后摩爾時(shí)代，新思科技如何應(yīng)對(duì)IC設(shè)計(jì)的5大挑戰(zhàn)

從1965年摩爾定律被提出至今，不到60年的時(shí)間里，集成電路制程工藝取得了飛躍式發(fā)展。

北京時(shí)間9月13日凌晨，隨著蘋(píng)果發(fā)布最新機(jī)型iPhone 15 pro/15 Pro Max，搭載A17 pro，意味著人類(lèi)正式邁入3納米時(shí)代。

事實(shí)上，早在芯片設(shè)計(jì)進(jìn)入納米時(shí)代之后，布局布線(xiàn)的復(fù)雜度便呈指數(shù)增長(zhǎng)，從布局規(guī)劃到布局布線(xiàn)，時(shí)鐘樹(shù)綜合，每一步涉及到的算法在近年都有顛覆性的革新。這些步驟，都高度的依賴(lài)EDA工具。因此，EDA軟件也被譽(yù)為“芯片之母”。

EDA是英文Electronic Design Automation的縮寫(xiě)，翻譯成漢語(yǔ)就是電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化。

如果說(shuō)摩爾定律時(shí)代是EDA的1.0版，那么隨著摩爾定律逼近物理極限（1nm），一種全新對(duì)系統(tǒng)級(jí)芯片的定義被審視。

先進(jìn)封裝加持AI，EDA進(jìn)入了2.0時(shí)代。在EDA 2.0時(shí)代，“功耗低、性能優(yōu)、成本低”所構(gòu)筑的“不可能三角”將帶來(lái)哪些新挑戰(zhàn)，半導(dǎo)體設(shè)計(jì)廠(chǎng)商又該如何應(yīng)對(duì)？

新思科技——這家全球第15大軟件公司，長(zhǎng)期以來(lái)一直是EDA和半導(dǎo)體IP領(lǐng)域的全球領(lǐng)導(dǎo)者，在剛剛舉辦的9月8日“2023新思科技開(kāi)發(fā)者大會(huì)”上，新思科技全球總裁Sassine Ghazi進(jìn)一步闡述了對(duì)IC設(shè)計(jì)的未來(lái)以及EDA工具發(fā)展新趨勢(shì)。

芯片設(shè)計(jì)的五大挑戰(zhàn)

在主題演講中，新思科技全球總裁Sassine Ghazi前瞻性地提出了在SysMoore時(shí)代下芯片開(kāi)發(fā)者將面臨的五大維度挑戰(zhàn)：軟件復(fù)雜性、系統(tǒng)復(fù)雜性、能效、信息安全和功能安全以及產(chǎn)品上市時(shí)間。

Sassine Ghazi先生指出，未來(lái)，移動(dòng)通信與5G、個(gè)人電腦與游戲、消費(fèi)電子、智能駕駛、AI和數(shù)據(jù)中心這五大領(lǐng)域引領(lǐng)科技創(chuàng)新航向。

當(dāng)前，這些領(lǐng)域的創(chuàng)新一直在停留在軟件層面。而半導(dǎo)體芯片的創(chuàng)新能力，以及芯片與系統(tǒng)和軟件連接的能力，將真正驅(qū)動(dòng)并加速創(chuàng)新步伐。

創(chuàng)新存在于芯片和軟件的交叉點(diǎn)

半導(dǎo)體市場(chǎng)經(jīng)過(guò)60年發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了5萬(wàn)億美元的規(guī)模。但現(xiàn)在，僅需要再花7年時(shí)間，就能實(shí)現(xiàn)另一個(gè)5萬(wàn)億美元的規(guī)模。這是由五大應(yīng)用領(lǐng)域的需求指數(shù)級(jí)增加所帶來(lái)的。

“半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正處于一個(gè)顛覆和創(chuàng)新的重要時(shí)刻?！盨assine Ghazi先生表示。

過(guò)去的60年里，我們?cè)凇澳柖伞钡闹敢虑斑M(jìn)。我們的創(chuàng)新有一個(gè)特定的節(jié)奏，每?jī)赡昃桶鸭呻娐分械?a target="_blank">晶體管數(shù)量翻一番?；叵胍幌逻@個(gè)節(jié)奏，它不僅是半導(dǎo)體公司創(chuàng)新的核心，也是系統(tǒng)公司創(chuàng)新的核心。因?yàn)橄到y(tǒng)公司認(rèn)為，他們每隔兩年就可以提高性能和功耗來(lái)升級(jí)自己的產(chǎn)品。

現(xiàn)在很多人質(zhì)疑，“摩爾定律”是走到盡頭了?！皬募夹g(shù)角度看，我不認(rèn)為摩爾定律到了盡頭。但是，這張圖展示的是摩爾定律的可負(fù)擔(dān)性以及每平方毫米良品芯片的成本。你可以看到，在14和16納米后，每平方毫米的制造成本是呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的?！盨assine Ghazi先生談到。

