IC設(shè)計(jì)工作的未來是什么?

IC設(shè)計(jì)工作的未來是什么？AI會不會取代IC設(shè)計(jì)師？每一個(gè)有效的人工智能算法的基礎(chǔ)是一個(gè)電子芯片，它是由智能IC設(shè)計(jì)師團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的。具有諷刺意味的是，IC設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)的可能正是可能取代他們工作的技術(shù)。如果這是真的，這是一個(gè)令人恐懼的前景。然而，通過研究IC設(shè)計(jì)的過去和現(xiàn)在，我們可以認(rèn)識到，今天的IC設(shè)計(jì)已經(jīng)不是過去的樣子了。通過聯(lián)想，我們也可以認(rèn)識到IC設(shè)計(jì)工作不太可能消失。然而，它們絕對會發(fā)生轉(zhuǎn)變，并變得更加復(fù)雜。

自動(dòng)化、低效率和需求

首先，行業(yè)有三個(gè)模式需要認(rèn)識：自動(dòng)化、低效率、需求。首先，現(xiàn)今的IC設(shè)計(jì)人員正在使用大量的自動(dòng)化技術(shù)。今天的機(jī)器的仿真能力直接繼承了昨天的競爭IC方案。也就是說，過去的IC設(shè)計(jì)工作現(xiàn)在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。自動(dòng)化的趨勢使IC設(shè)計(jì)人員在綜合的層次上更上一層樓。我們現(xiàn)在能夠做出非常復(fù)雜的解決方案，因?yàn)槲覀兝昧爽F(xiàn)有的創(chuàng)新、自動(dòng)化技術(shù)。

其次，有許多IC效率低下的問題仍未解決。例如，在射頻設(shè)計(jì)中，通信還沒有實(shí)現(xiàn)全雙工，天線還在片外。如果這個(gè)技術(shù)發(fā)展起來，通信速度會提高一倍，射頻模塊會更小。諸如此類的技術(shù)問題，還需要不斷創(chuàng)新和關(guān)注。

第三，自動(dòng)化和低效率模式的結(jié)合，為聰明的IC設(shè)計(jì)者創(chuàng)造了巨大的需求，以解決未解決的問題。我們已經(jīng)知道如何設(shè)計(jì)一個(gè)20dBm的PA，那么為什么不讓機(jī)器為我們完成這個(gè)任務(wù)呢？自動(dòng)化流程為設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)留下更多的時(shí)間和資源來解決新問題。對設(shè)計(jì)師的需求將保持穩(wěn)定，直到?jīng)]有剩余的射頻和IC低效率。此外，隨著自動(dòng)化程度的提高，現(xiàn)場的IC設(shè)計(jì)人員將有更多的樂趣，因?yàn)楣ぷ髦械膭趧?dòng)密集型環(huán)節(jié)被消除了，所以他們會有更多的頭腦風(fēng)暴解決方案。從本質(zhì)上講，IC設(shè)計(jì)工作會隨著突破性進(jìn)展而不斷被重新定義，而這種支點(diǎn)也會延續(xù)到未來。

從過去的經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí)

為了了解設(shè)計(jì)的發(fā)展歷程，我采訪了Silicon Labs的兩位資深I(lǐng)C設(shè)計(jì)師。我們觸及了他們最早的IC設(shè)計(jì)記憶，并討論了他們對行業(yè)未來的愿景，只用回憶和意見，而不是依賴附帶的文件。

與我交談的第一位設(shè)計(jì)師是Silicon Labs的研究員。他分享的第一個(gè)心得是，他設(shè)計(jì)的第一個(gè)電路是一個(gè)差分運(yùn)放和一個(gè)20階開關(guān)電容濾波器。整個(gè)模擬芯片大概是30平方毫米，5000個(gè)晶體管的數(shù)量。相對而言，今天的芯片承載了幾十個(gè)運(yùn)放和濾波器，晶體管數(shù)量可以達(dá)到上億個(gè)甚至更多。當(dāng)然，我們在短短幾十年的時(shí)間里，已經(jīng)向更復(fù)雜的設(shè)計(jì)發(fā)展。我的同事還描述了設(shè)計(jì)人員剛開始工作時(shí)可用的技術(shù)，說布局是如何在一個(gè)帶綠色屏幕的泰克圖形終端上完成的，這基本上是一個(gè)大的存儲范圍。該終端沒有顏色，但設(shè)計(jì)師們使用一層金屬和一層用于路由的Poly進(jìn)行工作。今天，設(shè)計(jì)師們可以使用眾多的圖層進(jìn)行路由來創(chuàng)建設(shè)備。如今在布局中使用無色顯示器，聽起來就像是在嘗試項(xiàng)目自殺！

