。我們有機(jī)會(huì)改善這一流程。當(dāng)你離開(kāi)前沿的時(shí)候，對(duì)面積之類的壓力會(huì)小一些?；ㄌ鄷r(shí)間去優(yōu)化那些相對(duì)于NRE不需要花費(fèi)太多成本的東西是沒(méi)有意義的?！?/p>

抽象（Abstraction）

抽象是一切改進(jìn)的核心，這一點(diǎn)幾乎沒(méi)有異議。Pursley表示：“在硬件和軟件兩方面都提高抽象級(jí)別是有意義的。這樣，你編寫(xiě)的代碼行數(shù)就會(huì)更少，這就意味著需要驗(yàn)證的代碼更少了，而且你的代碼還可以跨代重用?！?/p>

但是，對(duì)于這個(gè)行業(yè)的很大一部分而言，抽象的采用已經(jīng)停滯不前。Whitfield承認(rèn)：“雖然自動(dòng)化和抽象水平明顯高于20年前，但復(fù)雜性的增長(zhǎng)大大抵消了這些進(jìn)步。在廉價(jià)設(shè)計(jì)和行業(yè)發(fā)展方向方面，人們似乎更加關(guān)注設(shè)計(jì)的高級(jí)抽象，但是如果我們能夠縮小設(shè)計(jì)描述、功能驗(yàn)證，以及在芯片中實(shí)現(xiàn)的功能之間的差距，它有可能被更廣泛采用?！?/p>

高級(jí)綜合

一個(gè)引人注目的領(lǐng)域是高級(jí)綜合（HLS）。Bowyer指出：“HLS允許你抽象設(shè)計(jì)，這已成為許多公司使用的技術(shù)之一。我們還看到了人們對(duì)一種更容易重新配置的新IP的興趣。每個(gè)人都希望設(shè)計(jì)重用，但如果每次改版芯片或遷移到新的工藝節(jié)點(diǎn)時(shí)都需要重新調(diào)整IP，那么就會(huì)妨礙設(shè)計(jì)重用。HLS有機(jī)會(huì)，因?yàn)榇蠖鄶?shù)人不想在總線接口上進(jìn)行創(chuàng)新，所以，一個(gè)工具是否可以讓你僅僅通過(guò)一組接口連接若干IP，并對(duì)組件進(jìn)行處理？”

大多數(shù)HLS采用者都在使用它來(lái)創(chuàng)建優(yōu)化的解決方案。Pursley補(bǔ)充說(shuō)：“通過(guò)HLS，你可以創(chuàng)建多個(gè)實(shí)現(xiàn)，可以從一個(gè)描述中查看功率、性能和面積。因此，你可以獲得生產(chǎn)力，而且還可以從架構(gòu)探索中獲益。總是有假設(shè)認(rèn)為你會(huì)放棄一些東西，比如性能、功率或面積。面積直接等于成本。工具內(nèi)部的變化通常意味著你不必放棄任何PPA。你必須放棄的是你正在使用的方法。你確實(shí)放棄了一些控制權(quán)?！?/p>

有一些例子表明，HLS的使用已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一些非?？焖俚牧髌?。Syntiant公司硬件副總裁David Garrett表示：“從規(guī)格書(shū)到流片，我們只花了四個(gè)月的時(shí)間。在設(shè)計(jì)周期的頭兩個(gè)月，我們使用高級(jí)綜合來(lái)生成每個(gè)區(qū)塊的多個(gè)實(shí)現(xiàn)，包括每個(gè)區(qū)塊的邏輯綜合的速度、面積和功率估計(jì)。這使我們能夠通過(guò)硬數(shù)據(jù)做出權(quán)衡決定來(lái)優(yōu)化SoC，然后再讓它通過(guò)RTL，來(lái)到GDS流程。”

