半導體行業(yè)觀察：對標EDA三巨頭，思爾芯推出國產(chǎn)硬件仿真系統(tǒng)

過去幾年，因為各種各樣的原因，國內(nèi)正在興起了一股EDA創(chuàng)業(yè)潮。誠然，從數(shù)據(jù)看來，這有非常大的必要。

據(jù)芯思想研究院的報道，2022年全球前三或者說全球前五EDA公司都是來自美國，其市場份額高達90%以上。作為對比，中國內(nèi)地EDA公司全年營收占有全球市場的2%，即使在中國市場，也僅僅占有12.5%的份額。市場的缺失，產(chǎn)品的重要性，再加上其他不可控因素的推動，國產(chǎn)EDA的發(fā)展勢在必行。

按相關(guān)定義，EDA是指利用計算機輔助設計（CAD）軟件來完成超大規(guī)模集成電路（VLSI）芯片的功能設計、綜合、驗證、物理設計（包括布局、布線、版圖、設計規(guī)則檢查等）等流程的設計方式。

在現(xiàn)代的芯片設計中，EDA所參與的每一個環(huán)節(jié)都不容忽視，國內(nèi)企業(yè)也聚焦著各個方面發(fā)力，驗證更是在近年來逐漸成為多家本土廠商關(guān)注的熱點。

驗證，芯片設計的重中之重

如大家所知道的一樣，隨著芯片制造工藝的縮小，制造芯片的成本正在與日俱增。但其實在工藝演進器件，芯片設計的成本也水漲船高。據(jù)外媒Semiengineering統(tǒng)計顯示，開發(fā)28nm芯片需要5130萬美元投入，到了16nm，這個數(shù)字就飆升到1億美元，7nm節(jié)點更是需要2.97億美元，到了5nm節(jié)點，開發(fā)芯片的費用將達到5.42億美元。圖1：不同節(jié)點芯片的開發(fā)成本由此可見，無論是設計，還是tape out芯片的成本都是極其昂貴的，如何在芯片流片前及時、徹底地發(fā)現(xiàn)設計中潛藏的邏輯錯誤，保證芯片的可用性、高效性、是業(yè)內(nèi)著力解決的重點問題。換而言之，復雜芯片的開發(fā)需要進行更全面的測試驗證。作為芯片設計流程的重要一環(huán)，驗證貫穿了設計的每個階段，具體而言可劃分為前端仿真和后端仿真。其中，前端仿真主要為了檢測功能邏輯的缺陷，后端仿真是為了檢測門級電路由延遲導致采樣失敗所產(chǎn)生的功能缺陷。而具體到數(shù)字電路設計中，軟件仿真、硬件仿真及原型驗證則成為了設計和驗證團隊的常規(guī)選項。所謂軟件仿真是利用計算機軟件模擬運行數(shù)字電路設計，進行功能仿真和驗證，擁有易于使用、成本效益高，且具有復雜調(diào)試能力等優(yōu)勢。但在碰到大規(guī)模數(shù)字電路設計之后，結(jié)構(gòu)日漸復雜，仿真所需要的時間也越長，軟件仿真的效益受到了限制。硬件仿真則是利用專用的硬件系統(tǒng)對仿真進行加速，主要用于系統(tǒng)級的功能仿真和驗證。在此階段，IP子模塊已被拼接成整體系統(tǒng)，整體系統(tǒng)的源代碼仍不成熟，源代碼中仍可能存在一定量的錯誤，此時就需要利用硬件仿真來對系統(tǒng)源代碼中潛在的深度錯誤和性能瓶頸進行捕捉和探測，并對存在錯誤的源代碼進行修改和完善。為實現(xiàn)上述目的，硬件仿真工具將可控制時鐘和信號全可視作為核心技術(shù)，工具中含有數(shù)量較多的信號采集器來獲取系統(tǒng)電路運行的每一個時鐘周期的數(shù)據(jù)，以便查找設計錯誤，其技術(shù)的核心在于實現(xiàn)高速仿真速度的同時還要信號全部可探測。原型驗證主要是將設計映射到FPGA平臺，通過模擬芯片實際運行環(huán)境，來驗證芯片整體功能和性能，并提供片上軟件開發(fā)環(huán)境。圖2：驗證工具對比雖然軟件仿真、硬件仿真和原型驗證三者并沒有絕對的好壞之分，也沒有絕對的排他性，只是優(yōu)勢互補。但因為硬件仿真擁有高性能、支持設計規(guī)模大和具有強大調(diào)試能力、支持快速搭建驗證環(huán)境、無需用戶過多干預，以及支持全自動編譯、能夠針對用戶不同設計場景和設計規(guī)模能夠有效地提高驗證效率等優(yōu)點，所以在過去多年硬件仿真主要是一些較大型設計公司使用。但近年來，由于大數(shù)據(jù)處理及AI芯片設計規(guī)模的持續(xù)擴大，以及市場激烈競爭下的快速迭代需求，越來越多的芯片設計公司考慮選擇硬件仿真系統(tǒng)，來提高芯片驗證效率，縮短芯片開發(fā)周期，硬件仿真成為芯片設計功能驗證主要工具的趨勢越來越明顯。

