芯片邁向系統(tǒng)化時代：EDA 軟件的創(chuàng)新之路

在數(shù)字化時代的浪潮中，5G、人工智能和智能汽車等尖端技術(shù)正在以前所未有的速度改變我們的生活和工作環(huán)境。顯然，在這股科技浪潮中，芯片已不再是單一的硬件組件，而是一個融合了多項(xiàng)技術(shù)與創(chuàng)新的復(fù)雜系統(tǒng)。在此背景下，電子設(shè)計(jì)自動化（EDA）也在經(jīng)歷重要的轉(zhuǎn)型。

近日，Cadence 全球副總裁兼多物理場仿真事業(yè)部總經(jīng)理顧鑫先生接受了 AspenCore 亞太區(qū)總經(jīng)理、總分析師張毓波先生的獨(dú)家專訪，深入討論了 EDA 行業(yè)面臨的新趨勢和挑戰(zhàn)。在交談中，顧鑫特別指出了多物理場分析在現(xiàn)代芯片設(shè)計(jì)中的重要地位，并認(rèn)為計(jì)算流體力學(xué)有巨大的發(fā)展?jié)摿?。他還詳細(xì)探討了并行計(jì)算和人工智能（AI）如何在 EDA 的進(jìn)步中扮演關(guān)鍵角色，推動行業(yè)不斷前進(jìn)。

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顧鑫

Cadence 全球副總裁兼多物理場仿真事業(yè)部總經(jīng)理

獨(dú)家專訪視頻

01

芯片設(shè)計(jì)學(xué)發(fā)生了根本性的變革

隨著半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展進(jìn)入 3 納米工藝節(jié)點(diǎn)，我們正見證摩爾定律逼近其物理界限。然而，全球的芯片工程師們并未停下腳步，他們正從架構(gòu)、材料、以及封裝等多個角度合力推動工藝的進(jìn)一步微縮，以延續(xù)摩爾定律的腳步。Cadence 全球副總裁兼多物理場仿真事業(yè)部總經(jīng)理顧鑫表示：“根據(jù)我們從代工合作伙伴那里獲得的信息，芯片技術(shù)發(fā)展到 1 納米，甚至是低至 9 至 10 埃的技術(shù)，這些在當(dāng)前看來都是可行的?！?/p>

然而，每一個新節(jié)點(diǎn)的突破，都意味著更多技術(shù)挑戰(zhàn)的出現(xiàn)。而且隨著越來越多的半導(dǎo)體設(shè)計(jì)公司轉(zhuǎn)向 3D IC 這樣的新技術(shù)，并傾向于使用更精密的封裝技術(shù)和更復(fù)雜的 PCB 來提升芯片的整體性能，互聯(lián)、熱管理、制造流程的復(fù)雜性等一系列挑戰(zhàn)隨之而來。這一切都在促使業(yè)界從根本上重新審視芯片設(shè)計(jì)的方法論。

過去，設(shè)計(jì)師們可能更關(guān)注于電性能的優(yōu)化，但在當(dāng)前環(huán)境下，他們必須同時兼顧電、熱、磁、光和機(jī)械等多個物理域的相互作用。伴隨著這種轉(zhuǎn)變，芯片設(shè)計(jì)的進(jìn)步越來越依賴于 EDA 軟件的發(fā)展。這些高級軟件工具能夠更有效地模擬和預(yù)測多物理效應(yīng)的相互作用，幫助設(shè)計(jì)師在實(shí)際制造之前識別和解決潛在的設(shè)計(jì)問題。

02

面向系統(tǒng)級優(yōu)化：EDA 軟件的轉(zhuǎn)型與升級

正是看到了 IC 設(shè)計(jì)模式轉(zhuǎn)變的發(fā)展趨勢，Cadence 在 2019 年推出了其“智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)（Intelligent System Design）”戰(zhàn)略，憑借在 EDA 領(lǐng)域多年的數(shù)值仿真技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，提供了一系列針對多物理場問題的前沿 EDA 工具。這一戰(zhàn)略性舉措不僅有效地解決了芯片系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中的復(fù)雜挑戰(zhàn)，還為行業(yè)中的棘手問題帶來了高效而精準(zhǔn)的解決方案。

