EDA是AI芯片設(shè)計(jì)的加速器，方法論和工具需要顛覆性創(chuàng)新

日前，Mentor, a Siemens Business在京舉辦了“2019 Mentor論壇”，Mentor IC EDA執(zhí)行副總裁 Joseph Sawicki介紹了AI（人工智能）為半導(dǎo)體業(yè)及EDA帶來(lái)的機(jī)會(huì)，認(rèn)為AI和機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）將在下一個(gè)十年給半導(dǎo)體業(yè)帶來(lái)巨大的機(jī)遇；為此，EDA設(shè)計(jì)和驗(yàn)證方法論需要新的轉(zhuǎn)變，Mentor作為西門子的一部分，已出爐新型的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工具。

1 本土企業(yè)正在加快AI和機(jī)器學(xué)習(xí)的創(chuàng)新

Joseph最近拜訪了中國(guó)的一家初創(chuàng)公司，該公司兩年前剛成立，6個(gè)月前剛把自己的芯片送交制造。該公司可以說(shuō)取得了巨大的成功，因?yàn)橹换艘荒臧氲臅r(shí)間。這家公司的燒錄過(guò)程和程序令Joseph印象深刻，因?yàn)槭艡C(jī)架上都是刀片服務(wù)器，上面所處理的都是其AI處理解決方案，正在對(duì)成千上萬(wàn)個(gè)視頻流進(jìn)行圖像識(shí)別?？梢?jiàn)，這些仿真、AI和機(jī)器學(xué)習(xí)的技術(shù)和工具運(yùn)用，正是使這家初創(chuàng)公司可以在如此短的時(shí)間內(nèi)取得巨大成功的原因之一。

實(shí)際上，現(xiàn)在整個(gè)半導(dǎo)體業(yè)迎來(lái)了一個(gè)絕佳的機(jī)遇。據(jù)普華永道的調(diào)研顯示，人工智能（AI）很可能是推動(dòng)半導(dǎo)體業(yè)成長(zhǎng)的下一個(gè)十年周期的催化劑。麥肯錫咨詢預(yù)測(cè)，AI正在為半導(dǎo)體業(yè)開啟數(shù)十年來(lái)的最佳商機(jī)，因?yàn)锳I可以助力半導(dǎo)體公司從技術(shù)堆棧當(dāng)中獲得高達(dá)40%~50%的產(chǎn)值，而移動(dòng)時(shí)代只為半導(dǎo)體業(yè)提供了價(jià)值20%的產(chǎn)值。

       是什么因素在驅(qū)動(dòng)這樣的機(jī)遇呢？正是由于現(xiàn)在有越來(lái)越多海量的數(shù)據(jù)被移到了網(wǎng)絡(luò)上，無(wú)論是車與車之間的智能網(wǎng)聯(lián)，還者是智慧城市、工業(yè)化IoT（物聯(lián)網(wǎng)）應(yīng)用以及消費(fèi)者層面的應(yīng)用等。未來(lái)十年，我們會(huì)看到這些高速數(shù)據(jù)將在網(wǎng)絡(luò)上呈現(xiàn)數(shù)十倍的增長(zhǎng)，這一定會(huì)轉(zhuǎn)變現(xiàn)有的CPU或數(shù)據(jù)中心由云進(jìn)行管理的架構(gòu)，而是由AI、機(jī)器學(xué)習(xí)帶來(lái)的機(jī)遇。

除了數(shù)據(jù)中心聚合之外，現(xiàn)在還有越來(lái)越多的處理和計(jì)算被移到了邊緣去進(jìn)行，因此未來(lái)不管是在云平臺(tái)還是其它系統(tǒng)中，AI都可以大大提高系統(tǒng)的效率。

      這些機(jī)遇會(huì)給市場(chǎng)帶來(lái)哪些不同影響？根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研公司的預(yù)測(cè)，AI將對(duì)半導(dǎo)體業(yè)帶來(lái)巨大的機(jī)遇：企業(yè)一方面會(huì)把越來(lái)越多的數(shù)據(jù)放在云端/數(shù)據(jù)中心進(jìn)行管理，更多的可能是放在邊緣進(jìn)行處理，未來(lái)6年，邊緣計(jì)算每年都會(huì)有成倍的增長(zhǎng)。

