EDA加速車(chē)規(guī)芯片設(shè)計(jì)

車(chē)規(guī)芯片屬于半導(dǎo)體芯片的一個(gè)分支。目前芯片設(shè)計(jì)驗(yàn)證遇到的很大一個(gè)瓶頸就是人才短缺，對(duì)車(chē)規(guī)芯片來(lái)說(shuō)也是如此。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年的IC設(shè)計(jì)從業(yè)者約20萬(wàn)人，但是企業(yè)對(duì)人才需求量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)這個(gè)數(shù)目，導(dǎo)致在今年幾乎每家半導(dǎo)體設(shè)計(jì)公司都在抱怨急需的設(shè)計(jì)驗(yàn)證人員難招。

芯片人才短缺一方面在于傳統(tǒng)人才培養(yǎng)模式的不足，在這方面我們很高興地看到國(guó)家已經(jīng)布局，而且開(kāi)展了一系列的EDA的產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項(xiàng)目；另一方面人才短缺很大程度是由于國(guó)外EDA工具的壟斷性和封閉性造成的，這種保守和封閉性讓國(guó)內(nèi)普通的開(kāi)發(fā)者很難廣泛接觸，更談不上二次開(kāi)發(fā)。

車(chē)規(guī)芯片是一個(gè)復(fù)雜的軟硬件系統(tǒng)。車(chē)載芯片互聯(lián)從傳統(tǒng)簡(jiǎn)單的傳感器通過(guò)CAN，MOSE，F(xiàn)lexRay總線互聯(lián)，逐漸轉(zhuǎn)變成復(fù)雜的車(chē)用以太網(wǎng)（Automotive Ethernet）互聯(lián)；傳輸?shù)臄?shù)據(jù)也從以往的調(diào)試診斷信息，提升到音視頻娛樂(lè)信息（Infotainment），重要任務(wù)（Mission Critical）數(shù)據(jù)信息。隨著數(shù)據(jù)量不斷增大，數(shù)據(jù)內(nèi)容和延遲確定性愈加重要，車(chē)規(guī)芯片內(nèi)部的軟件也因此愈加復(fù)雜。

車(chē)規(guī)芯片也是一個(gè)芯片領(lǐng)域比較特殊的種類(lèi)，尤其是它對(duì)功能安全有嚴(yán)格的要求。車(chē)規(guī)芯片的功能安全完整性等級(jí)（ASIL）劃分要求芯片在設(shè)計(jì)過(guò)程中有一系列的嚴(yán)苛檢測(cè)和覆蓋率報(bào)告。傳統(tǒng)的芯片設(shè)計(jì)驗(yàn)證方法學(xué)很難有效地應(yīng)付功能安全領(lǐng)域復(fù)雜的需求，這個(gè)挑戰(zhàn)也正在促使設(shè)計(jì)方法的變革。先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念可以讓效率大幅提升，加速設(shè)計(jì)周期，提高芯片安全等級(jí)。

要擺脫目前車(chē)規(guī)芯片困境，包括對(duì)國(guó)外半導(dǎo)體廠商、EDA工具的依賴(lài)，國(guó)內(nèi)芯片人才短缺、設(shè)計(jì)理念落后等制約，就必須強(qiáng)調(diào)EDA理念，工具，和方法學(xué)變革。