改善流程（FLOW）

使用標(biāo)準(zhǔn)接口是越來(lái)越多的公司采用的一種技術(shù)。西門(mén)子Mentor事業(yè)部產(chǎn)品管理部門(mén)總監(jiān)Prashant Varshney解釋說(shuō)：“人們傾向于開(kāi)始轉(zhuǎn)向易于使用的界面，以便在更高層次上更容易做出改變。然后，工具和自動(dòng)化的結(jié)合將是首選，這是我們所看到的新興市場(chǎng)，他們希望從高級(jí)抽象開(kāi)始，讓工具自動(dòng)完成任務(wù)，而不是在流程的每個(gè)階段都必須硬化IP。”

擁有一組固定接口的半柔性拼圖組件是業(yè)界越來(lái)越多采用的策略。Pursley指出：“為了使其完全即插即用，無(wú)論我做什么，我都能夠插入所有這些組件，你必須注意要讓設(shè)計(jì)對(duì)延遲不敏感，例如使用信號(hào)交換等方式。如果你愿意這樣做，而一些公司想要獲得生產(chǎn)率方面的收益，那么你就可以使用這種方法?！?/p>

然而，Pursley提醒說(shuō)：“人們?nèi)匀幌胫溃绻挥眯盘?hào)交換，他們是否能消除三次翻轉(zhuǎn)?！?/p>

同樣，把精力集中在前沿領(lǐng)域可能會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。Varshney補(bǔ)充說(shuō)：“我們意識(shí)到，對(duì)前沿設(shè)計(jì)的培訓(xùn)只會(huì)給你一個(gè)擴(kuò)展功能集。雖然其中許多可能適用于其他設(shè)計(jì)，但你還需要更多東西。例如，180nm的設(shè)計(jì)僅使用三層進(jìn)行布線，這是你在前沿應(yīng)用中永遠(yuǎn)不會(huì)看到的。但是，這要求你以不同方式管理資源，像全局布線引擎這類東西必須用不同的方式進(jìn)行調(diào)整。”

小體積芯片和前沿設(shè)計(jì)之間還有一個(gè)很大的區(qū)別。Varshney繼續(xù)說(shuō)道：“當(dāng)你擁有一位前沿客戶時(shí)，你便可以接近設(shè)計(jì)收斂，這會(huì)讓他們非常高興。他們讓人們坐在那里準(zhǔn)備完成最后階段的任務(wù)。但當(dāng)你和另一類客戶打交道時(shí)，他們只有一個(gè)人在做整個(gè)芯片。如果你有DRC或有違規(guī)之處，他們會(huì)認(rèn)為這是工具中的錯(cuò)誤。兩類客戶的期望非常不同。這為EDA工具的自動(dòng)化帶來(lái)了額外的需求，其自動(dòng)化程度要超過(guò)過(guò)去的水平?！?/p>

機(jī)器學(xué)習(xí)被認(rèn)為是一種有助于彌合分歧的技術(shù)。Bowyer表示：“我們希望用戶能夠從所有的前沿設(shè)計(jì)中學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，并將其應(yīng)用到更小或更老的幾何圖形，或小體積設(shè)計(jì)中。如今，這是一個(gè)人工過(guò)程，機(jī)器學(xué)習(xí)可能會(huì)有所幫助——讓我們看看錯(cuò)誤的工具或工具鏈的樣子，逐漸理解并解決它們。今天，預(yù)計(jì)在這條路上的每一個(gè)重要步驟中，都要有人去限制工具，去做出改變和調(diào)整?！?/p>

一些人已經(jīng)看到了機(jī)器學(xué)習(xí)的價(jià)值。Whitfield表示：“設(shè)計(jì)自動(dòng)化過(guò)程中的機(jī)器學(xué)習(xí)將變得更加重要，Arm已經(jīng)在使用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)來(lái)加速其功能驗(yàn)證。這些技術(shù)將有助于綜合和物理實(shí)現(xiàn)，并可能使自動(dòng)布線達(dá)到最佳的PPA權(quán)衡?！?/p>

