EDA加速芯片創(chuàng)新！

謝仲輝先生擁有超過25年半導體產業(yè)經(jīng)驗。曾參與國內外Foundry 工藝開發(fā)，客戶支持及市場相關工作。此外，他還從事過芯片設計及技術市場方面的工作。有多年芯片設計及工藝開發(fā)相關技術及管理經(jīng)驗。近年來，借助于其在芯片產品相關經(jīng)驗，積極提供給亞太客戶相關EDA解決方案經(jīng)驗，并提供給設計公司在各垂直應用市場如5G、AI、汽車等領域所需要的EDA技術及服務解決方案。參與支持客戶包括三星、聯(lián)發(fā)科、紫光展銳、百度、阿里巴巴、燧原、地平線、寒武紀等。謝仲輝先生擁有臺灣大學電機工程學士及英國南安普敦大學微電子碩士學位。

當前芯片開發(fā)面臨的挑戰(zhàn)主要來自兩個方面：一個來自制造實現(xiàn)，另一個則來自設計和驗證階段。在時間條件約束下，這兩個挑戰(zhàn)難度就更大了。

總有人給摩爾定律判死刑，其實提高晶體管集成度的比賽遠未結束，不過困難確實在累積。先進工藝日益接近物理極限，需要考慮的參數(shù)就日益增多，寄生效應就日益嚴重，新工藝量產的風險與不確定性也就日益加大。具體來看，5納米工藝設計規(guī)則是28納米工藝的5倍，5納米工藝仿真任務量是28納米工藝100倍，版圖復雜度大幅增加。 從系統(tǒng)角度來看，復雜度也是指數(shù)型上升：應用場景變多，架構變從同構向異構轉變，應用軟件的規(guī)模也大增。

在新思科技中國副總經(jīng)理謝仲輝看來， 當前芯片開發(fā)面臨的挑戰(zhàn)主要來自兩個方面，一個來自制造實現(xiàn)，另一個則來自設計和驗證階段，在時間條件約束下，這兩個挑戰(zhàn)難度就更大了。 “工藝和開發(fā)都變得非常復雜，但進入市場的時間窗口并沒有大的變化，大家還是希望12到18個月能流片，或者說兩年時間芯片進入量產，在時間窗口不變的前提下，先進工藝開發(fā)問題邊復雜很多?！?/p>

EDA公司在新工藝開發(fā)中的作用

在制造層面，可制造性與良率是新工藝最重要的指標?？芍圃煨耘c良率也不再只是晶圓廠來保證，EDA公司、IP公司以及最終使用新工藝的設計公司都要參與其中。謝仲輝說：“ 一定要有DTCO（設計工藝協(xié)同優(yōu)化），設計和工藝之間要做共同優(yōu)化，在前期還不成熟的時候，工藝就要和設計緊密結合，只要這樣才能確保單元庫、IP、后端設計與工藝產線的特性能夠緊密吻合，才能避免良率低或者芯片特性與設計不一致等問題。 ”

除了協(xié)同晶圓廠和設計公司做好DTCO， EDA公司在新工藝開發(fā)中的角色也越來越重要。在新工藝預研階段，材料特性研究是重點，因此需要對工藝配方建模仿真?！跋冗M工藝工序特別多，如果每道工序都用硅片去做實驗，耗財耗時，這就需要用建模的方法去設計實驗（即以仿真替代部分實際物料實驗）?！睋?jù)謝仲輝介紹， 利用新思科技的材料配方建模工具，可以降低實驗成本，快速確定材料配比。

在新工藝材料配方確定后，就進入試產階段，這時候晶圓廠需要利用合作公司提供的存儲器、處理器等IP跑測試片，新思科技的IP團隊就會針對新工藝特性設計IP，以幫助晶圓廠完成試產階段的測試片流程。