        風(fēng)投公司怎樣看待這次機(jī)遇的？記得2001年互聯(lián)網(wǎng)泡沫破滅時(shí)，風(fēng)投公司大大降低了對(duì)半導(dǎo)體業(yè)的投入，過(guò)了很長(zhǎng)時(shí)間，風(fēng)投的投入也仍然是有限的，但是現(xiàn)在這些風(fēng)投資金又回來(lái)了——絕大多數(shù)風(fēng)投資金涌向了AI和機(jī)器學(xué)習(xí)。從下圖可見(jiàn)，風(fēng)投資金在過(guò)去短短幾年有很大的回歸和劇烈的增長(zhǎng)，現(xiàn)在很多公司已著眼于AI和機(jī)器學(xué)習(xí)。

現(xiàn)在AI芯片業(yè)有三種類型的企業(yè)：傳統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)公司，阿里等有海量數(shù)據(jù)的云端公司，初創(chuàng)企業(yè)，這三類企業(yè)正在越來(lái)越多地進(jìn)行聯(lián)合，即傳統(tǒng)芯片公司可能會(huì)加強(qiáng)自己的IC設(shè)計(jì)能力，也會(huì)設(shè)計(jì)以數(shù)據(jù)中心為主的芯片，同時(shí)也有云端數(shù)據(jù)公司在和初創(chuàng)公司進(jìn)行聯(lián)合，或者向初創(chuàng)公司投資，以用于新型算法。但無(wú)論是誰(shuí)會(huì)成功，這個(gè)市場(chǎng)在未來(lái)幾年里的發(fā)展都會(huì)是非常激動(dòng)人心的。

2 EDA設(shè)計(jì)和驗(yàn)證方法論需要新轉(zhuǎn)變

相比傳統(tǒng)的芯片設(shè)計(jì)開發(fā)流程，現(xiàn)在AI時(shí)代的芯片設(shè)計(jì)方法論有何特點(diǎn)？Joseph指出，首先，設(shè)計(jì)層級(jí)要從RTL往上走，包括C++甚至C系統(tǒng)，因?yàn)檫@些更高層級(jí)的設(shè)計(jì)語(yǔ)言可以更好地集成到AI平臺(tái)。其次，傳統(tǒng)的開發(fā)流程中，我們可能更關(guān)注的是設(shè)計(jì)上的規(guī)范和架構(gòu)；現(xiàn)在的AI時(shí)代，我們更加需要關(guān)注的是應(yīng)用的驗(yàn)證，而不是去驗(yàn)證設(shè)計(jì)本身的正確性。

2.1 設(shè)計(jì)方法論的轉(zhuǎn)變

對(duì)于設(shè)計(jì)芯片公司，未來(lái)設(shè)計(jì)方法論會(huì)有顛覆性的改變。

絕大多數(shù)AI、機(jī)器學(xué)習(xí)會(huì)發(fā)生在邊緣，對(duì)于半導(dǎo)體公司來(lái)說(shuō)最重要的就是著眼于價(jià)值堆棧，必須定制出一些架構(gòu)來(lái)滿足用戶的體驗(yàn)。 

      之前提到SoC，更多的是其指標(biāo)規(guī)格，例如內(nèi)存的大小，方法論更多的是RTL，然后才是在芯片上面進(jìn)行驗(yàn)證——這種驗(yàn)證是為了讓芯片的性能更強(qiáng)。

但是AI時(shí)代需要定制架構(gòu)滿足消費(fèi)者的用戶體驗(yàn)，這樣的原生環(huán)境就是AI的開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)語(yǔ)言可以是C或C++。

最重要的是，在設(shè)計(jì)業(yè)中有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)CPU太慢，有時(shí)GPU功耗太高，應(yīng)該怎么做呢？需要找到一個(gè)很好的路徑，就是在原生設(shè)計(jì)環(huán)境中最好地運(yùn)用AI，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的用戶體驗(yàn)。