芯神鼎，思爾芯的見招拆招

和EDA的許多環(huán)節(jié)一樣，硬件仿真領域也是一個由Cadence、Synopsys和西門子EDA控制的市場。他們也都有各自的硬件仿真加速器，提供了信號全可視的調(diào)試功能，在使用上也各有自己的一套流程。正因為這個市場如此重要，國內(nèi)圍繞這個領域也涌現(xiàn)出了不少公司，思爾芯就是其中一個佼佼者。據(jù)介紹，思爾芯于2004年在上海成立。自成立以來，公司始終專注于集成電路 EDA 領域，聚焦于數(shù)字芯片的前端驗證業(yè)務，為國內(nèi)外客戶提供原型驗證系統(tǒng)和驗證云服務等解決方案，助力人工智能、超級計算、圖像處理、數(shù)據(jù)存儲、信號處理等客戶實現(xiàn)數(shù)字電路設計功能的實現(xiàn)。在芯片功能驗證方面，公司也有了成熟的產(chǎn)品，能幫助整個芯片產(chǎn)業(yè)完成國產(chǎn)替代。圖3：思爾芯發(fā)展的里程碑在思爾芯看來，現(xiàn)在的硬件仿真器具備幾個特點，分別是：

1、需要支持超大設計規(guī)模，可以支持數(shù)十億門級別的設計仿真，并且還需要保持足夠快的運行速度；

2、需要支持用戶設計的快速移植和部署，通常在1-2周內(nèi)完成工程搭建，無需對硬件環(huán)境進行手工連線；

3、需要操作便捷，系統(tǒng)自動化程度高，支持用戶設計的全自動編譯，無需對設計過多干預，Gigabyte級別的設計網(wǎng)表能快速編譯并快速完成后端工作；

4、需要具有強大的調(diào)試能力，支持足夠靈活的調(diào)試手段，可以捕捉源代碼的深度錯誤和性能瓶頸。在實現(xiàn)高速運轉(zhuǎn)速度的同時保證信號全部可探測（信號全可視），支持靈活的實時觸發(fā)、海量的波形數(shù)據(jù)存儲和分析；

5、需要支持豐富的驗證模式，可以滿足用戶不同驗證場景的需求。

圖4：OmniArk芯神鼎的系統(tǒng)架構(gòu)基于這些見解和公司的積累，面對芯片市場的新需求，思爾芯推出了全新的企業(yè)級硬件仿真加速器——OmniArk芯神鼎。作為一款由思爾芯自主研發(fā)的產(chǎn)品，OmniArk芯神鼎擁有多項自主知識產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)，采用了超大規(guī)模商用可擴展陣列架構(gòu)和機箱模塊結(jié)構(gòu)設計，極大方便了維護和擴展。其產(chǎn)品形態(tài)也覆蓋了從桌面型到機柜型，設計容量可擴展可至20億門。OmniArk芯神鼎還用到了AI技術(shù)（即Smart P&R），可以智能參數(shù)優(yōu)化，大大提升PR的成功率。除此以外，該硬件系統(tǒng)還包含一套便捷易用的軟件系統(tǒng)，支持GUI圖形界面和TCL腳本命令，集成編譯、運行、調(diào)試的完整流程。圖5 ：OmniArk芯神鼎的軟件介紹據(jù)思爾芯介紹，OmniArk芯神鼎還擁有實現(xiàn)用戶設計快速移植和部署、全自動編譯流程、MHz級仿真加速、強大的調(diào)試糾錯能力、多種仿真驗證模式和豐富的VIP庫等特點。尤其是其全自動編譯流程方面的設計，能夠在較少需要用戶干預的情況下，通過多種核心技術(shù)實現(xiàn)快速編譯與自由設計。圖6：OmniArk芯神鼎硬件仿真系統(tǒng)特點總結(jié)思爾芯方面強調(diào)，作為一款基于FPGA設計的產(chǎn)品，OmniArk芯神鼎在與EDA三大家同類型產(chǎn)品相比的時候，凸顯了其成本和芯片設計匹配度更高的優(yōu)勢。正因為擁有如此多優(yōu)勢，OmniArk芯神鼎目前已在多個芯片設計頭部企業(yè)推廣使用，能滿足汽車電子、CPU、AI、5G、云計算等SoC 設計所需的復雜驗證?；仡欉@家EDA企業(yè)過去近二十年的發(fā)展，這款產(chǎn)品攀登高峰道路上的一個新里程碑。