同時，設計工具團隊也會在試產階段介入，根據(jù)新工藝特性對流程和設計規(guī)則快速迭代，以便新工藝開放時工程師就有趁手的工具。規(guī)則會越來越多，過孔要打多開，布線間距可以放多少，這些設計規(guī)則都要在新工藝試產階段就要定下來， 有這些規(guī)則做基礎，開發(fā)者才能夠在工具上進行自動化設計。

“工藝工具和IP要差不多同時和晶圓廠新產線去配合做新工藝研發(fā)，設計工具稍晚，但也會在試產早期階段就會介入?！?/p>

并行開發(fā)（Shift Left）勢在必行

在制造實現(xiàn)上，工具公司介入越來越深，在設計與驗證上，也需要“左移（Shift Left，時間軸上左移，即并行開發(fā)驗證）”。傳統(tǒng)開發(fā)方法各環(huán)節(jié)順序進行，先硬件后軟件，軟硬件之間的協(xié)同非常少，軟件開發(fā)需要等芯片RTL（硬件描述）代碼寫好以后再到FPGA上去進行，或者用舊款芯片開發(fā)，等新款芯片回來以后再做迭代開發(fā)，這樣軟件開發(fā)工作啟動晚，而通過軟件激勵發(fā)現(xiàn)硬件問題就會更晚，如果流片以后才發(fā)現(xiàn)，解決方法是要么芯片改版，要么用軟件做一個權變方案——通常意味著損失性能。

而在系統(tǒng)越來越復雜的背景下，串行開發(fā)驗證的弊端越來越大，動輒集成數(shù)十億晶體管的先進工藝芯片，軟件開發(fā)工作異常復雜，已經(jīng)到了開發(fā)方法不“左移”就無法在兩年內量產的地步。

開發(fā)左移的基礎是虛擬原型化。 傳統(tǒng)的物理原型化是在FPGA上進行功能驗證，如前所述，這種開發(fā)流程需要等RTL代碼完成以后才能進行軟件開發(fā)，而虛擬原型化采用C等高級語言來建模，軟件無需等RTL代碼開發(fā)完成就可以在虛擬原型搭建的系統(tǒng)上進行開發(fā)。

謝仲輝說：“這就是數(shù)字孿生的概念，物理世界里面的任何事物都可以用一個數(shù)字化模型來表征，而EDA公司已經(jīng)將芯片開發(fā)中用到的大部分模型建好，開發(fā)者根據(jù)產品的規(guī)格要求，利用新思科技等公司提供的成熟模型，例如處理器與USB、PCIe等接口模型做定制化配置，再加上自己獨有的行為模型，就可以在原型化系統(tǒng)上進行軟件開發(fā)?！?/p>

用虛擬原型化取代FPGA原型化，并不意味著RTL驗證就不需要。在先進工藝開發(fā)中，RTL代碼完成后，通常會放入硬件仿真器去做全芯片系統(tǒng)的優(yōu)化與驗證，要把性能與功耗等問題，盡可能在硬件仿真時發(fā)現(xiàn)。 先進工藝芯片規(guī)模巨大，這就要求硬件仿真器速度要快，容量要大，就像新思科技的ZeBu等產品，能把所有信號都抓出來進行分析。

“ 這樣從抽象層到RTL層全面覆蓋，目標就是在流片前把場景驅動的軟硬件問題一并找出來并解決掉，這就是當前先進工藝開發(fā)方法學的大方向。 ”謝仲輝總結，根據(jù)項目復雜度不同，采用新思提出的新開發(fā)方法學，可以把開發(fā)進度提前3到9個月不等，在大型SoC開發(fā)中節(jié)省3到9個月可能決定著一款產品在市場上是否能搶到時間窗口。

異構越來越普遍

立體封裝與異構集成是當前提高集成度的重要方法。 進 入FinFET時代，工藝每升 級一代，仍然表現(xiàn)出功耗降低、性能提升、尺寸變小的趨勢，但與平面工藝相比，工藝升級帶來的紅利明顯降低， 正如謝仲輝所說：“工藝尺寸變小讓開發(fā)者在面積上更有把握，但與過去（平面工藝）相比，現(xiàn)在工藝升級帶來的功耗降低與性能提升效果甚微，沒那么線性了?！?/p>

