EDA工具的發展方向猜想

我們可以從幾個不同的層面來看系統創新的新范式。從自頂向下的邏輯來看，目前以AI為代表的新興應用需要的是專用化（domain specific）計算，即為了相應算法做特別優化的系統架構，并且實現相關的芯片設計。一旦使用domain specific設計，通常可以把整個芯片系統的性能效率提升一個數量級。但是，如何加速這樣的domain specific設計，從軟件算法映射到芯片架構甚至晶體管級設計的優化，就是EDA行業的挑戰了。值得注意的是，通常來說從軟件設計和芯片設計之間的鴻溝很深，因此需要EDA工具做大量的創新才能支持這一類的快速domain specific自頂向下設計范式。

AMD在DAC 2022的主題演講中強調了domain specific是下一代芯片性能提升的主要驅動力

除了上層的算法創新驅動的domain specific芯片架構之外，下一代的系統級集成創新技術也是芯片系統性能進一步提升的重要動力。這些技術中目前最值得關注的就是高級封裝技術。一般來說，芯片的集成度和良率之間存在一個矛盾，即芯片中集成的晶體管數越多，芯片的良率也會越低，這個問題在成本很高的尖端半導體工藝節點尤為嚴重。高級封裝可以在保證芯片良率的情況下大大提升集成度：通過chiplet技術，每個chiplet上的晶體管數量可以做到較低，這樣chiplet的良率可以得到保證，同時使用2.5D/3D集成技術，可以把chiplet很好地集成在一起，從而提升集成度，而通過提升集成度，芯片系統的性能可以得到進一步提升。可以說高級封裝技術解決了尖端半導體工藝的燃眉之急并且驅動了半導體芯片性能的可持續提升，因此其重要度不言而喻。

最后，從底層半導體工藝和器件設計的角度，如何將半導體工藝設計和系統級設計結合起來，針對上層系統的需求來設計相關的器件和工藝參數，也成為了推動半導體芯片進一步提升性能的新設計范式。這樣的新設計思路稱為STCO (System Technology Co-optimization，即工藝－系統協同設計）。目前，STCO已經成為半導體工業業界研發的重要方向之一，在不久前召開的IEDM 2022會議上，Intel在其主題演講中就強調了STCO將會成為推動半導體工藝發展的主要動力，需要能把半導體工藝設計和上層的系統設計打通，而這也是下一代EDA的關鍵賦能方向。

如前所述，無論是自頂向下（算法映射到芯片）還是自底向上（考慮到上層系統架構的半導體工藝設計和優化），都需要能把本來在芯片EDA系統中相對割裂（甚至本來沒有包括在EDA流程中）的幾個環節打通。而這樣的環節打通，將會讓EDA軟件更加平臺化，能覆蓋整體芯片系統設計流程中的更多步驟，最終實現全局最優（而并非只是找到每一個步驟中的局部最優），并且為下一代芯片系統的性能進一步提升提供支持。

舉例來說，AMD在今年早些時候的DAC 2022會議的主題演講中就從芯片設計公司的角度提出了打通這些環節的一個例子，即AMD的計算平臺設計。為了實現這樣的高性能計算平臺設計，AMD需要能把上層軟件系統（例如運行算法的Pytorch框架）、chiplet高級封裝技術、以及底層的芯片IP/互聯都納入協同優化的范圍內，從而AMD在演講中指出，EDA行業需要能提供一個整體的解決方案，從而能幫助AMD這樣的芯片設計公司完成芯片系統設計中的端到端優化任務并且找到全局最優。

我們認為，EDA行業如果要實現這樣的系統－芯片端到端協同設計優化需求，并且滿足下一代芯片的新技術和設計的新流程，需要在兩個方面做創新。第一個方面是，如何保證EDA工具能至少覆蓋整個流程中的每個環節。目前，芯片EDA工具在SoC層面的綜合和驗證方面已經比較成熟，但是在新的芯片設計中，還有一些環節需要EDA行業繼續加強。

Cadence在DAC 2022的主題演講中，認為EDA行業需要進一步加強研發投入提升成熟度的環節包括（1）系統級設計分析和綜合，包括算法/軟件和電子系統層面的建模、分析和驗證（2）在封裝層面，對于新技術的支持，這些新技術包括高級封裝（chiplet，2.5D/3D集成等）以及硅光子等（3）在晶體管級別，需要對于新器件新工藝（例如碳納米管，甚至量子計算器件）的支持。

在EDA能支持這些環節之后，下一個非常重要的工作就是把這些處于不同層面的環節都打通，從而能在一個EDA平臺中實現從算法到晶體管的端到端優化。理想情況下，用戶給EDA工具一個算法（或系統定義），EDA可以自動把算法或系統映射到對應的最優系統架構模塊設計，并且在中間層給出該系統最優的封裝級設計（例如如何把系統拆分為不同的chiplet），然后對于每個chiplet做RTL級別和物理層面的綜合，最后給出一個在全局上最優的復雜芯片系統。在這樣的設計流程中，每一個環節之間都必須能較為緊密地耦合在一起，才能實現全局化的最優設計。目前，這樣的EDA系統并不存在，而這也是Synopsys、Cadence和Simense等EDA巨頭都在大力研發的方向，可以說率先實現這樣端到端EDA系統平臺設計的公司有很大機會能引領下一代EDA。

半導體行業對于下一代端到端優化的EDA需求，首先對于產品線較為完整的EDA老牌公司有較大優勢，因為如上所述，端到端優化需要首先EDA軟件能覆蓋其中的每個環節，因此如果EDA公司目前相關的產品線已經能覆蓋大部分的環節，那么這些公司就相對于其他產品線不怎么完整的公司來說有先發優勢。目前來看，EDA行業中的巨頭大公司也通常有更完整的產品線，因此在下一代芯片－系統協同優化的范式成為主流之后，這些巨頭公司也會有先發優勢，或者換句話說會把EDA系統市場進入門檻變得更高。

對于中國EDA廠商來說，芯片－系統協同優化是一個新的挑戰，其主要的原因在于目前中國EDA公司主要還在補齊這一代EDA系統基本環節中核心組件（例如模擬仿真，布局布線等），而對于系統級的環節涉獵不多。這一方面需要中國EDA行業加強努力，另一方面也預示著專注于某一個環節的“小而美”EDA公司的相對價值相比能覆蓋全流程的公司來說會越來越小，未來可能會成為EDA產業中公司互相整合的動力之一。

本文來自微信公眾號“半導體行業觀察”（ID:icbank），作者：李飛，36氪經授權發布。