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前言：EDA被譽(yù)為“芯片之母”。半導(dǎo)體產(chǎn)品在設(shè)計(jì)過程中，需要通過EDA工具完成架構(gòu)設(shè)計(jì)、軟件仿真、硬件仿真和原型驗(yàn)證等。后摩爾時(shí)代，多樣化、異構(gòu)集成的芯片設(shè)計(jì)要求給EDA產(chǎn)品帶來全新的挑戰(zhàn)，技術(shù)迭代的號角已然吹響。在新技術(shù)序章中，新型EDA悄然入局，直面現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)。
2023年4月初，芯易薈(上海)芯片科技有限公司（以下簡稱：芯易薈；或ChipEasy）面向市場正式發(fā)布首款自主研發(fā)的領(lǐng)域?qū)Ｓ?a target="_blank">處理器生成工具FARMStudio。這是芯易薈首款自研產(chǎn)品，也是全球首款采用C語言描述的專用處理器生成工具。
該產(chǎn)品一經(jīng)推出，即因其對EDA工具的顛覆性定義和創(chuàng)新引發(fā)半導(dǎo)體業(yè)內(nèi)廣泛談?wù)?，該款產(chǎn)品創(chuàng)新點(diǎn)何在，解決問題能力如何？本文中，芯師爺將帶大家一同探索。
PART.1 ? EDA創(chuàng)新的必要性 ? ?
“在過去50余年間，通用處理器充分享受了摩爾定律持續(xù)發(fā)展的紅利。芯片晶體管數(shù)量約兩年翻一番的規(guī)律，使得芯片的設(shè)計(jì)幾乎不需要改變，在跑相同算法的時(shí)候就能效率翻倍，且成本更低。但隨著摩爾定律的放緩，它給芯片設(shè)計(jì)帶來的紅利期正在過去。通用處理器過兩年就性能翻倍的好事已經(jīng)不存在了。”芯易薈聯(lián)合創(chuàng)始人徐勇向芯師爺介紹道。
全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)大致按照摩爾定律發(fā)展了半個(gè)多世紀(jì)
資料來源：Our World in Data，圖源：尚普研究院
后摩爾時(shí)代，依靠增加晶體管密度來提升計(jì)算性能乏力，未來需要更多異構(gòu)集成的方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級芯片，在這種情況下，DSA（Domain Specific Architecture，特定領(lǐng)域架構(gòu)）興起。
DSA 指的是在特定領(lǐng)域內(nèi)設(shè)計(jì)定制的芯片架構(gòu)，使其能夠用于加速某些應(yīng)用程序，相對于通用型芯片，DSA芯片在特定的應(yīng)用場景中具備更好的性能和功耗優(yōu)化。
圖靈獎獲得者John Hennessy和David Patterson早在2017年曾盛贊DSA技術(shù)，認(rèn)為在CPU性能達(dá)到瓶頸的情況下，要大幅提高性能并且優(yōu)化成本和能耗的唯一途徑是DSA。市場也對DSA技術(shù)進(jìn)展反應(yīng)積極。2016年谷歌發(fā)布的TPUv1是第一款DSA架構(gòu)的處理器，自此，各種基于DSA概念而生的加速處理器如雨后春筍般涌現(xiàn)。不少近年來被廣泛應(yīng)用的芯片，如 GPU、NPU、DPU 以及新興的 AI 芯片等均為 DSA 產(chǎn)物。后摩爾時(shí)代，DSA 技術(shù)的應(yīng)用被寄望于進(jìn)一步推動芯片技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。
面對DSA的興起，芯片設(shè)計(jì)源頭EDA軟件如何適配新架構(gòu)完成芯片設(shè)計(jì)，成了新的挑戰(zhàn)。
