在數(shù)字化時(shí)代的浪潮中,5G、人工智能和智能汽車等尖端技術(shù)正在以前所未有的速度改變我們的生活和工作環(huán)境。顯然,在這股科技浪潮中,芯片已不再是單一的硬件組件,而是一個(gè)融合了多項(xiàng)技術(shù)與創(chuàng)新的復(fù)雜系統(tǒng)。在此背景下,電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)也在經(jīng)歷重要的轉(zhuǎn)型。
近日,Cadence 全球副總裁兼多物理場(chǎng)仿真事業(yè)部總經(jīng)理顧鑫先生接受了AspenCore 亞太區(qū)總經(jīng)理、總分析師張毓波先生的獨(dú)家專訪,深入討論了 EDA 行業(yè)面臨的新趨勢(shì)和挑戰(zhàn)。在交談中,顧鑫特別指出了多物理場(chǎng)分析在現(xiàn)代芯片設(shè)計(jì)中的重要地位,并認(rèn)為計(jì)算流體力學(xué)有巨大的發(fā)展?jié)摿ΑK€詳細(xì)探討了并行計(jì)算和人工智能(AI)如何在 EDA 的進(jìn)步中扮演關(guān)鍵角色,推動(dòng)行業(yè)不斷前進(jìn)。
01
芯片設(shè)計(jì)學(xué)發(fā)生了根本性的變革
隨著半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展進(jìn)入 3 納米工藝節(jié)點(diǎn),我們正見證摩爾定律逼近其物理界限。然而,全球的芯片工程師們并未停下腳步,他們正從架構(gòu)、材料、以及封裝等多個(gè)角度合力推動(dòng)工藝的進(jìn)一步微縮,以延續(xù)摩爾定律的腳步。Cadence 全球副總裁兼多物理場(chǎng)仿真事業(yè)部總經(jīng)理顧鑫表示:“根據(jù)我們從代工合作伙伴那里獲得的信息,芯片技術(shù)發(fā)展到 1 納米,甚至是低至 9 至 10 埃的技術(shù),這些在當(dāng)前看來都是可行的?!?/p>
然而,每一個(gè)新節(jié)點(diǎn)的突破,都意味著更多技術(shù)挑戰(zhàn)的出現(xiàn)。而且隨著越來越多的半導(dǎo)體設(shè)計(jì)公司轉(zhuǎn)向 3D IC 這樣的新技術(shù),并傾向于使用更精密的封裝技術(shù)和更復(fù)雜的 PCB 來提升芯片的整體性能,互聯(lián)、熱管理、制造流程的復(fù)雜性等一系列挑戰(zhàn)隨之而來。這一切都在促使業(yè)界從根本上重新審視芯片設(shè)計(jì)的方法論。
過去,設(shè)計(jì)師們可能更關(guān)注于電性能的優(yōu)化,但在當(dāng)前環(huán)境下,他們必須同時(shí)兼顧電、熱、磁、光和機(jī)械等多個(gè)物理域的相互作用。伴隨著這種轉(zhuǎn)變,芯片設(shè)計(jì)的進(jìn)步越來越依賴于 EDA 軟件的發(fā)展。這些高級(jí)軟件工具能夠更有效地模擬和預(yù)測(cè)多物理效應(yīng)的相互作用,幫助設(shè)計(jì)師在實(shí)際制造之前識(shí)別和解決潛在的設(shè)計(jì)問題。
02
面向系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化:EDA 軟件的轉(zhuǎn)型與升級(jí)
正是看到了 IC 設(shè)計(jì)模式轉(zhuǎn)變的發(fā)展趨勢(shì),Cadence 在 2019 年推出了其“智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)(Intelligent System Design)”戰(zhàn)略,憑借在 EDA 領(lǐng)域多年的數(shù)值仿真技術(shù)經(jīng)驗(yàn),提供了一系列針對(duì)多物理場(chǎng)問題的前沿 EDA 工具。這一戰(zhàn)略性舉措不僅有效地解決了芯片系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中的復(fù)雜挑戰(zhàn),還為行業(yè)中的棘手問題帶來了高效而精準(zhǔn)的解決方案。
Clarity 3D Solver 是 Cadence 開發(fā)的第一款系統(tǒng)級(jí)的仿真工具,它是一款基于 FEM 的 3D 全波求解器。據(jù)顧鑫的介紹,Clarity 有很多革命性的技術(shù)突破,其中最重要的有兩點(diǎn):
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1
Clarity 3D Solver 使用了大規(guī)模并行計(jì)算技術(shù),可以利用多個(gè) CPU 核心進(jìn)行電磁仿真,大大減少了計(jì)算時(shí)間,并且得到了高達(dá) 10 倍的電磁仿真性能提升,甚至在某些情況下達(dá)到了近 40 倍的性能增長(zhǎng),幫助客戶實(shí)現(xiàn)了彈性計(jì)算。
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為了提高設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確性,Clarity 3D Solver 可以與 Cadence 的其他 EDA 解決方案如 Allegro、Virtuoso 和 Innovus 等無縫集成,使工程師可以在一個(gè)統(tǒng)一的設(shè)計(jì)環(huán)境中工作。
