EDA和IP市場出現(xiàn)的三大技術趨勢分析

在全球半導體價值鏈上，EDA和IP可能只占1/30的營收份額，但對整個半導體行業(yè)的無形價值卻是無法估量的，從Arm和Synopsys在半導體行業(yè)的舉足輕重地位即可看出。EDA和IP的前沿技術研究和創(chuàng)新對半導體的長期增長有著巨大的影響力，我們在此總結(jié)出當前EDA和IP市場出現(xiàn)的三大技術趨勢。

01?趨勢一：EDA Cloud和AI

相對于維護企業(yè)自己的服務器和數(shù)據(jù)中心，云計算服務具有固定投入低、可擴展、彈性計算使用和無限制存儲容量等優(yōu)勢。然而，EDA行業(yè)在上云方面是相對落后的，主要原因在于IC設計公司和晶圓代工廠商擔心云平臺有可能危及自己的IP和設計保密信息。隨著云平臺服務商針對EDA云計算的專門安全防護讓EDA供應商和IC設計公司更為放心，以及IC設計和驗證的復雜度不斷提升，迫使EDA行業(yè)上云步驟加速。

此外，針對特定應用場景(design-for-context)的IC設計和系統(tǒng)設計逐漸成為主流，這要求EDA工具更緊密地與IC設計廠商協(xié)作，唯有通過云端部署的高性能計算才能支持這種設計合作。

在云端部署云原生EDA工具和預先針對IC設計而優(yōu)化的硬件平臺，以及靈活的EDA使用授權模式，讓云端EDA成為很有吸引力的選擇。云計算部署模式有三種形式：公有云、私有云和混合云，各自的特點如下圖所示。

云服務的三種常見應用方式包括：

基礎設施服務(IaaS)：云平臺服務商提供和維護數(shù)據(jù)中心服務器等IT基礎設施，并作為一種服務提供給各種客戶使用;

平臺服務(PaaS)：云平臺服務商提供一個計算平臺，讓用戶開發(fā)、運行和管理自己的應用，而不必自己部署和維護復雜的服務器網(wǎng)絡;

軟件服務(SaaS)：在云平臺上提供按需使用的軟件授權和交付模式，用戶不必安裝自己的硬件即可使用相應的軟件，按使用量付費即可。

云端EDA對IC設計和驗證帶來的具體好處如下：

可伸縮性強：云端EDA系統(tǒng)可以根據(jù)需求即時擴容，比如驗證需要算力峰值時;

網(wǎng)絡分割：大型IC設計公司的設計中心往往部署在全球多個地方，法律或合同條款可能要求特定IP限定在指定地域內(nèi)。云端網(wǎng)絡可以按照規(guī)則劃分以避免潛在的合規(guī)風險;

冗余備份：云平臺服務商的冗余服務器部署在全球多個數(shù)據(jù)中心，一個地方發(fā)生的系統(tǒng)災難不會導致IC設計數(shù)據(jù)丟失;

避免單點故障：傳統(tǒng)EDA系統(tǒng)網(wǎng)絡一般有多個故障點，通過一個節(jié)點進行控制管理。如果這個節(jié)點出現(xiàn)故障，整個EDA系統(tǒng)網(wǎng)絡就會癱瘓，EDA授權、配置和版本管理服務器也不能幸免。云端網(wǎng)絡基于微服務模式，不會因為單點故障和影響整個EDA系統(tǒng);

投入成本低且易于使用

IC設計流程的效率更高：云計算平臺的網(wǎng)絡延遲更低，分布在多個地方的IC設計團隊之間的項目協(xié)作更為流暢。

EDA三巨頭在EDA上云方面都很積極，分別與亞馬遜AWS、圍繞Azure和谷歌云服務合作，將自己的IC設計和驗證工具搬到云端，以爭搶EDA下一波市場高地。例如，新思科技的云服務采用FlexEDA模式，可以為用戶提供不受限制、按需使用的EDA軟件授權。用戶可以選擇其SaaS模式，也可以選擇BYOC模式，讓新思幫助部署自己的云計算網(wǎng)絡。

Cadence云服務包括三個部分，分別是：

CloudBurst平臺：為用戶提供IC設計、驗證和實施的云環(huán)境，包括授權軟件和支持、EDA優(yōu)化的云計算設施、服務和支持等;

Palladium云驗證：托管在由Cadence管理的數(shù)據(jù)中心，為用戶提供按需使用的驗證服務，讓客戶輕松增加所需的峰值容量;