立體封裝（3D封裝）流行的另一個原因是集成電路不同模塊對工藝要求差異變大。處理器、大規(guī)模計算專用集成電路等需要用到7納米、5納米等先進工藝；而IO接口并不需要很先進的工藝，16納米就可以滿足；大容量存儲器是獨立工藝，并不是標準邏輯工藝。所以，處理器、IO和存儲器可以用不同工藝生產，最后用系統(tǒng)級封裝將三塊集成起來，形成一顆集成電路產品。

“它外面看起來是一顆芯片，里面是三個die（裸芯片）整合在一起，加一塊電路板封裝在一起，這是一種很精密的電路集成，不能再叫芯片，又回到‘集成電路’這個定義?！敝x仲輝解釋，3D封裝是目前做復雜異構的主流方式。

謝仲輝強調，在單顆裸芯片的內部也有異構，里面可能集成處理器、DSP、AI加速器、總線、緩存（Cache）等不同功能，軟件開發(fā)就會特別復雜， 如果沒有良好的工具來做軟件與硬件之間的橋梁，硬件性能就不能得到很好的發(fā)揮。

“立體封裝和異質集成需要兩類工具。一類跟實現(xiàn)相關，系統(tǒng)級封裝（即立體封裝）工具要考慮如何實現(xiàn)自動化加工，還要具有分析功耗、封裝特性和信號完整性的能力；一類是應用相關，即系統(tǒng)開發(fā)相關，怎么把軟件架構和硬件架構做到無縫連接，讓用戶看不到底層復雜的異構架構，即軟件界面要很整合、底層驅動要很智能、軟件和硬件的中間層開發(fā)環(huán)境要優(yōu)化到位，用起來和單一架構一樣很自然，以最大限度提高開發(fā)效率，” 謝仲輝告訴探索科技（ID：techsugar）。

完備驗證方法在復雜SoC開發(fā)中的必要性

IP化開發(fā)是節(jié)約復雜SoC開發(fā)成本的關鍵方法，不過先進工藝IP也越來越貴。 在謝仲輝看來，這主要由兩個原因導致：

● 第一，使用先進工藝開發(fā)IP的成本在大幅增加，研發(fā)人力投入與工藝流片投入加劇，先進工藝流片費用非常貴，往往要幾百萬到上千萬美元。

● 第二，先進工藝的客戶數(shù)量相對較少，這樣分攤到每家客戶頭上的費用也在增加。

不管是工藝本身的流片費用，還是IP使用費用，以及人力成本都在上升，尤其是驗證與系統(tǒng)實現(xiàn)上，需要比以往多得多的人力?！耙郧翱赡苤恍枰獪y10個場景，但現(xiàn)在需要測上萬個甚至10萬個場景，驗證工作量變大，驗證的難度或者說維度變大了。”

謝仲輝表示，手機處理器等SoC的人力配置上，芯片設計工程師與驗證工程師（含軟件工程師）的比例可能會達到1比10，“現(xiàn)在設計工程師與驗證工程師的比例，可以達到1:5到1:10的規(guī)模，SoC要有好的用戶體驗，大部分都與系統(tǒng)驗證的人相關，與跟軟件的人相關。”

采用7納米或5納米工藝的芯片，一顆產品從立項到量產通常需要數(shù)千萬美元，如果不引入最先進的方法學，項目風險就會大到難以承受。所以， 在先進工藝節(jié)點上，新的開發(fā)方法學就成為必需，新方法學包括完備的驗證手段，以及虛擬原型化和硬件仿真等加速開發(fā)進度的工具。

“完備的驗證方法就像買保險，可以鎖定市場風險。做一個掩膜版的改變，時間至少增加3個月，又要多花幾百萬美元，而且可能錯過最佳市場時間窗口，幾千萬美元全部打水漂?！痹谥x仲輝看來，完備的驗證方法，對復雜SoC開發(fā)項目的風險控制，是非常必要的。

責任編輯：haq