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雲端部署引領IC設計邁向全自動化
整合運算和設計資源

【作者: 吳雅婷】   2020年07月01日 星期三

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隨著科技應用走向智慧化、客製化,系統複雜度明顯增長,IC設計業者要搶占車用、通訊或物聯網等熱門市場,以強大運算力實現快速驗證與設計已不足夠,部署彈性和整合資源將成為開發的關鍵考量,雲端部署會是重要的一步棋。


通訊、車用和物聯網是未來IC應用的主要場域,尤其隨著持續開發人工智慧應用,以及擴大部署5G、Wi-Fi 6等新一代網路技術,這些頗具潛力的應用展現了強勁成長。


根據市調機構IC Insights上(6)月公布的研究顯示,消費性及通訊IC類仍居IC市場最高市佔率,至2024年預計將達35.5%,在近20年來成長幾近翻倍,速率驚人;車用類則呈現穩定成長,雖然市占率目前不到10%,但其年複合成長率(CAGR)在所有應用類別中表現最為突出,至2024年CAGR可能達9.7%。



圖一 : 市調機構IC Insights的最新研究顯示,消費性及通訊IC類位居IC市場最高市佔率,至2024年預計將達35.5%,車用類則呈現穩定成長,其年複合成長率(CAGR)在所有應用類別中表現最為突出,至2024年可能達9.7%。(source:icinsights.com)
圖一 : 市調機構IC Insights的最新研究顯示,消費性及通訊IC類位居IC市場最高市佔率,至2024年預計將達35.5%,車用類則呈現穩定成長,其年複合成長率(CAGR)在所有應用類別中表現最為突出,至2024年可能達9.7%。(source:icinsights.com)

就消費性及通訊應用來說,5G晶片已經成為發展指標,設計開發商面臨的挑戰,除了處理器、圖形運算晶片等基本運算力,更包括射頻前端模組、毫米波IC、人工智慧處理單元(APU)等AI和5G應用的硬體設計工作。不論是SoC或是晶片組,在功能性和運算規格要求上都將更為嚴苛,要應對這些設計挑戰,更快速、更智慧化且自動化的設計工具將成為必需。


若想搶占這些明星市場,晶片設計或開發商除了以縮短開發時程來搶奪上市先機之外,善用電腦設計工具與雲端平台,未來將能大幅增加開發規劃的整合資源與部署彈性,進而全面優化設計流程與產品開發效率。


其實EDA工具走上雲端這件事,已經討論有些時日。但由於雲端環境部署存在高度不確定性,資安、成本控制和設計系統轉移等技術和營運問題,仍待提出更多解決方案並加以驗證。IC設計要走向雲端,就要做好長期抗戰的準備。


益華電腦(Cadence)雲端事業發展副總Craig Johnson就表示,EDA客戶在最初洽談雲端EDA解決方案時,首要問題往往是該方案是否已有早期採用者。足見IC設計商對於部署環境的轉換,態度尤其謹慎。


然而,儘管EDA雲端解決方案的採用茲事體大,雲端環境具備快速升級運算效能、彈性部署及整合設計資源的能力,這些優點在5G和AI應用驅動的未來市場,將逐漸成為絕對優勢。EDA雲端方案的推出隨之更加活絡。


匯整雲端與就地部署的運算資源

在晶片設計環境採用雲端資源其實具備不同選擇,國際晶片大廠往往已建構具備相當規模與效能等級的基礎設施,因此,與其說是以雲端取代就地部署,不如說是將雲端納入IC設計系統,再藉由建立一個整合雲上雲下的整合開發平台,進行最有效率的設計工作環境部署。


行動應用晶片大廠Arm在去(2019)年AWS雲端科技發表會(AWS re:Invent)上就指出,在其設計流程中,電路設計、驗證和原型設計三大步驟就耗費85%左右的開發人力。此外,隨著晶片系統複雜度快速增長,開發時程卻被壓縮,驗證步驟所需進行的循環數量已經從十億級(gigacycles;109)飆升至百萬兆級(exacycles;1018)。