Cloud Passport：將客戶私有工具連接到云端，為客戶提供自主管理的混合工具。

西門子EDA的Calibre云服務提供與傳統(tǒng)簽核驗證一樣的性能和結(jié)果，同時讓用戶根據(jù)自己的需要調(diào)整EDA資源使用情況。其好處包括：優(yōu)化的Calibre引擎和經(jīng)過代工廠商確認的規(guī)則檢查匯總;采用分層歸檔方式，降低數(shù)據(jù)量及縮短最終簽核運行時間;Calibre HDB分層數(shù)據(jù)庫模式等。

國內(nèi)云端EDA服務商也開始活躍起來，值得關注的兩家公司包括：

楷領凌云電子設計云平臺：為用戶提供一站式開箱即用的云上IC設計環(huán)境，包含完整的EDA和云IT資源，其中EDA工具由美國EDA全方案和國產(chǎn)EDA產(chǎn)品組合而成，可彈性授權使用主流EDA工具，以及專業(yè)的自動化與定制化芯片設計流程服務。該平臺可適用于各種規(guī)模的數(shù)字SoC、模擬芯片或數(shù)?；旌螴C產(chǎn)品設計，如電源管理芯片、驅(qū)動芯片、CPU/DSP/GPU等各類計算型芯片、4G/5G基帶芯片、光通訊芯片、無線藍牙等射頻芯片、汽車電子控制和娛樂類芯片、MCU和工業(yè)控制芯片、加密解密等安全類芯片等。

英諾達：提供基于EDA硬件仿真加速器的云平臺，底層采用Cadence的Palladium(帕拉丁)系統(tǒng)，致力于解決復雜芯片的驗證資源問題，縮短芯片開發(fā)周期。通過向廠商提供安全的EDA驗證硬件云入口，客戶可以按需使用，既可以滿足峰值需求，也可以實現(xiàn)設計全過程的驗證需求。

在利用AI/ML進行IC設計的技術創(chuàng)新方面，新思科技和Cadence走在前列。新思科技發(fā)布的DSO.ai(Design Space Optimization AI)軟件，可以讓IC設計工程師更自主地確定在芯片上排列布局的最佳方式以減少面積和降低功耗，由此開始了EDA設計的AI化進程。利用強化學習(reinforcement learning)，DSO.ai 可以根據(jù)設計目標來評估數(shù)十億個替代方案，并快速產(chǎn)生優(yōu)于優(yōu)秀工程師的設計方案。DSO.ai能夠解決的問題/方案包括：在芯片上排放各種組件的可能方案數(shù)量大約有10的9萬次方個(1090,000)。相比之下，谷歌AI在2016 年掌握的圍棋走法只有10的360次方個(10360 )。據(jù)稱DSO.ai的早期試驗結(jié)果令人印象深刻，實現(xiàn)了18% 的工作頻率提高，而且功耗降低了 21%，同時將工程時間從六個月縮短到一個月。

Cadence推出的智能芯片探索器Cerebrus可通過強化學習來優(yōu)化物理設計流程，它在功能上與新思的DSO.ai 類似，專注于物理設計。Cadence Cerebrus的發(fā)布似乎進一步驗證了強化學習技術作為芯片設計方法論的下一個重大轉(zhuǎn)變。隨著設計師越來越習慣讓機器決定布局，以及競爭壓力的增加，AI將逐漸滲透到IC設計流程的各個部分。

Cerebrus建立在大規(guī)模計算和機器學習架構(gòu)之上，并充分利用了完整的 Cadence數(shù)字全流程解決方案。Cerebrus借助獨特的強化機器學習引擎來提供更好的設計 PPA 結(jié)果(性能、功耗和面積)。通過使用完全自動化、機器學習驅(qū)動的 RTL-to-GDS 全流程優(yōu)化技術，Cerebrus 可以比手動調(diào)整的流程更快地交付這些更好的 PPA 結(jié)果，從而極大提高工程設計團隊的生產(chǎn)力。

02?趨勢二：Chiplet互聯(lián)與高速接口IP

基于Chiplet架構(gòu)，芯片設計師可將不同功能和工藝節(jié)點的芯片通過2D或2.5D/3D的封裝方式，異構(gòu)集成在一起。此外，Chiplet架構(gòu)還可以將數(shù)字、模擬或高頻工藝的不同裸片集成到一起，甚至在設計中加入高度密集的3D內(nèi)存陣列，比如高帶寬內(nèi)存(HBM)。這樣，IC設計公司就可以將來自不同IP供應商的Chiplet像搭建LEGO積木一樣，拼裝出不同的芯片產(chǎn)品，從而以較低的成本開發(fā)出更強大的芯片。