在新的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)環(huán)境中，EDA面臨的挑戰(zhàn)還不止于此。隨著終端產(chǎn)品應(yīng)用場景急速變化，芯片原廠為了更快抓住市場機(jī)遇，滿足“風(fēng)口”產(chǎn)品需求，亟需縮短芯片的上市時(shí)間和提升自家芯片的競爭力。
在EDA環(huán)節(jié)，要同時(shí)助力芯片設(shè)計(jì)者完成這兩點(diǎn)并不容易?？s短芯片上市周期對EDA流程的工作提出了更高效率的要求，這意味著芯片設(shè)計(jì)者需借助EDA軟件快速完成開發(fā)甚至是迭代環(huán)節(jié)，最好一次流片成功；而提升芯片的競爭力則對應(yīng)所設(shè)計(jì)的芯片需實(shí)現(xiàn)行業(yè)領(lǐng)先的功耗、性能、面積（PPA）目標(biāo)，且在成本上還要能具備一定的優(yōu)勢。
芯片設(shè)計(jì)端對EDA環(huán)節(jié)提出了“既要又要”，芯片設(shè)計(jì)人才卻日益短缺。隨著芯片的使用范圍擴(kuò)大和在電子系統(tǒng)中的重要性彰顯，互聯(lián)網(wǎng)、汽車和手機(jī)等芯片主要應(yīng)用領(lǐng)域的廠家也不斷入局“造芯”，芯片設(shè)計(jì)人才成了業(yè)內(nèi)緊俏資源。《中國集成電路產(chǎn)業(yè)人才白皮書（2020-2021年版）》數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017-2020年期間，我國集成電路行業(yè)人員復(fù)合增長率為10.59%，設(shè)計(jì)業(yè)人員規(guī)模發(fā)展尤其突出，達(dá)10.18%。預(yù)計(jì)到2023年前后，設(shè)計(jì)業(yè)人才需求為28.83萬，人才缺口近9萬人。
如何打造使用成本更低、效率更高的新型平臺成了EDA環(huán)節(jié)助力芯片設(shè)計(jì)者的關(guān)鍵，對半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈而言更是意義重大。
PART.2 ? 以技術(shù)之長，重新定義EDA ? ?
技術(shù)創(chuàng)新，往往是解決技術(shù)應(yīng)用問題的破局思路。新銳企業(yè)的出現(xiàn)也常常是因?yàn)槠浒l(fā)現(xiàn)市場空缺，及時(shí)補(bǔ)位而誕生。芯易薈就是其中的實(shí)踐者，該團(tuán)隊(duì)經(jīng)過長時(shí)間的技術(shù)探索，對EDA當(dāng)前困境有了不一樣破局思路。
“專用處理器是半導(dǎo)體業(yè)內(nèi)的大趨勢，芯易薈選擇的是研發(fā)新型EDA工具這條路徑。我們將致力于降低EDA使用門檻，使其滿足各種不同特性化專用處理器的設(shè)計(jì)者需求，將專用處理器的開發(fā)和應(yīng)用推向更加繁榮狀態(tài)?！毙煊卤硎?。
為了達(dá)到目標(biāo)，芯易薈于今年4月初邁出了第一步——推出自動生成專用處理器的EDA工具——FARMStudio，該工具利用先進(jìn)的底層技術(shù)，針對豐富的應(yīng)用場景，可快速自動產(chǎn)生最佳匹配的軟硬件協(xié)同方案，以全新的EDA形態(tài)服務(wù)芯片設(shè)計(jì)企業(yè)及個(gè)人。
據(jù)發(fā)布會資料，F(xiàn)ARMStudio將其使用者定義為有算法突破者，這可能是傳統(tǒng)從事芯片設(shè)計(jì)者；也可以是在專用領(lǐng)域有算法突破，但不具備傳統(tǒng)的芯片設(shè)計(jì)能力，也不懂EDA工具工作流程細(xì)節(jié)的個(gè)人或者團(tuán)隊(duì)。
