沒有驗證EDA工具，芯片設計則寸步難行。作者 | ZeR0
編輯 | 漠影
“你驗完了沒有？”“芯片還存不存在bug？”這是芯片驗證團隊經常直面的兩個靈魂問題，這樣的問題，實際上也是對EDA驗證能力的拷問。5月10日，在南京EDA公司芯華章舉辦的研討會上，多位芯片資深從業(yè)者對驗證EDA的痛點和破局之徑進行了深入交流。中興微電子有線系統(tǒng)部部長賀志強談道，隨著集成電路規(guī)模、復雜度提升，芯片的“一版成功”已是最低要求。芯片驗證不僅要質量，還要在有挑戰(zhàn)的時間窗內完成。市場競爭加劇，正進一步壓縮芯片研發(fā)周期。燧原科技資深架構師鮑敏祺對此感受深刻，以前做大芯片流片大約需要一年半，現在則可能得縮短至一年。也就是說，芯片工程師要在更短時間內，做更多門級的驗證工作。芯片規(guī)模變大后，整個驗證亦從單點功能升級到整個系統(tǒng)級、場景級的需求。這些挑戰(zhàn)，正推動著驗證EDA工具加速進化。EDA（電子設計自動化）軟件被譽為“芯片之母”，是整個集成電路產業(yè)鏈“金字塔尖”般的存在。芯片工程師正是借助EDA工具，才得以完成單芯片集成了千億顆晶體管的復雜電路設計。“沒有好的EDA軟件，我們不可能制造出好的芯片?！焙戏适形㈦娮友芯吭涸洪L陳軍寧說。EDA工具的使用，能極大避免芯片電路設計和布局的錯誤，而高成功率，便意味著更少的損失。芯片流片費用高到驚人——低端芯片流片一次花費數十萬元，先進制程更是上億。對于一些中小企業(yè)來說，如果流片失敗兩三次，它們就可能面臨破產。這要求芯片驗證環(huán)節(jié)，必須萬無一失。但在賀志強看來，如何度量質量與效率，仍要打一個問號。其中既有主觀的數據，又有客觀的數據，在各種數據之間如何佐證不同的流程、不同的方法，不同的工具之間又如何關聯，這是留給驗證的問題，亦是給EDA廠商的問題。EDA集體面對的挑戰(zhàn)，也是國產EDA企業(yè)突圍的機會所在。本文福利：全球EDA行業(yè)呈現寡頭壟斷趨勢，國產EDA工具市占率較低，個別點工具成為未來突破口。推薦精品研報《EDA深度報告：半導體賦能基石，國產突圍勢在必行》，可在公眾號聊天欄回復關鍵詞【芯東西261】獲取。
01.國產EDA風起：起點高、包袱輕、貼近客戶
國內外動蕩的貿易背景，加速了國內芯片產業(yè)對國產EDA的迫切需求。盡管國際三巨頭占據了主要的EDA市場，但隨著技術的飛躍發(fā)展，創(chuàng)新產品和新興初創(chuàng)公司仍不斷涌現，國產EDA企業(yè)正面對一個前所未有的市場機遇。據中國半導體行業(yè)協會（CSIA）統(tǒng)計，2020年中國EDA行業(yè)市場規(guī)模約93.1億元，同比增長27.7%，其中我國本土EDA工具市場份額約為12%。 
▲2015-2025年中國EDA行業(yè)市場規(guī)模統(tǒng)計及預測（圖源：概倫電子IPO文件，數據來源：CSIA）
合肥市微電子研究院院長陳軍寧談道，國內EDA公司在全流程工具方面與國際巨頭差距尚存，但在許多點工具方面已與國際水平相當，甚至領先于國際水平。“國產EDA公司擁有高技術起點和貼近本地市場的優(yōu)勢，能夠基于客戶的痛點進行開發(fā)，將經驗與解決方案集成到工具當中。”中興微電子有線系統(tǒng)部部長賀志強分析說。起步較晚，使得國產EDA缺乏長期的技術、生態(tài)積累及工程經驗，卻也帶來“包袱較輕”的優(yōu)勢，因而得以輕裝上陣，去破解一些傳統(tǒng)EDA難解的問題。其中，能檢測芯片各項指標、及時發(fā)現缺陷的驗證環(huán)節(jié)，儼然是EDA亟待優(yōu)化的重點方向之一。在陳軍寧看來，下一代EDA工具的挑戰(zhàn)主要來自三方面：（1）新工藝節(jié)點不斷涌現，帶來物理驗證和可測性設計方面的挑戰(zhàn)；（2）不斷攀升的設計規(guī)模，導致高階綜合功能驗證和物理驗證等運行時長更長；（3）從片上系統(tǒng)到系統(tǒng)對接帶來的設計方法學和驗證方法學的革命性變化。與此同時，人工智能、5G通信、智能汽車等新應用領域正快速發(fā)展，對芯片性能的要求越來越高，功耗、成本的要求趨于分化，導致芯片設計驗證的成本隨之急劇上升。而復雜且費時費力的調試工程，又是關鍵驗證工作的重中之重。