HLS（高階綜合）可以作為連接AI原生環(huán)境和芯片的橋梁，可以幫助客戶更好地設(shè)計(jì)架構(gòu)，管理內(nèi)存的分配、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的寬度和縱深，以及決定在里面布設(shè)多少管道等。管理好這些因素，才能為垂直應(yīng)用提供經(jīng)過(guò)優(yōu)化的IC軟件體驗(yàn)。

     關(guān)于HLS，Mentor已經(jīng)開發(fā)出了工具箱，其中4種不同的設(shè)計(jì)是可選的，這些設(shè)計(jì)也呼應(yīng)了FPGA。值得一提的是，Mentor做IP不是要在消費(fèi)者芯片上直接進(jìn)行應(yīng)用，而是更多地幫助用戶具有駕馭最新設(shè)計(jì)方法論的能力。

       現(xiàn)在已有許多客戶在用HLS的方式來(lái)設(shè)計(jì)AI和機(jī)器學(xué)習(xí)的芯片，例如NVIDIA是業(yè)界的領(lǐng)導(dǎo)者，他們利用這種方法論，生產(chǎn)率已經(jīng)提高了50%。更重要的是，他們的驗(yàn)證成本降低了80%。

2.2 驗(yàn)證方法論的改變

       不僅設(shè)計(jì)方法論需要轉(zhuǎn)變，驗(yàn)證也需要在方法論上改變。傳統(tǒng)芯片驗(yàn)證的測(cè)試方法是要測(cè)試規(guī)則、架構(gòu)和規(guī)范等。

在AI時(shí)代更多的是垂直應(yīng)用。我們需要進(jìn)行的驗(yàn)證是在應(yīng)用層面，即需要技術(shù)仿真出AI引擎，然后在CPU系統(tǒng)上可以把這些數(shù)據(jù)推送到AI引擎，這樣就會(huì)生成一個(gè)界面，可以產(chǎn)生一個(gè)虛擬的PCI，也可以執(zhí)行用戶想要執(zhí)行的應(yīng)用，包括整個(gè)代碼的處理等，性能、功耗以及數(shù)據(jù)都可以給到。這意味著還沒(méi)到芯片層，用戶就可以理解整個(gè)過(guò)程的性能表現(xiàn)如何。

3 Mentor的解決方案

Mentor在AI仿真和其它領(lǐng)域會(huì)有怎樣的優(yōu)勢(shì)？Joseph稱，Mentor既有設(shè)計(jì)工具，也有驗(yàn)證工具。Mentor最大的優(yōu)勢(shì)是在仿真方面的方法論，例如虛擬化環(huán)境，還有整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)化地把算法帶到陣列上面，這些都是Mentor最大的強(qiáng)項(xiàng)。

新的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證工具可以提高生產(chǎn)率，包括AI和機(jī)器學(xué)習(xí)的開發(fā)程序等。當(dāng)然在自己內(nèi)部工具中使用AI和機(jī)器學(xué)習(xí)，也能夠更加有效地實(shí)現(xiàn)這些新的技術(shù)。Mentor被西門子收購(gòu)后開發(fā)了許多技術(shù)，還有模式分析方面的OPC，可使數(shù)千個(gè)CPU 24小時(shí)不間斷地運(yùn)行，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)提高效率，可以把整個(gè)時(shí)間和復(fù)雜性降低3~4倍。

        例如，在RFD設(shè)計(jì)中，Mentor使用了機(jī)器學(xué)習(xí)，可以在云平臺(tái)上進(jìn)行人臉識(shí)別或語(yǔ)音識(shí)別，而且知道設(shè)計(jì)的問(wèn)題和產(chǎn)出的限制在哪里，仿真的過(guò)程可以大大降低。通過(guò)這樣的機(jī)器學(xué)習(xí)，可以仿真出一個(gè)可靠性非常高的庫(kù)或者矩陣。Mentor還可以用下圖最右邊的機(jī)器學(xué)習(xí)方式檢驗(yàn)出測(cè)試系統(tǒng)中哪些地方是失敗的，然后把這些和實(shí)體設(shè)計(jì)聯(lián)系起來(lái)，就能夠找出問(wèn)題所在，更好地推動(dòng)設(shè)計(jì)最終產(chǎn)品。