為此，我們對(duì)加速車(chē)規(guī)芯片設(shè)計(jì)提出三點(diǎn)建議：

O1、EDA理念變革

大部分傳統(tǒng)的EDA工具不向公眾開(kāi)放中間層接口，普通用戶(hù)無(wú)法二次開(kāi)發(fā)，長(zhǎng)期以來(lái)導(dǎo)致產(chǎn)品生態(tài)封閉，用戶(hù)群體狹窄。芯華章強(qiáng)調(diào)利用EDA 2.0技術(shù)和理念，采用芯片設(shè)計(jì)平臺(tái)服務(wù)（EDaaS（Electronic Design as a Service））模式：工具有機(jī)嵌入云原生服務(wù)，同時(shí)提供全方位開(kāi)放的接口，并廣泛地適配到設(shè)計(jì)驗(yàn)證各項(xiàng)的流程中。工具接口開(kāi)放化，工具本身平臺(tái)化，由此可以讓芯片設(shè)計(jì)和驗(yàn)證更加自動(dòng)化智能化；同時(shí)EDA 2.0也能夠讓更多人通過(guò)EDaaS參與到芯片設(shè)計(jì)中，并快速高效地完成工作；依托EDA 2.0技術(shù)是解決芯片人才瓶頸最有效的方式之一，我們希望在將來(lái)看到有更多的嵌入式工程師，系統(tǒng)工程師，甚至軟件工程師都可以利用EDA 2.0技術(shù)，高效地參與芯片設(shè)計(jì)研發(fā)。

O2、EDA工具變革

EDA工具為功能安全提供數(shù)據(jù)支撐，尤其是ISO26262認(rèn)證所需的定量分析：失效模式影響與診斷分析 （Failure Mode Effect and Diagnostic Analysis，簡(jiǎn)稱(chēng)FMEDA）。在設(shè)計(jì)車(chē)規(guī)芯片時(shí)，F(xiàn)MEDA常用的手段就是對(duì)芯片進(jìn)行有意的故障注入（intentional fault injection），然后再分析錯(cuò)誤注入引起的功能故障概率（失效率），以此評(píng)定車(chē)規(guī)芯片的安全完整性等級(jí)。

因此，EDA工具需要能夠產(chǎn)生各種故障模型（fault model）的測(cè)試激勵(lì)。由于芯片中需要注入的錯(cuò)誤數(shù)量巨大，種類(lèi)繁多，傳統(tǒng)仿真工具在做大規(guī)模測(cè)試時(shí)往往性能低下，耗費(fèi)內(nèi)存巨大，而且仿真時(shí)間冗長(zhǎng)。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)仿真工具引擎是專(zhuān)注功能驗(yàn)證，它對(duì)于故障注入來(lái)說(shuō)，內(nèi)存和CPU開(kāi)銷(xiāo)都是巨大的。

因此，故障注入需要EDA公司設(shè)計(jì)一種特殊的仿真器引擎，從而提高故障注入仿真效率；此外，芯片故障注入測(cè)試需要仿真器能夠處理更多的故障，且盡可能多地并發(fā)執(zhí)行。由于通常芯片內(nèi)部部分邏輯具有規(guī)則性和對(duì)稱(chēng)性，通過(guò)形式化方式能夠發(fā)現(xiàn)一些規(guī)則，從而大規(guī)模減少不必要的注入的數(shù)量。一旦測(cè)試用例的數(shù)量減少了，仿真所需的總時(shí)間就可以減小了，這也可以從另一方面提升仿真器的效率。

仿真器只是EDA工具變革的一個(gè)典型的例子。其他的工具，如形式驗(yàn)證，也可以針對(duì)功能安全做很多增強(qiáng)和優(yōu)化，包括自動(dòng)探測(cè)安全路徑、自動(dòng)檢測(cè)關(guān)鍵路徑上的可應(yīng)用的錯(cuò)誤模型：包含固定開(kāi)路故障（stuck at fault），瞬態(tài)故障（transient fault），遷移故障（transition fault），橋接故障（bridge fault）等。這些技術(shù)將大大提升車(chē)規(guī)芯片的驗(yàn)證效率。