從應(yīng)用上來看,Clarity 3D Solver 尤其適用于需要高頻3D電磁(EM)分析的應(yīng)用,如 5G 通信、汽車?yán)走_(dá)、高性能計(jì)算和其他要求嚴(yán)格的高速電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
03
熱管理,成為多物理場(chǎng)仿真最重要的一環(huán)
隨著現(xiàn)代芯片通過使用先進(jìn)封裝技術(shù)和硅基板(Interposer)實(shí)現(xiàn)更多晶體管的堆疊,熱量急劇增加,散熱成為廠商頭疼的問題。一些廠商反映,經(jīng)過他們的實(shí)際測(cè)量,在單個(gè)封裝或芯片中,溫度梯度在芯片上不同區(qū)域的溫度的差別可以超過 30 度,這種狀況對(duì)于確保芯片的可靠性和性能表現(xiàn)提出了巨大的挑戰(zhàn)。熱管理已成為多物理場(chǎng)仿真中極其重要的一環(huán)。
針對(duì)熱管理的挑戰(zhàn),Cadence 于 2020 年推出了Celsius 3D Thermal Solver,這是業(yè)內(nèi)首款專為 3D IC 設(shè)計(jì)定制的熱仿真工具。Celsius 采用了一種創(chuàng)新的方法,它結(jié)合了有限元方法(FEM)和計(jì)算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)。使用 CFD 解決整個(gè)系統(tǒng)周圍的空氣流問題,然后利用這些數(shù)據(jù)作為邊界條件,通過 FEM 解決整個(gè)封裝和芯片的熱梯度問題,從而在精確度和性能之間找到了很好的平衡。
在芯片設(shè)計(jì)當(dāng)中,電力與熱能的關(guān)系密不可分,而且無論是電磁場(chǎng)還是電源管理,或是信號(hào)完整性(SI/PI),最后都會(huì)通過熱耦合在一起。因此,進(jìn)行精確的電源網(wǎng)絡(luò)分析是至關(guān)重要的。Cadence 的 Voltus 和 Voltus-Fi 是專門分析芯片內(nèi)部電源網(wǎng)絡(luò)的軟件。與 Clarity 和 Celsius 側(cè)重于系統(tǒng)級(jí)有所不同,Voltus 和 Voltus-Fi 主要在 EDA 領(lǐng)域中發(fā)揮作用,專注于芯片級(jí)的電源問題。通過提供精確的電源網(wǎng)絡(luò)分析,這些工具能夠?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率做出重要貢獻(xiàn)。
在過去四年中,Voltus 的業(yè)務(wù)得到了快速增長(zhǎng),體現(xiàn)了它在當(dāng)今多物理分析過程中的重要性。而 Voltus 能夠取得如此大成功,顧鑫分析到主要有兩點(diǎn)原因:首先,Voltus 工具也采用了大量的大規(guī)模并行計(jì)算技術(shù);再就是Cadence 所具備完整設(shè)計(jì)流程的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì),起到了很大的帶動(dòng)作用,例如,在數(shù)字 SoC 領(lǐng)域,Voltus 可以與 Cadence 的旗艦設(shè)計(jì)平臺(tái) Innovus 緊密結(jié)合,幫助客戶獲得最佳的 PPA。
04
通過并購積蓄力量,邁入 CFD 新征途
除了多物理場(chǎng)分析,計(jì)算流體力學(xué)(CFD)同樣是一個(gè)充滿潛力的研究領(lǐng)域。根據(jù)行業(yè)研究機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù),CFD 市場(chǎng)的估值大約在 16 億到 20 億美元之間。工程師和科學(xué)家正借助 CFD 仿真技術(shù)來應(yīng)對(duì)一系列復(fù)雜挑戰(zhàn),這些挑戰(zhàn)涵蓋了從汽車和飛機(jī)的氣動(dòng)性能仿真,到環(huán)境工程中的風(fēng)噪聲仿真等多個(gè)方面。一個(gè)鮮明的案例是,在疫情期間,醫(yī)療健康專家就利用 CFD 技術(shù),來模擬并分析病毒在各種環(huán)境中的傳播途徑,從而為防疫措施提供科學(xué)依據(jù)。
Cadence 也瞄準(zhǔn)了 CFD 領(lǐng)域,在 2021 年至 2022 年間 Cadence 相繼收購了包括 NUMECA International、Cascade Technologies、Future Facilities、Coupled Numerics 以及 Pointwise 在內(nèi)的五家 CFD 專業(yè)公司。通過收購,Cadence 踏入了 CFD 領(lǐng)域,并將這 5 家公司各自獨(dú)特的技術(shù)與 Cadence 的技術(shù)相融合,并推出了 Fidelity 這一新產(chǎn)品。目前 Fidelity 已經(jīng)與許多客戶進(jìn)行了成功的驗(yàn)證,例如 2022 年 Cadence 與 McLaren F1 車隊(duì)達(dá)成了一項(xiàng)長(zhǎng)期技術(shù)合作協(xié)議。
05
發(fā)展 EDA,重在生態(tài)的構(gòu)建