使用者只需在最初分析應(yīng)用層軟件和算法之后，將基礎(chǔ)核、“超級指令”和芯易薈提供的預(yù)置模板這三項(xiàng)輸入到FARMStudio工具中，“點(diǎn)一個(gè)按鈕”就能自動生成DSA硬件和軟件。其中，硬件包括RTL，以及綜合腳本、測試套件、FPGA開發(fā)環(huán)境，與驗(yàn)證環(huán)境。軟件則是工具鏈，包括編譯器、指令集仿真器(ISS)、性能仿真器(Profiler)、OS、數(shù)學(xué)庫、調(diào)試器、應(yīng)用軟件包等。
芯片設(shè)計(jì)者還能借助FARMStudio進(jìn)行快速的多輪迭代，在數(shù)周內(nèi)就完成算法固化，提升DSA處理器的性能和完成驗(yàn)證。
對比傳統(tǒng)EDA的使用方法，在芯片設(shè)計(jì)過程中，開發(fā)者通常需要耗費(fèi)數(shù)月甚至是年為單位的時(shí)間周期，F(xiàn)ARMStudio大大縮減了芯片設(shè)計(jì)的研發(fā)周期。由于FARMStudio是面向?qū)Ｓ锰幚砥鞯腅DA工具，其生成的產(chǎn)品在性能上表現(xiàn)也具備優(yōu)勢。
目前FARMStudio主要聚焦于打造專用架構(gòu)處理器。徐勇向芯師爺強(qiáng)調(diào)：“為了擴(kuò)大專用DSA的適用性，F(xiàn)ARMStudio不僅專注于加速某一個(gè)算法，更是加速某一類算法?！?/strong>
隨著數(shù)字化大潮的興起，DSP已成為AI、計(jì)算機(jī)視覺、音頻等領(lǐng)域的關(guān)鍵核心?；诖吮尘?，目前FARMStudio主要是面向工業(yè)控制、通信、計(jì)算機(jī)視覺、互聯(lián)網(wǎng)、AI、音頻等六大領(lǐng)域?qū)Ｓ锰幚砥鞯拈_發(fā)平臺。
FARMStudio發(fā)布會上，芯易薈市場總監(jiān)徐明介紹道：“DSP是目前芯片市場比較典型的例子，使用FARM設(shè)計(jì)方法學(xué)，提煉典型應(yīng)用場景的算法需求，聚焦不同應(yīng)用方向提供靈活的可選組件來加速DSP的設(shè)計(jì)、開發(fā)及驗(yàn)證流程。這其中也包括專用的加速指令，依托于強(qiáng)大的編譯器可以顯著提升性能和資源利用率。相較于已有的傳統(tǒng)DSP IP，能以更少的面積和功耗，更小的code size，獲得更極致的性能。”
這一切顛覆性的創(chuàng)新FARMStudio是如何做到的呢？據(jù)芯師爺了解，芯易薈的FARMStudio主要從四方面革新技術(shù)。
革新1 “經(jīng)驗(yàn)”共享，實(shí)現(xiàn)分鐘級自動生成
面對傳統(tǒng) EDA 工具提升效率的難點(diǎn)，F(xiàn)ARMStudio一上來就拿出了“殺手锏”——實(shí)現(xiàn)分鐘級的自動生成效率。
傳統(tǒng)的 EDA 工具使用“經(jīng)驗(yàn)法則”，需要設(shè)計(jì)人員根據(jù)個(gè)人或某一團(tuán)隊(duì)的經(jīng)驗(yàn)對設(shè)計(jì)流程進(jìn)行優(yōu)化。而FARMStudio恰恰是頂尖芯片設(shè)計(jì)人員的“經(jīng)驗(yàn)池”，這個(gè)工具是眾多芯片設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的集大成者，內(nèi)置了豐富的處理器設(shè)計(jì)可選配置，同時(shí)也提供豐富的預(yù)制模板資源供芯片設(shè)計(jì)者調(diào)用。如此，使用FARMStudio的芯片設(shè)計(jì)者將算法以C語言的形式輸入給系統(tǒng)，系統(tǒng)就會在數(shù)分鐘內(nèi)自動生成該算法的DSA處理器和配套工具鏈，最大程度縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。