現(xiàn)在，許多應(yīng)用領(lǐng)域仍然沿著這個(gè)模型趨勢(shì)前進(jìn)。這張圖中可以看到，我們有很多機(jī)會(huì)可以沿著摩爾定律的延續(xù)進(jìn)行優(yōu)化。這就是我們?yōu)槭裁葱枰狝I加速芯片、GPU、CPU，去榨干它們的性能，然后繼續(xù)沿著摩爾定律的路徑前進(jìn)。這就是我們所說(shuō)的“規(guī)模復(fù)雜性”。還有另一個(gè)優(yōu)化的方向叫做“系統(tǒng)的復(fù)雜性”或“系統(tǒng)復(fù)雜性”。

對(duì)此，國(guó)際頭部EDA廠(chǎng)商——新思科技提出了新的發(fā)展模式，即SysMoore，在系統(tǒng)層面對(duì)性能進(jìn)行優(yōu)化，而不單單是從晶圓當(dāng)中所集成的晶體管數(shù)量的層面去優(yōu)化性能。

新思科技領(lǐng)先工具應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)

以汽車(chē)行業(yè)為例，過(guò)去5年中，汽車(chē)行業(yè)在“軟件復(fù)雜性、系統(tǒng)復(fù)雜性、能效、信息安全和功能安全以及產(chǎn)品上市時(shí)間”這五大方面都出現(xiàn)了重大的挑戰(zhàn)。

如今，一輛現(xiàn)代化的汽車(chē)上大概運(yùn)行著1億行代碼，到2030年將超過(guò)3億行。3億行個(gè)什么概念呢？比如新思科技深耕軟件行業(yè)多年，產(chǎn)品種類(lèi)豐富而全面，如今，新思科技公司37年的積累大約擁有3億行代碼量。而現(xiàn)在，一臺(tái)汽車(chē)就能擁有這么多代碼了。

這是由于，現(xiàn)代化汽車(chē)通過(guò)中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接了多個(gè)區(qū)域。可以像使用手機(jī)一樣更好地對(duì)汽車(chē)進(jìn)行管理，對(duì)軟件和功能進(jìn)行升級(jí)和更新。汽車(chē)將實(shí)現(xiàn)互聯(lián)和智能，汽車(chē)可以與車(chē)主相連，還可以連另一輛汽車(chē)、或是連另一個(gè)城市，而所有這些都由軟件驅(qū)動(dòng)。

有機(jī)構(gòu)預(yù)計(jì)，到2029-2030年末，也就是7年內(nèi)，軟件定義汽車(chē)也就是SDV的占比將超過(guò)汽車(chē)總量的90%。而現(xiàn)在這個(gè)比例僅僅接近5%。

未來(lái)，軟件定義汽車(chē)的比例將從5%上升到90%。這樣的發(fā)展趨勢(shì)下，如何在連接汽車(chē)的硬件上對(duì)大量軟件進(jìn)行建模和驗(yàn)證？

新思科技通過(guò)電子數(shù)字孿生技術(shù)創(chuàng)建虛擬模型及進(jìn)行硬件輔助軟件開(kāi)發(fā)，應(yīng)對(duì)軟件復(fù)雜性挑戰(zhàn)。

虛擬數(shù)字孿生，你可以通過(guò)它創(chuàng)建汽車(chē)整個(gè)系統(tǒng)的虛擬模型。該虛擬模型是在真車(chē)落地之前，在軟件層面的完整實(shí)現(xiàn)。一旦有了實(shí)物硬件，就可以進(jìn)行硬件輔助軟件開(kāi)發(fā)，還可以將兩者結(jié)合起來(lái)，其中一部分是可視化系統(tǒng)，另一部分是通過(guò)軟件驗(yàn)證的硬件模型?；谖覀?cè)谟布o助驗(yàn)證方面的效率、性能和能力，新思科技在這兩個(gè)領(lǐng)域都處于領(lǐng)先地位。從移動(dòng)領(lǐng)域開(kāi)始，我們就一直致力于虛擬原型的開(kāi)發(fā)，現(xiàn)在我們正在將這一理念帶入汽車(chē)領(lǐng)域。

談到了摩爾定律放緩以及摩爾定律的成本。那么，替代方案是什么？如果不按照摩爾定律的指導(dǎo)進(jìn)行優(yōu)化，如何才能繼續(xù)創(chuàng)新？這就是系統(tǒng)復(fù)雜性帶來(lái)的困難。

新思對(duì)這一問(wèn)題的解答是：以3DIC Compiler、Die-to-Die接口及芯片全生命周期管理助力多裸晶芯片系統(tǒng)創(chuàng)新。

目前，汽車(chē)電子占整個(gè)多裸晶芯片系統(tǒng)份額的13%，并且正在快速增長(zhǎng)。如果汽車(chē)自動(dòng)駕駛級(jí)別從當(dāng)前的L0-L2,到L4、L5，那么在汽車(chē)半導(dǎo)體投入將提升50倍，才能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛、高級(jí)輔助駕駛（ADAS）類(lèi)型的互聯(lián)汽車(chē)。這對(duì)硬件的復(fù)雜性和可負(fù)擔(dān)性構(gòu)成了巨大挑戰(zhàn)。