Chiplet架構(gòu)和理念對IP開發(fā)商也很有吸引力，因為他們可以根據(jù)自己的專長開發(fā)具有特定功能的標準化Chiplet，就像現(xiàn)在的IP一樣授權給多家IC設計公司，從而最大化其專利技術的價值。據(jù)Omdia預計，Chiplet市場規(guī)模今年將達到40億美元，而到2030年有可能增至1000億美元。

問題是，這些Chiplet之間及其它類型的裸片之間如何實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?如果沒有業(yè)界統(tǒng)一的通用互聯(lián)標準，Chiplet積木只是夢想罷了。

在眾多Chiplet互聯(lián)標準中，由Intel提出的通用Chiplet互聯(lián)標準(UCIe)在很短時間內(nèi)就引起了業(yè)界廣泛關注，目前來看最有希望成為業(yè)界統(tǒng)一的互聯(lián)標準。UCIe是唯一具有完整裸片間接口堆棧的標準，其他標準都沒有為協(xié)議棧提供完整裸片間接口的全面規(guī)范，大多僅關注在特定層。此外，UCIe不但支持有機襯底或?qū)訅喊宓葌鹘y(tǒng)封裝，也可以支持2.5D和橋接等先進封裝，如硅襯底、硅橋或再分配層(RDL)扇出等形式，預計未來還會支持3D封裝。

UCIe協(xié)議棧本身有三層：

最上端的協(xié)議層通過基于流量控制單元(FLIT)的協(xié)議實現(xiàn)，確保最大效率和最低延遲，并支持多個主流協(xié)議，包括PCIe、Compute Express Link(CXL)，以及用戶定義的流協(xié)議。

中間的D2D適配層用于對協(xié)議進行仲裁與協(xié)商，以及通過裸片間適配器進行連接管理。基于循環(huán)冗余檢查(CRC)和重試機制，該層還包括可選的錯誤糾正功能。

最下面的物理層(PHY)規(guī)定了與封裝介質(zhì)的電氣接口，是電氣/模擬前端(AFE)、發(fā)射器/接收器以及邊帶通道(Sideband)在兩個裸片之間進行參數(shù)交換與協(xié)商的層級。邏輯PHY可實現(xiàn)連接初始化、訓練和校準算法，以及測試和修復功能。

UCIe協(xié)議棧示意圖

UCIe協(xié)議具有如下優(yōu)點：

UCIe的Sideband、DDR、Forward Clock設計使得UCIe單個應用場景下的模塊設計復雜度相對更低，模塊驗證也更加容易;

UCIe傳輸時延和功耗更低、速率更高、BER更低，在功耗和性能的平衡方面做得比其他協(xié)議好;

由于和PCIe/CXL的無縫對接，可以利用PCIe現(xiàn)有的強大生態(tài)，輕松地將板級互聯(lián)擴展到封裝內(nèi)部;

UCIe不但支持PCIe向CXL的擴展，還支持用戶自定義的Raw mode，一個D2D Adaptor 可持架接多個協(xié)議棧。

目前已經(jīng)有不少國內(nèi)廠商加入UCIe聯(lián)盟，其中包括：阿里云、日月光、長電、華為、芯原、燦芯、芯耀輝、超摩科技、合見工軟、芯和半導體、長鑫、牛芯、芯云凌、芯瑞微、芯來科技和奎芯等。

此外，由中國計算機互連技術聯(lián)盟(CCITA)發(fā)起的Chiplet標準《小芯片接口總線技術要求》在中科院計算所、工信部電子四院和國內(nèi)多個芯片廠商合作推動下，也已經(jīng)發(fā)布。小芯片接口總線技術的體系架構(gòu)主要包括數(shù)據(jù)鏈路層(Data Link Layer，DLL)、物理適配層(Physical Adaptation Layer，PAL)，以及物理層(Physical Layer，PHY)等。

此標準列出了并行總線等三種接口，提出了多種速率要求，總連接帶寬可以達到1.6Tbps，以靈活應對不同的應用場景以及不同能力的技術供應商。通過對鏈路層、適配層、物理層的詳細定義，實現(xiàn)在小芯片之間的互連互通，并兼顧了 PCIe 等現(xiàn)有協(xié)議的支持，列出了對封裝方式的要求。小芯片設計不但可以使用國際先進封裝方式，也可以充分利用國內(nèi)通用封裝技術。