眾所周知，西門子過(guò)去這些年里在數(shù)字雙胞胎方面一直在下大力氣去做，例如用虛擬驗(yàn)證方式可以仿真出一個(gè)產(chǎn)品的模型，也可以仿真這個(gè)產(chǎn)品的制造過(guò)程，然后再把得到的數(shù)據(jù)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)回傳給整個(gè)仿真系統(tǒng)。有了這樣的連接，最后的仿真和設(shè)計(jì)就可以達(dá)到高的表現(xiàn)和可靠性。目前在電氣和機(jī)械方面都可以在設(shè)計(jì)上完成。

       現(xiàn)在可以很好地把Mentor的算法軟件和西門子本身的系統(tǒng)整合起來(lái)，目前已經(jīng)開發(fā)出了一個(gè)建模，可以讓自動(dòng)駕駛汽車在虛擬環(huán)境中進(jìn)行駕駛。如下圖左圖是西門子的Simcenter Prescan，可以模擬道路環(huán)境，包括行人和路況，這些數(shù)據(jù)都會(huì)輸送到系統(tǒng)層面。

上圖右圖中的Simcenter Amesim可以讓汽車一級(jí)供應(yīng)商只需考慮車輛的動(dòng)力總成和底盤，以及剎車和行駛的傳動(dòng)系統(tǒng)是怎樣的。中間的圖是芯片仿真。這些都是虛擬數(shù)據(jù)，可以很好地進(jìn)行孿生，無(wú)論是車輛駕駛還是半導(dǎo)體應(yīng)用，都可以很清楚地知道最后的體驗(yàn)如何。

       4 Mentor如何打造出在市場(chǎng)上具有優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)品？

無(wú)論是Calibre還是Tessent都有一些共性。如果能夠做到以下3點(diǎn)，成功的概率就會(huì)非常大。

首先必須要有一批非常具有熱情的開發(fā)者，這些開發(fā)者希望能夠向市場(chǎng)提供不同的產(chǎn)品，也就是不只是開發(fā)一個(gè)產(chǎn)品，產(chǎn)品要能夠帶來(lái)不同才是價(jià)值所在。

其次，這些工程師團(tuán)隊(duì)必須非常密切地和客戶一起工作，因?yàn)檫h(yuǎn)離客戶就無(wú)法找到很好的解決問(wèn)題的方式。

第三，Mentor要找準(zhǔn)客戶最困難的問(wèn)題在哪里。就像Calibre的設(shè)計(jì)和Tessent的測(cè)試，我們要找到每個(gè)產(chǎn)品的關(guān)鍵問(wèn)題所在。

       5 Mentor被西門子并購(gòu)后發(fā)生了什么？

 現(xiàn)在Joseph是Mentor IC的掌舵人，對(duì)Mentor有何戰(zhàn)略調(diào)整？Joseph稱，Mentor本來(lái)就有強(qiáng)有力的基礎(chǔ)，無(wú)論是DFM（可制造設(shè)計(jì)）、安全性測(cè)試還是仿真領(lǐng)域都是如此。

Mentor未來(lái)的發(fā)展方向是在設(shè)計(jì)和驗(yàn)證方面都會(huì)提到更高的層次，因?yàn)樵贏I時(shí)代這些方面的成長(zhǎng)是非常重要的，而且在西門子的企業(yè)文化之下，Mentor也可以在整個(gè)AI時(shí)代做出一些特別激動(dòng)人心的舉動(dòng)和項(xiàng)目。

在“2019 Mentor論壇”北京站，Mentor中國(guó)區(qū)一位負(fù)責(zé)人介紹了更多的背景，Mentor和西門子公司在兩年前合并，Mentor現(xiàn)在是西門子PLM軟件公司下的一個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的子公司。合并后的理念是向更強(qiáng)、更大的方向發(fā)展，即不僅要單項(xiàng)強(qiáng)，而且要做更廣泛的業(yè)務(wù)，特別是在EDA整個(gè)行業(yè)，從芯片一直到系統(tǒng)、到工業(yè)應(yīng)用，提供一攬子的整體解決方案。