我們可以采用流行的多裸晶芯片方式，選擇哪些功能需要采用最先進(jìn)的技術(shù)，哪些功能可以采用16納米或7納米技術(shù)，然后把它們組合在一個(gè)系統(tǒng)中并整合到一個(gè)封裝內(nèi)。

新思科技在5、6年前就關(guān)注到了業(yè)界的創(chuàng)新正在轉(zhuǎn)向這一趨勢(shì)。據(jù)估計(jì)，到2026年，約20%的芯片系統(tǒng)將采用多裸晶芯片或3DIC技術(shù)，到2030年，這一比例將上升到40%。未來(lái)，在整個(gè)芯片設(shè)計(jì)中，40%的多裸晶芯片系統(tǒng)將是3D的。新思科技推出的3DIC compiler和Die-to-Die接口及芯片全生命周期管理能夠幫助多裸晶芯片系統(tǒng)研發(fā)與創(chuàng)新。

而對(duì)于汽車(chē)功耗面對(duì)的挑戰(zhàn)，新思科技提出了可覆蓋架構(gòu)、RTL、實(shí)施到簽核的完整流程的端到端低功耗解決方案。

數(shù)據(jù)顯示，平均每輛電動(dòng)汽車(chē)消耗20千瓦時(shí)電量只能行駛100公里，相當(dāng)于一個(gè)獨(dú)棟別墅一天的用電量。而當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)數(shù)量呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，又需要行駛幾百、上千公里時(shí)，如何降低能耗、提升每輛汽車(chē)的能源利用效率?

新思科技推出了端到端低功耗解決方案，可覆蓋架構(gòu)、RTL、實(shí)施到簽核的完整流程。

2022年，12%的網(wǎng)絡(luò)攻擊都是針對(duì)汽車(chē)的。到2030年，電動(dòng)汽車(chē)的數(shù)量會(huì)大幅增加。2022年，超過(guò)一千萬(wàn)輛汽車(chē)因功能安全隱患(在美國(guó))被召回。其中很多都是由軟件和半導(dǎo)體芯片導(dǎo)致的功能安全隱患。

因此信息安全和功能安全至關(guān)重要，是信息技術(shù)可靠性的重中之重。鑒于汽車(chē)主要由軟件和芯片、半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)，汽車(chē)的可靠性就變得至關(guān)重要。

對(duì)于汽車(chē)的功能安全和信息安全，新思科技利用包括芯片、系統(tǒng)及應(yīng)用層面的三階段芯片生命周期管理得以保護(hù)。第一是，監(jiān)控芯片的健康狀況，在芯片內(nèi)部嵌入監(jiān)控器、傳感器和路徑監(jiān)控，以持續(xù)跟蹤和測(cè)量整個(gè)芯片的性能和功耗。第二是，預(yù)測(cè)性維護(hù)。當(dāng)了解了芯片健康狀況，對(duì)多系統(tǒng)或多車(chē)輛進(jìn)行應(yīng)用管理，這也是提高實(shí)地車(chē)輛安全性和可靠性。

最后是產(chǎn)品的上市時(shí)間，在西方國(guó)家汽車(chē)制造商生產(chǎn)自動(dòng)駕駛汽車(chē)，如果從零開(kāi)始研發(fā)汽車(chē)芯片，那么從開(kāi)始開(kāi)發(fā)到投產(chǎn)的周期大約為6到7年。中國(guó)汽車(chē)制造商周期相對(duì)更短，但人才缺口也是十分棘手的問(wèn)題。

因此，更多企業(yè)加入利用AI加快產(chǎn)品上市的進(jìn)程，用AI大大縮短產(chǎn)品上市時(shí)間、提高工作效率并實(shí)現(xiàn)更好的設(shè)計(jì)結(jié)果等。

今年，新思科技推出了業(yè)界首個(gè)AI驅(qū)動(dòng)型全棧式EDA解決方案Synopsys.ai。截止目前，DSO.ai已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)超過(guò)270次商業(yè)流片。與此同時(shí)，新思科技所提供的廣泛的IP組合也為開(kāi)發(fā)者大幅提升生產(chǎn)率，加速產(chǎn)品上市速度。

最后，Sassine Ghazi先生強(qiáng)調(diào)：“中國(guó)約占全球半導(dǎo)體芯片消費(fèi)量的50%，中國(guó)的需求和技術(shù)創(chuàng)新也持續(xù)影響著全球技術(shù)發(fā)展的風(fēng)向。新思科技已深耕中國(guó)市場(chǎng)28年，支持中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展?！蔽磥?lái)，新思科技將繼續(xù)攜手產(chǎn)業(yè)上下游的合作伙伴，繼續(xù)推動(dòng)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)加速發(fā)展。