O3、設(shè)計(jì)方法學(xué)變革

車(chē)規(guī)芯片不同于消費(fèi)電子芯片之處，在于安全性和可靠性特殊要求。車(chē)規(guī)芯片在設(shè)計(jì)之初要做很周密的架構(gòu)探索，這些前期工作的目的就是為了首先確保安全性，其次達(dá)到ISO26262 認(rèn)證的要求。車(chē)規(guī)芯片為了要保證在嚴(yán)苛環(huán)境下設(shè)計(jì)的安全性，常常會(huì)使用一些特殊的邏輯功能：比如在數(shù)據(jù)流中的采用硬件CRC校驗(yàn)，在片內(nèi)SRAM和Flash memory中采用單比特奇偶（parity）校驗(yàn)，數(shù)據(jù)讀取ECC校驗(yàn)，以及芯片電源電壓檢測(cè)；在控制密集型邏輯上采用冗余邏輯，如多個(gè)CPU同時(shí)處理單一任務(wù)，輸出結(jié)果比對(duì)，雙看門(mén)狗（watchdogs）系統(tǒng)，時(shí)鐘電路備份機(jī)制等。要設(shè)計(jì)這些安全措施相關(guān)的邏輯單元，就需要在設(shè)計(jì)初期驗(yàn)證它的必要性，可靠性，和完整性。

根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，我們推薦在設(shè)計(jì)之初盡早引入芯片功能的虛擬模型。這種基于虛擬模型的開(kāi)發(fā)能夠讓設(shè)計(jì)師和架構(gòu)師盡早分析優(yōu)化系統(tǒng)，探索不同構(gòu)架在安全性能上的優(yōu)勢(shì)。一方面設(shè)計(jì)工程師，在沒(méi)有SoC真實(shí)環(huán)境的條件下，可以用這些模型驗(yàn)證對(duì)復(fù)雜設(shè)計(jì)做前期分析，做出功耗性能面積最優(yōu)的判斷；另一方面，驗(yàn)證工程師利用虛擬模型可以盡早開(kāi)發(fā)白盒測(cè)試環(huán)境，也可以提前進(jìn)行復(fù)雜系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同測(cè)試，甚至可以將模型編譯在通用控制器里，放在ECU系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

虛擬模型擁有諸多優(yōu)勢(shì)，但它的前提就是需要工程師廣泛意識(shí)到它的重要性，并在設(shè)計(jì)驗(yàn)證中積極探索利用好它，同時(shí)EDA廠商也應(yīng)該積極和各種芯片IP廠商合作，開(kāi)發(fā)更多豐富靈活的虛擬模型，并構(gòu)建利于產(chǎn)業(yè)積極發(fā)展的生態(tài)圈。驗(yàn)證測(cè)試左移（shift-left）是當(dāng)前復(fù)雜芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域的倡導(dǎo)的趨勢(shì)，而在車(chē)規(guī)芯片上，我們認(rèn)為虛擬模型是一個(gè)驗(yàn)證測(cè)試左移完美的助力點(diǎn)。

總結(jié)

在過(guò)去的20年里我們深深地意識(shí)到技術(shù)發(fā)展給芯片行業(yè)帶來(lái)的變革，但同時(shí)我們也越來(lái)越迫切的需要更強(qiáng)的技術(shù)創(chuàng)新，來(lái)滿足我們?nèi)找姘l(fā)展的芯片行業(yè)需求，解決我們面臨的各種挑戰(zhàn)。我們深信依托EDA 2.0帶來(lái)的EDA工具變革，可以解決人才技術(shù)瓶頸問(wèn)題；改進(jìn)工具能夠更好地提高設(shè)計(jì)驗(yàn)證效率；廣泛使用虛擬模型將會(huì)提高架構(gòu)探索質(zhì)量、提升車(chē)規(guī)芯片安全性。我們希望和各個(gè)行業(yè)的同仁積極探索交流，共同發(fā)展進(jìn)步，為我們國(guó)家芯片，包括車(chē)規(guī)芯片的發(fā)展，做出貢獻(xiàn)！

【文章作者】David Hwang芯華章科技產(chǎn)品與業(yè)務(wù)規(guī)劃總監(jiān)