但一個(gè)障礙是，這妨礙了降低NRE成本。Pursley指出：“無(wú)論哪種類型的公司，都會(huì)盡其所能進(jìn)行驗(yàn)證。如果你能更快地進(jìn)行驗(yàn)證，那就再好不過(guò)，但這并不能降低成本。他們會(huì)盡其所能地花費(fèi)，并希望能花得更多?？傆懈嗟氖虑橐觥Ｋ鋵?shí)不是固定成本，但有點(diǎn)像?！?/p>

但是，HLS具有驗(yàn)證優(yōu)勢(shì)。Pursley補(bǔ)充說(shuō)：“驗(yàn)證方面的變化是，你可以在更高的抽象層次上進(jìn)行更多的驗(yàn)證。HLS允許你使用C或SystemC進(jìn)行更多的驗(yàn)證。這就確保了你投入到系統(tǒng)其余部分的內(nèi)容是正確的。”

Chiplet

另一個(gè)有前途的方向是以chiplet的形式直接重用硬IP。Varshney表示：“如果你看一下通用IP，比如應(yīng)用處理器或微控制器，你會(huì)發(fā)現(xiàn)它們都是從架構(gòu)層面高度優(yōu)化的。它們的實(shí)現(xiàn)方式將工藝節(jié)點(diǎn)中的所有內(nèi)容都擠出來(lái)。所以，這些通用IP有硬化的空間，并且會(huì)有市場(chǎng)。”

現(xiàn)有的工藝節(jié)點(diǎn)中可能有許多優(yōu)化。Bowyer補(bǔ)充說(shuō)：“我們拭目以待，看看該行業(yè)是否能在一個(gè)節(jié)點(diǎn)上停留足夠長(zhǎng)的時(shí)間，讓投資變得物有所值?！?/p>

一些公司正在為此做準(zhǔn)備。Helic公司營(yíng)銷副總裁Magdy Abadir表示：“請(qǐng)考慮先進(jìn)芯片封裝技術(shù)以及3D IC堆疊及其所有變體，如WOW，INFO等。這些技術(shù)的成本、尺寸和性能優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵促成因素，只有在能夠分析所有相互作用的金屬層、再分配層和緊密放置在一起的封裝結(jié)構(gòu)之間的電磁耦合的工具的幫助下才能實(shí)現(xiàn)?！?/p>

但是，人們也可以進(jìn)行其他工藝優(yōu)化，特別是在考慮特定領(lǐng)域的應(yīng)用時(shí)。Abadir補(bǔ)充說(shuō)：“大多數(shù)設(shè)計(jì)中都包括大型螺旋電感器。通過(guò)在密集布線區(qū)域和電容器組頂部移動(dòng)這些大型電感器，可以實(shí)現(xiàn)顯著的面積縮減。此時(shí)需要工具來(lái)確保電感器和下面的其他結(jié)構(gòu)之間不會(huì)產(chǎn)生明顯的耦合?！?/p>

圖2：VCO折疊示例實(shí)現(xiàn)了顯著的面積縮減。（來(lái)源：Helic）

長(zhǎng)尾會(huì)持續(xù)嗎？

DARPA承認(rèn)，對(duì)于這個(gè)問(wèn)題沒(méi)有簡(jiǎn)單的解決方案，否則這些方案早就已經(jīng)實(shí)施了。然而，大學(xué)和工業(yè)項(xiàng)目已經(jīng)表明，使用不同的工具和方法，可以在合理的時(shí)間內(nèi)創(chuàng)建復(fù)雜的設(shè)計(jì)。

DARPA面臨的一大問(wèn)題是，是否有足夠的資金來(lái)支持針對(duì)小體積產(chǎn)品的工具開(kāi)發(fā)?！伴L(zhǎng)期來(lái)看，會(huì)有足夠多的小型物聯(lián)網(wǎng)公司來(lái)維持這種局面嗎？”Bowyer問(wèn)道，“對(duì)此我不確定，但今天的確有。小公司在機(jī)器學(xué)習(xí)和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域投入了大量資金。所以今天，支持他們的呼聲越來(lái)越高?！?/p>