因此,Arm的異質開發平台也採用了雲端環境,未來將透過建置結合雲端和就地部署基礎設施的開發平台,並導入智慧化的排程代管服務(scheduler),就能將運算資源分配與設計需求管理工作交由Arm的異質開發平台處理,不僅最大化利用設計開發者的運算資源,更進一步邁向全自動化晶片設計的願景。



圖二 : Arm異質開發平台宣布採用雲端環境,透過建置結合雲端和就地部署基礎設施的開發平台,並導入智慧排程代管服務(scheduler),就能將運算資源分配與設計需求管理工作以自動化進行。(source:d1.awsstatic.com;製圖/CTIMES)
圖二 : Arm異質開發平台宣布採用雲端環境,透過建置結合雲端和就地部署基礎設施的開發平台,並導入智慧排程代管服務(scheduler),就能將運算資源分配與設計需求管理工作以自動化進行。(source:d1.awsstatic.com;製圖/CTIMES)

藉由導入雲端資源,晶片開發者將更容易整合繁瑣設計流程中的大量資料,也能與工程團隊更緊密合作,即時配合硬體設計的工程方法,在進行回歸驗證時也能更有效率。


此外,Cadence的專欄作家暨Breakfast Bytes編輯Paul McLellan就指出,Arm將設計工作部分移至雲端環境,主要的驅動因素就是元件庫特徵化(cell library characterization)。


元件庫通常涵蓋數以百計的元件資料,而每個元件的模擬工作各不相同,因為運行的溫度、電壓和製程可能都有差異,因此將元件庫特徵化就需要耗費大量的CPU運算力。


Paul McLellan進一步表示,採用雲端設計環境最大的好處,就是自CPU導向轉為人為導向的典範移轉。他舉例,與其採用4個月的雲端運算方案,集中運算工作至1個月,不僅能降低35%的成本,運算時間也減少了30%。


整合多方資源的全自動設計流程

顧名思義,EDA工具是高度自動化的設計資源,然而,隨著晶片設計越趨複雜,不同軟硬體設計語言、元件功能設定和處理器架構,都帶給EDA更多的挑戰。因此,自動化功能也需與時俱進,增添更多設計工具。


開源架構RISC-V的IP供應商SiFive就以雲端建構其SoC和處理器開發平台,藉此,他們希望能夠達成在數周內完成電路設計、原型設計到送交樣品的開發流程。


除了加快開發時程,雲端資源更可以開放多個雲端供應商、IC設計商和製造商共享晶片設計平台。SiFive推出的首款相容於Linux作業系統的64位元多核RISC-V處理器Freedom Unleashed 540(U540),就是在台積電開放創新平台虛擬設計環境(OIP VDE)上完成設計。


該平台結合了微軟雲端平台Azure、Cadence與Synopsys專業的EDA技術資源,再加上台積電的製程技術、設計套件和參考流程等資料,提供一個雲端EDA的成果開發案例。


SiFive首席執行長Naveed Sherwani曾表示,要實現真正的自動化設計,設計者僅需提供RTL層級的硬體語言,剩下的運算工作就交由雲端平台處理,設計者甚至不需處理Chisel語言,直接進行C語言設計工作。


藉由更完善部署雲端設計界面,晶片開發工作將更便利快速,此外,融合更多IP資源也是雲端EDA的另一優勢,能夠滿足未來特定應用領域中人工智慧加速器的客製需求。


SiFive日前更宣布與EDA大廠Synopsys合作,在Microsoft Azure雲端平台上整合Synopsys的開發與驗證資源,持續為未來SoC晶片設計建構自動化功能。


結語

雲端環境適合整合多方資源,例如EDA供應商的設計工具、第三方IP、晶圓廠製程設計套件(process design kit;PDK)等。隨著雲端服務的供應鏈與技術發展漸趨成熟,不論是採用公有雲、私有雲或混合雲等多元部署模式,都將能助力IC設計為IT產業開發注入活水,提升設計彈性與加速開發時程,在異質整合、VLSI、AI等高階晶片需求增長的時代,進一步實現全自動化設計流程。


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