如今,越來越多的芯片廠商,包括微軟、英特爾、高通等,正積極向系統(tǒng)層面擴(kuò)展。他們面臨的挑戰(zhàn)不僅僅是提升芯片的性能,更需要在宏觀層面綜合評(píng)估整個(gè)電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能。這種趨勢(shì)使得系統(tǒng)廠商對(duì) EDA 廠商的支持和密切合作需求日益迫切。
特別是當(dāng)芯片技術(shù)發(fā)展到 3 納米,甚至是 2 納米、1 納米的微觀領(lǐng)域時(shí),EDA 廠商的角色變得更加重要。他們是連接代工廠和設(shè)計(jì)廠商的重要橋梁,需要在工藝開發(fā)的早期階段協(xié)助雙方驗(yàn)證不同工藝節(jié)點(diǎn)的可行性,從而確保代工廠的尖端技術(shù)能被設(shè)計(jì)廠商順利采用。
此外,據(jù)顧鑫指出:“我們與 ARM 等架構(gòu)供應(yīng)商也有緊密的合作,保證支持每一個(gè)新的計(jì)算架構(gòu)。”眾所周知,Arm 架構(gòu)因其高效性和靈活性已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各類設(shè)備中。全球 99% 的手機(jī)處理器,以及大量的微控制器(MCU)和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都在采用 Arm 的 IP。這種普及性要求 EDA 工具廠商必須緊跟 Arm 架構(gòu)的發(fā)展節(jié)奏,不斷更新和優(yōu)化自己的工具和服務(wù),以確保它們能夠完全支持每一個(gè)新的計(jì)算架構(gòu)和平臺(tái)。
對(duì) EDA 廠商而言,構(gòu)建一個(gè)健康、協(xié)同、并充滿活力的生態(tài)系統(tǒng)是至關(guān)重要的。這不僅包括與芯片設(shè)計(jì)廠商和代工廠的緊密合作,也意味著需要與廣大系統(tǒng)層面的廠商,如微軟、英特爾、高通等建立深度合作關(guān)系。只有這樣,才能確保在不斷進(jìn)步的技術(shù)浪潮中把握住每一個(gè)重要的節(jié)點(diǎn),推動(dòng)整個(gè)電子產(chǎn)業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展。
06
EDA 將走向何方?
芯片行業(yè)在向前加速邁進(jìn),EDA 的未來發(fā)展將如何?其中,有兩個(gè)核心方向引人注目:
第一個(gè)是機(jī)器學(xué)習(xí),EDA 中引入 AI 是一個(gè)熱門發(fā)展方向,即利用 AI 技術(shù)來幫助客戶解決在仿真和設(shè)計(jì)中遇到的挑戰(zhàn)。Cadence 的一些新產(chǎn)品,例如在 2022 年 4 月推出的基于 AI 和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的自主生成式 AI 優(yōu)化工具 Optimality,就是一個(gè)例子。顧鑫介紹道,Optimality 可以與 Clarity 和 Celsius 集成,用戶可以使用機(jī)器學(xué)習(xí)方法來優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的性能,并自動(dòng)確定最佳參數(shù)。
再有就是多物理場(chǎng)仿真。由于設(shè)計(jì)復(fù)雜性不斷增加,對(duì)計(jì)算的需求也在迅速增長(zhǎng),整個(gè)設(shè)計(jì)流程可能會(huì)變得更長(zhǎng)。傳統(tǒng)的僅依賴 CPU 的解決方案已不再是唯一的選擇。近年來,除了 CPU 性能的迅速提升,GPU 和專用 ASIC 等硬件平臺(tái)也逐漸崛起,未來異構(gòu)計(jì)算將主導(dǎo)市場(chǎng)。EDA 軟件將更多地遷移到各種硬件平臺(tái)上,這種遷移可以大大加速工程師們的仿真過程,因?yàn)樗軌蚶眠@些專用硬件平臺(tái)在并行處理和高性能計(jì)算方面的優(yōu)勢(shì)。
可以預(yù)見,在未來兩到三年內(nèi),機(jī)器學(xué)習(xí)以及 GPU 芯片的加速功能將對(duì) EDA 領(lǐng)域的進(jìn)步發(fā)揮至關(guān)重要的影響。
總結(jié)
隨著半導(dǎo)體行業(yè)邁入系統(tǒng)性設(shè)計(jì)全新的發(fā)展紀(jì)元,芯片的進(jìn)化已不再僅僅局限于追求尺寸的縮減?,F(xiàn)在,它已經(jīng)成為一個(gè)涉及多學(xué)科、多層次、并整合多維度的復(fù)雜系統(tǒng)工程。在這一充滿多元化且技術(shù)密集的進(jìn)程中,具備多物理分析能力的 EDA 軟件將扮演不可或缺的助推角色。只有當(dāng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈緊密協(xié)作、共同前行時(shí),才能攜手將芯片技術(shù)推向新的巔峰。
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原文標(biāo)題:芯片邁向系統(tǒng)化時(shí)代:EDA 軟件的創(chuàng)新之路
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