合并以后，西門子加強(qiáng)了對(duì)Mentor在EDA技術(shù)的投資，在近一年多的時(shí)間內(nèi)，Mentor先后收購(gòu)了5家公司，加強(qiáng)或補(bǔ)充了多種EDA技術(shù)，包括電磁場(chǎng)與熱分析公司、5G測(cè)試解決方案公司，還有機(jī)械學(xué)習(xí)可變性的高科技公司，以及隨機(jī)芯片的故障分析公司，以及電纜線束工程設(shè)計(jì)方面的公司。

合并后，西門子PLM軟件公司現(xiàn)已成為全球第一大工業(yè)軟件公司（如下圖）。

Mentor和西門子合并以后取得了亮麗的業(yè)績(jī)。第一，西門子的數(shù)字化部門（包括Mentor）已經(jīng)達(dá)到了42億美元的銷售額，位居行業(yè)第一。另外，在整個(gè)工業(yè)里，西門子的投入、研發(fā)和運(yùn)行率比都是做得最大的公司。西門子工業(yè)的年收入增長(zhǎng)值每年超過(guò)10%以上，在這個(gè)行業(yè)的很多公司達(dá)不到這個(gè)數(shù)字。

Mentor從2017年4月以后，戰(zhàn)略上做了很大的投資。在功能驗(yàn)證方面，整個(gè)投資增長(zhǎng)了47%。因?yàn)轵?yàn)證環(huán)節(jié)非常重要，Mentor不僅有軟件驗(yàn)證，還有硬件驗(yàn)證，還有各種驗(yàn)證方法學(xué)。另外是以硬件為基礎(chǔ)的驗(yàn)證，現(xiàn)在硬件仿真器方面推陳出新。再有Mentor獨(dú)到的新技術(shù)——HLS，就是從C語(yǔ)言、C++，從算法設(shè)計(jì)到RTL實(shí)現(xiàn)，是自動(dòng)化的流程，這在很多設(shè)計(jì)芯片里是非常高大上的工具。物理驗(yàn)證方面，因?yàn)闃I(yè)界現(xiàn)在已經(jīng)開始向7 nm、5 nm、3 nm研發(fā)，Mentor推出了大量的新工具，以支持客戶以及代工廠。還有設(shè)計(jì)測(cè)試方法學(xué)（Design for Test），Mentor也做了大的投資和改進(jìn)。

關(guān)于比較抽象的AI和機(jī)器學(xué)習(xí)芯片設(shè)計(jì)。Mentor現(xiàn)在能覆蓋所有的計(jì)算機(jī)視覺(jué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算，以及寬帶和移動(dòng)通訊方面圍繞5G技術(shù)的一些進(jìn)步，還有圖像壓縮處理、視頻方面的技術(shù)，這些都是Mentor  HLS技術(shù)帶來(lái)的效果。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，人們最終的目的不是光做芯片，要形成一個(gè)可工業(yè)化的應(yīng)用，或者家庭化應(yīng)用的系統(tǒng)，因此強(qiáng)調(diào)電子技術(shù)與機(jī)械技術(shù)相結(jié)合，形成一個(gè)整機(jī)系統(tǒng)才能提供到市場(chǎng)上去。Mentor+西門子提供了一套完整的解決方案，例如智能網(wǎng)聯(lián)汽車和無(wú)人駕駛現(xiàn)，里面包括傳感器、信號(hào)傳輸，這個(gè)系統(tǒng)完全可以在一個(gè)模擬的環(huán)境下進(jìn)行。所以無(wú)論對(duì)整車廠還是芯片廠家都有幫助，連通了芯片如何應(yīng)用到整車?yán)铮@樣西門子就能提供完整的解決方案給整個(gè)產(chǎn)業(yè)。

2019年是Mentor公司進(jìn)入中國(guó)30周年。1989年，Mentor作為第一家大型EDA公司進(jìn)駐中國(guó)，第一間辦公室是北京。