無論IC設計公司、EDA和供應商、晶圓制造和封裝測試廠商，紛紛擁抱Chiplet，原來采用BoW或其它互聯(lián)協(xié)議的設計也開始轉(zhuǎn)向UCIe。以EDA/IP供應商為例，EDA巨頭都在積極與TSMC等晶圓代工廠商和封裝廠商合作開展Chiplet相關技術開發(fā);Synopsys和Cadence等接口IP供應商也都將Chiplet作為實現(xiàn)業(yè)務快速增長的契機。

Chiplet作為一種新型IP形式，必將推動一波新的IP開發(fā)熱潮，造就一批IP新銳公司。其中有三家IP公司值得關注，分別是Eliyan、Alphawave和奎芯科技，詳情參見文章：Chiplet(芯粒)互聯(lián)：從一團亂麻(BoW)到統(tǒng)一互聯(lián)標準(UCIe)。

03?趨勢三：2.5D/3D-IC設計

過去50年來，封裝技術雖然沒有像IC設計和晶圓制造發(fā)展得那么快，但也經(jīng)歷了幾次重大的技術飛躍，比如70年代出現(xiàn)的多芯片模組(MCM)封裝;2000年出現(xiàn)的系統(tǒng)級封裝(SiP);2010年出現(xiàn)的硅Interposer(即2.5D封裝);以及2020年出現(xiàn)的3D-IC先進封裝。系統(tǒng)級芯片(SoC)的設計成本高昂、晶圓工藝接近物理極限，以及市場對性能/功耗/面積(PPA)的嚴格要求迫使半導體行業(yè)尋求新的技術突破，其中融合Chiplet、異構(gòu)集成和先進封裝的技術方向似乎帶來了超越摩爾定律的希望，同時也為封裝測試(OSAT)廠商在整個半導體產(chǎn)業(yè)鏈上創(chuàng)造了提升價值的機會。

左邊的硅Interposer(即2.5D封裝)和右邊的3D集成封裝。(來源：Cadence)

相對于傳統(tǒng)單個裸片SoC設計，2.5D/3D-IC具有如下優(yōu)勢：

降低芯片設計成本：高性能復雜芯片內(nèi)部的處理器和邏輯單元可以采用先進的晶圓工藝，而模擬和存儲器單元則可以采用相對便宜的成熟工藝，從而降低整體設計成本，并縮短開發(fā)周期;

封裝內(nèi)的裸片、chiplet和其它單元之間的互聯(lián)可以實現(xiàn)很高的數(shù)據(jù)傳輸速度和帶寬，比如對高性能的存儲器和SerDes速率可以達到200Gbps;

裸片的3D堆疊可以減少I/O驅(qū)動和互聯(lián)、降低阻-感-容(RLC)、芯片尺寸和整體功耗;

更多采用可以IP復用的chiplet，讓模擬/RF單元使用較為成熟的工藝，并可以集成光電單元和MEMS器件。

系統(tǒng)級3D設計涉及數(shù)字實現(xiàn)、模擬布局、Chiplet和Interposer的綜合規(guī)劃和優(yōu)化。(來源：Cadence)

要實現(xiàn)以上這些價值，不但需要晶圓制造廠商和封裝廠商的技術創(chuàng)新，EDA工具和設計流程也面臨極大的挑戰(zhàn)。具體表現(xiàn)在：

頂級/系統(tǒng)級異構(gòu)設計的規(guī)劃和優(yōu)化，需要從D2D到封裝甚至PCB的優(yōu)化網(wǎng)表，以及準確的電磁和熱分析;

從裸片、chiplet、封裝和PCB等不同階段，都需要貫穿數(shù)字、模擬和RF域的協(xié)同設計和協(xié)調(diào)分析;

目前的EDA點工具都有各自的接口和模型，只能提供碎片化的2.5D/3D方案，但無法實現(xiàn)電源/信號/散熱/電磁干擾/時序等綜合性的自動化抽象、分析、驗證和測試。

領先的晶圓代工廠商和封測廠商都在開發(fā)和推廣各自的2.5D/3D IC設計工藝，比如TSMC 的3DFabric(包括CoWoS和INFO);Intel的EMIB和Foveros;三星的I-Cube;日月光的FOCoS;Amkor的SWIFT;以及長電的多維扇出封裝集成(XDFOI)等。2.5D/3D IC設計要成為主流，讓Fabless、OEM廠商和互聯(lián)網(wǎng)巨頭在做復雜的芯片設計規(guī)劃時考慮采用，就需要產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)攜手打造3D-IC生態(tài)，其中全流程的EDA設計工具是重要一環(huán)。

編輯：黃飛

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