我從另一位工程人員那里聽到了類似的看法，他詳細(xì)介紹了他使用泰克顯示器的經(jīng)驗(yàn)，解釋了該顯示器如何消耗大約1千瓦，大約4英尺高，有一個(gè)帶有持續(xù)圖形的綠色屏幕，以及兩個(gè)用于X-Y輸入的拇指輪。拇指輪的布置非常好用，顯示器由一根140kbps的電纜驅(qū)動(dòng)，電纜貼在地板上，對面是一個(gè)計(jì)算機(jī)中心的房間。他還告訴我，設(shè)計(jì)師們曾經(jīng)在文本編輯器上打出他們的網(wǎng)表。他們會從白板設(shè)計(jì)開始，給節(jié)點(diǎn)編號，然后輸入網(wǎng)表進(jìn)行仿真。目前，我們只能設(shè)計(jì)片上系統(tǒng)（SoC）IC，因?yàn)槲覀冇袌D形用戶界面，可以在模擬領(lǐng)域放置和檢查數(shù)千個(gè)晶體管，而不用擔(dān)心節(jié)點(diǎn)編號或網(wǎng)表打錯(cuò)。從這個(gè)意義上說，我們正在利用自動(dòng)化來創(chuàng)建更加復(fù)雜和先進(jìn)的系統(tǒng)。

20世紀(jì)80年代中期的另一個(gè)古老而有趣的IC傳統(tǒng)是在芯片級。由于設(shè)計(jì)人員沒有Lawout Versus Schematic Software （LVS），他們必須將合理比例的紙質(zhì)打印輸出制作成網(wǎng)。這種紙質(zhì)模擬由兩三張約3‘寬的打印紙組成，這些打印紙貼在地板上或多張桌子上，以覆蓋各自芯片的寬度。從頂層的網(wǎng)表上，他們會逐個(gè)網(wǎng)驗(yàn)證與每個(gè)塊網(wǎng)的每個(gè)引腳的連接性，然后用彩色鉛筆標(biāo)記每個(gè)網(wǎng)的 “亮燈”。雖然以當(dāng)時(shí)的技術(shù)來看，這似乎是一個(gè)優(yōu)雅的解決方案，但這是不必要的重復(fù)和令人厭煩的。

有趣的是，自動(dòng)化和人工智能對IC設(shè)計(jì)來說并不陌生，而且植根于過去。正如我們所看到的，IC設(shè)計(jì)人員一直指望通過自動(dòng)化來降低流程的任務(wù)強(qiáng)度，但現(xiàn)在的系統(tǒng)比以往任何時(shí)候都要復(fù)雜。然而，有些流程還是完全由人腦來完成，比如模擬設(shè)計(jì)。模擬設(shè)計(jì)是利用特定的器件配置來確定器件的尺寸和實(shí)現(xiàn)模擬功能的直觀過程。雖然計(jì)算機(jī)可以幫助計(jì)算和估算電路的工作點(diǎn)，但人腦更擅長直觀、智能的設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在的問題是，最近人工智能的發(fā)展是否讓機(jī)器的智能程度足以取代IC設(shè)計(jì)師？

從這里，我們可以推測出幾種結(jié)果。首先，這種復(fù)雜設(shè)計(jì)原理的自動(dòng)化應(yīng)該被看作是一件好事，機(jī)器應(yīng)該被看作是人類思維的延伸。隨著計(jì)算機(jī)越來越智能，人類有更多的時(shí)間去關(guān)注新奇的概念，達(dá)到新的里程碑。此外，設(shè)計(jì)過程的自動(dòng)化已經(jīng)發(fā)生了幾十年。在20世紀(jì)80年代，我的一位長期從事設(shè)計(jì)的同事解釋了貝爾實(shí)驗(yàn)室的幾位工程師如何成功地實(shí)現(xiàn)了運(yùn)放和開關(guān)電容濾波器的自動(dòng)化設(shè)計(jì)。他們基本上使用已知的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，然后使用優(yōu)化方法來選擇元件尺寸。作為一名IC設(shè)計(jì)師，我覺得這種自動(dòng)化讓人欣慰，因?yàn)楸绕饍?yōu)化元件的繁瑣，我更喜歡選擇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)背后的批判性思維。

人VS機(jī)器：機(jī)器的可靠性如何？

我從同事那里了解到的20世紀(jì)80年代的故事表明，IC設(shè)計(jì)中確實(shí)需要人類的智慧。例如，其中一個(gè)故事描述了貝爾實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)內(nèi)部數(shù)學(xué)專家小組是如何進(jìn)行一個(gè)關(guān)于應(yīng)用約束條件和盡量減少做優(yōu)化所需的模擬路徑數(shù)量的項(xiàng)目。為此，他們交出了一個(gè)帶隙設(shè)計(jì)，目標(biāo)是最小化PVT和失配之間輸出電壓的百分比變化，同時(shí)將PSRR和功率控制在某個(gè)約束之下。他們決定將優(yōu)化參數(shù)簡化為mV變化而不是百分比變化。幾周后，他們帶著一份報(bào)告回來，并自豪地表示，他們已經(jīng)將變異性降低了幾個(gè)數(shù)量級，這最初看起來好得不得了。令人驚訝的是，他們的工具發(fā)現(xiàn)了一個(gè)電阻，它可以將尺寸降到接近零，將輸出電壓降低到只有幾個(gè)mV，而PVT的變化率（以mV為單位）非常小！我們是否應(yīng)該將這一結(jié)果歸結(jié)為 “不可能”？