02.無法替代的調試工作
在典型的芯片設計過程，驗證占據了約70%的工作量，其中的調試（debug）就占了40%。驗證包含的原型驗證、硬件仿真、軟件仿真、形式驗證等環(huán)節(jié)都需要調試。調試在其中穿針引線、綜合資料，然后加以分析，進而達到有效的診斷。“在整個設計驗證的流程中，debug是不可欠缺、無法替代的?！毙救A章科技研發(fā)副總裁林揚淳記得，即便是非調試的場景，客戶也常常利用調試工具來檢視和理解整個設計。但據其調研，調試產品的供需存在著極大落差。原因有三。一是缺乏創(chuàng)新，人工智能、機器學習和云計算已是不可逆的趨勢，而市面上的產品卻甚少掌握，頂多只是“沾點皮毛”。二是資料的碎片化、凌亂甚至矛盾。點、步驟之間常常需要轉換，不僅耗時，更容易出錯。“造成如此現象最根本的原因，就是缺乏整體性的規(guī)劃，僅憑商業(yè)并購，將不同公司的工具拼湊在一起造成的?！绷謸P淳強調。兼容性會直接影響芯片工程師的體驗，這是驗證過程中經常遇到的問題。中興微電子有線系統(tǒng)部部長賀志強對此進一步拆解，它既包括不同EDA廠商的工具的兼容性，也包括同一家廠商工具的不同驗證手段的兼容性。后者相對來說沒有太高的技術壁壘，但前者很難做到統(tǒng)一。三是設計日新月異，規(guī)模和復雜度不斷增加，對調試產品的性能要求也不斷提高。好的調試系統(tǒng)，不僅能確保項目的成功，更可以有效提高SoC芯片的設計和驗證效率，降低芯片設計成本，這將對芯片工程師大有裨益。
03.走向下一代設計驗證工具
為了適應接踵而至的挑戰(zhàn)，陳軍寧認為下一代EDA設計驗證工具會呈現兩大趨勢：智能化與上云。EDA智能化，涉及廣義上一切減少人力投入的改進，包括高度并行化的EDA計算、求解空間探索、設計自動化、數據模型化及機器學習等。新一代EDA將大幅減少芯片架構探索、設計驗證布局布線等工作中的人力占比，把設計經驗和數據吸收到EDA工具中，形成智能化的EDA設計。另一個趨勢是上云。隨著芯片設計復雜度提升，芯片設計公司將面臨計算資源需求激增、EDA峰值性能需求難以滿足、工藝數據遷移耗費成本巨大、多項目并行發(fā)生的資源搶奪以及辦公地點限制帶來的效率影響等問題，進而影響芯片研發(fā)周期及成本。芯片設計如能上云，則可以平滑多項目并行帶來的資源搶奪問題，降低EDA購買成本和維護費用，保障企業(yè)研發(fā)生產效率，擺脫物理環(huán)境束縛，并有助于支持EDA在教育領域的應用。 當前，云平臺的模式還在探索和發(fā)展的初期，它不是簡單地將現有EDA放到云計算平臺上，而需采用適合于云平臺的EDA軟件架構、高可靠的安全保證，并要解決其付費模式和使用模式的創(chuàng)新問題?，F在已經有混合云、全云等靈活的方式，來滿足芯片設計公司的各種需求。電子科技大學電子科學與工程學院副教授黃樂天一直在做大規(guī)模系統(tǒng)級集成電路設計，他重點提到要增強EDA工具間的融合問題：首先是加強軟件提前介入驗證的能力，在早期提供方便的虛擬原型驗證環(huán)境，使得芯片設計之初即可實現對整體功能進行全面驗證?！澳壳皝砜矗摂M原型的驗證環(huán)境各家做的都還不夠好，設計方法推廣的也還不夠多。”黃樂天說。其次是在虛擬原型驗證的基礎上，找到能快速驗證大規(guī)模設計的方法學，尤其要加強驗證各IP間、各子系統(tǒng)間交互設計的一些方法，并加強芯片設計和其他外圍系統(tǒng)的一些交互驗證。他希望將仿真、形式化驗證、原型驗證、調試工具等形成一個完整的整體平臺，或是成系列的一個整體驗證方法學，將各環(huán)節(jié)的驗證有機協同，相互補充，來極大減少驗證的投入。更進一步來說，以Chiplet為代表的新一代集成電路的設計方法學正在迭代，其設計空間又增加了一個新維度，隨著設計規(guī)模越來越大，軟件結合更為緊密，新的驗證方法學或驗證EDA工具還有很大的改進和整合空間。