“FARMStudio對于快速生成有明確的定義，利用FARMStudio做芯片的設(shè)計(jì)迭代，每次只需要幾分鐘，當(dāng)然，芯片在設(shè)計(jì)過程中可能需要無數(shù)次迭代，才能最終完成，但是從整個(gè)芯片設(shè)計(jì)的整個(gè)流程來說，典型案例表明：FARMStudio可以為開發(fā)者在芯片設(shè)計(jì)一環(huán)中節(jié)省90%的時(shí)間?！毙煊孪蛐編煚斀榻B。為了驗(yàn)證“分鐘級”的生成效率，芯易薈軟件副總裁張衛(wèi)航在FARMStudio也做了現(xiàn)場演示：利用FARMStudio實(shí)機(jī)演示三個(gè)專用處理器核生成過程，并演示了軟件仿真和debug的使用過程。演示證明，F(xiàn)ARMStudio的工作流程通暢，并可按需輸出結(jié)果。
“自動生成式”的研發(fā)方式，令FARMStudio在推出之初，就備受矚目。值得注意的是，這種自動生成式的EDA工具的誕生，引發(fā)業(yè)內(nèi)對其是否會取代人類芯片設(shè)計(jì)工程師的探討。對此，徐勇坦言：“FARMStudio所做的是加速芯片設(shè)計(jì)者的芯片設(shè)計(jì)流程，而非替代，F(xiàn)ARMStudio在當(dāng)前與人類設(shè)計(jì)工程師在速度和特有算法設(shè)計(jì)方面互補(bǔ)，能為產(chǎn)業(yè)提供更具備優(yōu)勢的芯片產(chǎn)品?！?/p>
徐勇補(bǔ)充，未來芯易薈還會不斷迭代FARMStudio，使更多重復(fù)性的工作整合至新的EDA工具中，將各式專用處理器更多新算法范式濃縮為新EDA工具理念，持續(xù)加速和完善芯片產(chǎn)品的研發(fā)流程。
革新2 設(shè)計(jì)、驗(yàn)證并行，降低決策風(fēng)險(xiǎn)
在傳統(tǒng)的芯片設(shè)計(jì)流程中，會根據(jù)應(yīng)用層軟件及算法對軟硬件功能拆分，然后再進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)及編碼性能優(yōu)化，最后進(jìn)入應(yīng)用層功能的驗(yàn)證。這很容易導(dǎo)致反復(fù)出現(xiàn)前端設(shè)計(jì)無法保證后端設(shè)計(jì)效果的“bug”，影響設(shè)計(jì)效率。
到了FARMStudio，流程設(shè)置有所變動。通過對應(yīng)用建模、算法模擬、算法分析和優(yōu)化等一系列技術(shù)升級，F(xiàn)ARMStudio能夠使架構(gòu)和軟硬件實(shí)現(xiàn)方案的決策完全基于確定的功能設(shè)計(jì)、驗(yàn)證結(jié)果和PPA數(shù)據(jù)，最大程度減少決策面臨的不確定性和風(fēng)險(xiǎn)，且硬件設(shè)計(jì)軟件化可實(shí)現(xiàn)芯片設(shè)計(jì)中修改困難的問題，幫助芯片設(shè)計(jì)者快速收斂和驗(yàn)證，最終快速迭代硬件設(shè)計(jì)以最佳的PPA實(shí)現(xiàn)，在降低成本的同時(shí)提升芯片質(zhì)量。
革新3 用C語言提升EDA普適性
在主流設(shè)計(jì)過程中，通常是用硬件描述語言Verilog完成設(shè)計(jì)文件，而FARMStudio是采用的是C語言。