我們應(yīng)該把這次事件的結(jié)果歸結(jié)為機(jī)器還是人類呢？人類制造的機(jī)器和人類一樣會出錯(cuò)，只是因?yàn)樗鼈兪俏覀冎圃斓?。這也是為什么任何自動(dòng)化流程的頂端都需要一個(gè)人類觀察者的原因。例如，現(xiàn)代的計(jì)算速度是指數(shù)級的，這使得我們可以運(yùn)行一個(gè)芯片的每一個(gè)可能的變化來商議它是否會工作。雖然速度很好，但在這個(gè)過程中加入一個(gè)真正的人，可以保證發(fā)現(xiàn)問題的概率更高--尤其是在模擬系統(tǒng)中。因此，我真的相信我們不能僅僅依靠機(jī)器來發(fā)現(xiàn)問題，因?yàn)閱栴}可能會在機(jī)器中永久存在。我們必須接受人類是不完美的，而機(jī)器本質(zhì)上也會是不完美的。

我從過去選取的故事突出了人類與機(jī)器之間的對比。然而，隨著研究人員和企業(yè)家們更多地嘗試設(shè)計(jì)流程的自動(dòng)化，類似的情況仍在發(fā)生。不過與過去相比，我推測未來自動(dòng)化的發(fā)展將集中在更棘手的問題上，而這些問題可能甚至還沒有出現(xiàn)在我們的視野中。

原本，工程師們構(gòu)建的系統(tǒng)比較簡單，但卻承擔(dān)了所有分析的重任。想出新的設(shè)計(jì)和建立分析模型需要花費(fèi)巨大的腦力。由于無法使用模擬器和其他自動(dòng)化流程，工程能力被限制在數(shù)千個(gè)晶體管上。幸運(yùn)的是，隨著技術(shù)的進(jìn)步，我們可以在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)測試想法，而無需建立分析模型。例如，有更多的仿真帶寬來驗(yàn)證億級晶體管SoC的功能。

另一方面，隨著復(fù)雜性的增加，芯片變得更加龐大，驗(yàn)證和驗(yàn)證周期也變得更長，因此也更加費(fèi)力。就像我的一位同事喜歡說的那樣，我們花了10%的時(shí)間提出聰明的想法，但90%的時(shí)間只是驗(yàn)證這些想法。

進(jìn)化：我們在就業(yè)市場上可以期待什么？

從過去到現(xiàn)在的軌跡來看，建立了一個(gè)對未來的推斷，有一種令人興奮的可能性。更多的自動(dòng)化為創(chuàng)造性和批判性思維開辟了時(shí)間。也許很快，機(jī)器就能復(fù)制設(shè)計(jì)，甚至提出新的設(shè)計(jì)理念。機(jī)器也將參與到繁瑣的驗(yàn)證過程中。這將為IC設(shè)計(jì)人員提供 “有趣和令人興奮的問題 ”的奢侈工作。雖然這些愿景是理想的，但我們不應(yīng)該太急于讓人工智能在不久的將來完全接管。作為第一步，AI可以開始自動(dòng)進(jìn)行平面規(guī)劃，然后進(jìn)行布局。然后，AI可以慢慢向核心設(shè)計(jì)功能爬行，為設(shè)計(jì)師創(chuàng)造更多的精神空間，讓他們專注于新的問題。

在集成電路設(shè)計(jì)工作方面，團(tuán)隊(duì)合作和協(xié)調(diào)將變得更加相關(guān)。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)正在成長以應(yīng)付現(xiàn)代集成電路的龐大規(guī)模。工程師和工程部門之間的通信可能會占用更多的帶寬。如果我們想要建立我們現(xiàn)在只能夢想的大規(guī)模系統(tǒng)，未來的集成電路設(shè)計(jì)者將需要成為協(xié)作的決策者。解決合作問題也將是一個(gè)教育和文化問題。STEM的學(xué)生需要關(guān)注軟技能和人際交往技能，比如溝通、創(chuàng)造力、想象力和團(tuán)隊(duì)合作能力，而不僅僅是技術(shù)技能。當(dāng)人類的頭腦在各個(gè)領(lǐng)域受到刺激，并與其他偉大的頭腦一起工作時(shí)，它就能夠做出強(qiáng)大的事情。

年輕工程師普遍關(guān)心的一個(gè)問題是市場是否需要他們的研究領(lǐng)域。對于這種困境，我的回應(yīng)是鼓勵(lì)學(xué)生們自己去了解市場，看看如何為成功定位。我說不出哪份工作更好，哪份工作報(bào)酬更高，因?yàn)榧で闆Q定了職業(yè)滿意度。僅憑我的經(jīng)驗(yàn)，我可以向那些對集成電路設(shè)計(jì)感興趣的學(xué)生保證，對她技能的需求不會很快消失，因?yàn)檫€有很多問題需要解決。不同之處在于，由于人工智能和自動(dòng)化的破壞，未來的問題類型可能會完全不同。這是任何人都無法預(yù)測的。然而，我非常希望我們正在進(jìn)入一個(gè)人類和機(jī)器可以和諧地一起工作的未來。
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