04.多重創(chuàng)新技術加持芯華章的驗證調試秘招
針對驗證調試方面的挑戰(zhàn)，一些國產EDA企業(yè)正為此付諸努力。2020年3月創(chuàng)立的芯華章便是其中的代表之一。過去兩年，芯華章已發(fā)布仿真驗證、形式驗證、場景驗證、FPGA原型驗證系統(tǒng)等產品。芯華章科技研發(fā)副總裁林揚淳也分享了他們的解題思路：其昭曉Fusion Debug是一款基于創(chuàng)新架構的數字驗證調試系統(tǒng)，有創(chuàng)新性、易用性、高性能等特點，提供快速代碼解析、波形查看、設計原理圖探索、覆蓋率數據分析等多種先進技術，能夠幫助工程師簡化調試任務，提高設計和驗證的效率。除了獨立使用外，該系統(tǒng)還可以配合芯華章智V驗證平臺的所有產品混合使用。它也提供了豐富、可編程的數據接口，以供用戶針對不同調試場景的多樣化需求進行定制化。據林揚淳回憶，從一開始，芯華章就花心血致力于底層框架、基礎平臺的研發(fā)，尤其是精簡連貫一致，形成共同數據庫，其中包括XCDB/XNDB/XEDB/XCovDB。XCDB存儲了design HDL的信息，XNDB記錄了design analyst，XEDB壓縮存儲了信號波形，XCovDB則記錄了覆蓋率。相比于國際主流數字波形格式，昭曉Fusion Debug采用完全自研的高性能數字波形格式XEDB。該波形格式借助創(chuàng)新的數據格式和架構，具備高性能、高容量、高波形壓縮比等特點，在實際測試中可帶來比國際主流數字波形格式超8倍的壓縮率。與其它商業(yè)波形格式相比，XEDB的讀寫速度快至3倍，并支持分布式架構，能夠充分利用多臺機器的物理資源來提升整體系統(tǒng)的性能，實測中表現出的波形寫入速度可以比單機模式提高5倍以上。
▲Fusion Debug GUI界面
在提供完整調試解決方案的同時，昭曉Fusion Debug也支持統(tǒng)一且高性能的編譯，可供快速加載仿真結果和信號顯示，輕松進行信號連接跟蹤和根本原因分析。根據實際項目數據，在完整的設計及原理圖模塊化加載中，昭曉Fusion Debug的速度比其他商用EDA工具快至5倍，能滿足大規(guī)模SoC設計調試的需求，大幅提高驗證效率。林揚淳談道，智能化是芯華章的優(yōu)勢之一。昭曉Fusion Debug便融合了先進的機器學習框架，以解決當前產業(yè)調試方案缺乏創(chuàng)新、數據庫碎片化及性能局限等多重挑戰(zhàn)，從而降低調試難度，進一步優(yōu)化驗證效率與操作體驗。
05.結語：EDA后浪們，正走出自己的路
盡管曾錯失歷史發(fā)展良機，如今伴隨著新興技術的成熟、利好政策的相繼落地以及資本熱錢的涌入，國產EDA企業(yè)正如雨后春筍般涌現。后摩爾時代愈發(fā)復雜的芯片設計，在給整個EDA產業(yè)提出新挑戰(zhàn)的同時，也敞開了技術迭代的新機會窗口。無論是解決各種EDA工具固有的頑疾、更迭設計方法學，還是引入機器學習、云計算等新技術，EDA企業(yè)們可以探索的創(chuàng)新方向正趨于豐富。從長遠來看，國產EDA的發(fā)展，不應僅滿足于成為“替代品”，更多要結合EDA多年的發(fā)展，在一些新的技術條件和需求上，抓住時間窗口。誠然，對于國產EDA企業(yè)而言，短期內要比肩三大國際巨頭尚是一種奢望。但通過對點工具的鉆研，國產EDA企業(yè)已陸續(xù)輸出了一些成果。隨著其產品將從客戶側匯集的經驗沉淀到一代又一代的工具迭代中，這些后起之秀正走出自己的路。
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