整合專注，打造國產(chǎn)數(shù)字EDA全流程

作為一家專注于驗證領域的EDA企業(yè)，除了新發(fā)布的硬件仿真系統(tǒng)OmniArk芯神鼎外，思爾芯更早之前還打造了具有架構(gòu)靈活、易于擴展、運行速度快等優(yōu)勢的原型驗證系統(tǒng)和驗證云系統(tǒng)，能夠高效構(gòu)造真實的芯片運行場景，為芯片設計客戶建立驗證模型，以測試設計代碼在真實場景中的運行效果，進而加速客戶設計的功能驗證、系統(tǒng)驗證和嵌入式軟件與應用的開發(fā)。正是因為這么多極具競爭力的產(chǎn)品，思爾芯的EDA工具獲得了超過600家的客戶使用。特別是在原型驗證市場，公司在中國原型驗證市場中銷售額排名第一，在世界原型驗證市場中銷售額也位居第二。這主要受惠于公司過去多年研發(fā)投入和迭代，在硬件仿真系統(tǒng)OmniArk芯神鼎上，思爾芯也制定了一個短期目標?；谶@些產(chǎn)品和積累，思爾芯也正在推動一個異構(gòu)驗證方法學，使得多種不同形式的設計在系統(tǒng)建模（Genesis芯神匠），軟件仿真（PegaSim芯神馳），硬件仿真（OmniArk芯神鼎），原型驗證（Prodigy芯神瞳）得以協(xié)同仿真和交叉驗證，以確保設計出正確的芯片。展望未來，思爾芯也將結(jié)合其他產(chǎn)品線，硬件仿真配上軟仿、原型協(xié)同仿真的軟件，以實現(xiàn)軟硬件協(xié)同仿真的完美運行。進而打造出真正的國產(chǎn)數(shù)字EDA全流程。思爾芯同時強調(diào)，因為EDA點工具數(shù)量多，不可能有一家公司全部自己開發(fā)。而縱觀三大家的發(fā)展史也是一部并購史，所以需要有平臺企業(yè)去整合有潛力且專注于某個細分領域的優(yōu)秀的公司。思爾芯在這方面也小試牛刀。據(jù)資料顯示，思爾芯在去年并購了國微晶銳（深圳國微晶銳技術(shù)有限公司）。之所以這個并購標的，按照思爾芯的說法，除了看中其研發(fā)的硬件仿真系統(tǒng)本身就具有過硬技術(shù)實力以外，還看中了其產(chǎn)品線與思爾芯本身的產(chǎn)品互補。此次推出的企業(yè)級硬件仿真系統(tǒng)OmniArk 芯神鼎就是思爾芯通過這單并購，將后者的硬件仿真技術(shù)融入公司現(xiàn)有產(chǎn)品線，并進行核心技術(shù)整合所得。“我們不會盲目并購，而是要根據(jù)自身的戰(zhàn)略規(guī)劃選擇并購對象，最終實現(xiàn)1+1>2的果?！彼紶栃痉矫鎻娬{(diào)。他們同時指出，除了并購外，公司也會去看全球市場上尋找有潛力的EDA點工具，通過授權(quán)進行二次開發(fā)和迭代，做成匹配公司本土客戶需求的工具。這也是公司未來發(fā)展的另一個方式。
文章轉(zhuǎn)載自公眾號半導體行業(yè)觀察