關(guān)于選擇C語言的原因，徐勇解釋道：“一方面，我們是希望芯片的軟件和硬件的設(shè)計(jì)是使用同一種語言，全方位保障C to RTL 的正確性和一致性，這中底層設(shè)計(jì)涉及到非常復(fù)雜的數(shù)學(xué)問題，剛好我們團(tuán)隊(duì)可以做到，于是我們就選擇了以C語言作為設(shè)計(jì)描述語言；另一方面，我們希望借此創(chuàng)新來降低芯片設(shè)計(jì)的門檻，為這個(gè)行業(yè)增加更多的芯片開發(fā)人才。相較其它語言，C語言的學(xué)習(xí)門檻較低，在我國，甚至全球范圍內(nèi)，會C語言的工程師肯定比會Verilog的人多。我國會Verilog的人頂多是幾萬，但是會C語言的人至少有200-300萬，包括很多芯片設(shè)計(jì)公司的研發(fā)工程師，會C語言的人也是非常多的。從宏觀的層面來講，當(dāng)前芯片行業(yè)正處于高速發(fā)展階段，可以吸收更多源自互聯(lián)網(wǎng)、通訊領(lǐng)域的人才至芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)更好人才資源適配，也能解決芯片領(lǐng)域設(shè)計(jì)人才短缺的問題?！?/p>
C語言的使用顛覆了既往EDA的語言習(xí)慣，也使得新型的EDA工具有更廣闊的普適性，有了更多的可能。
革新4 工具基于RISC-V開發(fā)，自主可控
FARMStudio是基于RISC-V指令集開發(fā)的EDA工具，從知識產(chǎn)權(quán)方面來看，其擁有完整的技術(shù)儲備和開放的生態(tài)圈，有利于實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化、自主可控。在當(dāng)前的產(chǎn)業(yè)背景下，自主可控的知識產(chǎn)權(quán)顯得格外重要。
PART.3 ? 寫在最后：國產(chǎn)EDA走向更廣闊未來 ? ?
芯易薈的FARMStudio重新定義了EDA使用方式，簡單來說，其顛覆性體現(xiàn)于，該平臺利用應(yīng)用建模和算法優(yōu)化等“預(yù)處理”方式，“從內(nèi)到外”改變了EDA的工具屬性。“內(nèi)”變化在于，F(xiàn)ARMStudio以自動化的流程高效完成了芯片設(shè)計(jì)過程中的眾多決策，大大減少了開發(fā)者的重復(fù)性工作，并優(yōu)化了芯片設(shè)計(jì)路徑，使得芯片設(shè)計(jì)的周期縮短、性能提升、成本降低，提升了設(shè)計(jì)者的芯片競爭力；“外”在的改變在于，F(xiàn)ARMStudio對EDA工具使用者有了不一樣屬性定義：通過C語言、自動生成等功能，芯片設(shè)計(jì)者從傳統(tǒng)的芯片設(shè)計(jì)工程師擴(kuò)展至?xí)﨏語言、有獨(dú)特算法突破的開發(fā)者，這使得芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域可吸收的人才資源大大提升。在商業(yè)模式上，F(xiàn)ARMStudio還將個(gè)人開發(fā)者也列入了客戶名單中，鼓勵(lì)和助力著更多的開發(fā)者加入芯片設(shè)計(jì)的隊(duì)伍中。
不同領(lǐng)域人才涌入芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域，大量凝聚專業(yè)人才知識儲備和創(chuàng)新算法固化到集成電路中，有利于半導(dǎo)體產(chǎn)品走向更廣闊的未來。而伴隨著他們前進(jìn)的FARMStudio，也終將邁向新的發(fā)展征程。
作為國產(chǎn)EDA顛覆性創(chuàng)新賽道的先行者，我們有理由給予這家企業(yè)及其產(chǎn)品更多的期待。
編輯：黃飛
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