Clarity 3D Solver 是 Cadence 開發(fā)的第一款系統(tǒng)級的仿真工具，它是一款基于 FEM 的 3D 全波求解器。據(jù)顧鑫的介紹，Clarity 有很多革命性的技術(shù)突破，其中最重要的有兩點(diǎn)：

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Clarity 3D Solver 使用了大規(guī)模并行計(jì)算技術(shù)，可以利用多個 CPU 核心進(jìn)行電磁仿真，大大減少了計(jì)算時間，并且得到了高達(dá) 10 倍的電磁仿真性能提升，甚至在某些情況下達(dá)到了近 40 倍的性能增長，幫助客戶實(shí)現(xiàn)了彈性計(jì)算。

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為了提高設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確性，Clarity 3D Solver 可以與 Cadence 的其他 EDA 解決方案如 Allegro、Virtuoso 和 Innovus 等無縫集成，使工程師可以在一個統(tǒng)一的設(shè)計(jì)環(huán)境中工作。

從應(yīng)用上來看，Clarity 3D Solver 尤其適用于需要高頻3D電磁（EM）分析的應(yīng)用，如 5G 通信、汽車?yán)走_(dá)、高性能計(jì)算和其他要求嚴(yán)格的高速電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

03

熱管理，成為多物理場仿真最重要的一環(huán)

隨著現(xiàn)代芯片通過使用先進(jìn)封裝技術(shù)和硅基板（Interposer）實(shí)現(xiàn)更多晶體管的堆疊，熱量急劇增加，散熱成為廠商頭疼的問題。一些廠商反映，經(jīng)過他們的實(shí)際測量，在單個封裝或芯片中，溫度梯度在芯片上不同區(qū)域的溫度的差別可以超過 30 度，這種狀況對于確保芯片的可靠性和性能表現(xiàn)提出了巨大的挑戰(zhàn)。熱管理已成為多物理場仿真中極其重要的一環(huán)。

針對熱管理的挑戰(zhàn)，Cadence 于 2020 年推出了Celsius 3D Thermal Solver，這是業(yè)內(nèi)首款專為 3D IC 設(shè)計(jì)定制的熱仿真工具。Celsius 采用了一種創(chuàng)新的方法，它結(jié)合了有限元方法（FEM）和計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)。使用 CFD 解決整個系統(tǒng)周圍的空氣流問題，然后利用這些數(shù)據(jù)作為邊界條件，通過 FEM 解決整個封裝和芯片的熱梯度問題，從而在精確度和性能之間找到了很好的平衡。

在芯片設(shè)計(jì)當(dāng)中，電力與熱能的關(guān)系密不可分，而且無論是電磁場還是電源管理，或是信號完整性（SI/PI），最后都會通過熱耦合在一起。因此，進(jìn)行精確的電源網(wǎng)絡(luò)分析是至關(guān)重要的。Cadence 的 Voltus 和 Voltus-Fi 是專門分析芯片內(nèi)部電源網(wǎng)絡(luò)的軟件。與 Clarity 和 Celsius 側(cè)重于系統(tǒng)級有所不同，Voltus 和 Voltus-Fi 主要在 EDA 領(lǐng)域中發(fā)揮作用，專注于芯片級的電源問題。通過提供精確的電源網(wǎng)絡(luò)分析，這些工具能夠?yàn)檎麄€系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率做出重要貢獻(xiàn)。

在過去四年中，Voltus 的業(yè)務(wù)得到了快速增長，體現(xiàn)了它在當(dāng)今多物理分析過程中的重要性。而 Voltus 能夠取得如此大成功，顧鑫分析到主要有兩點(diǎn)原因：首先，Voltus 工具也采用了大量的大規(guī)模并行計(jì)算技術(shù)；再就是 Cadence 所具備完整設(shè)計(jì)流程的傳統(tǒng)優(yōu)勢，起到了很大的帶動作用，例如，在數(shù)字 SoC 領(lǐng)域，Voltus 可以與 Cadence 的旗艦設(shè)計(jì)平臺 Innovus 緊密結(jié)合，幫助客戶獲得最佳的 PPA。

04

通過并購積蓄力量，邁入 CFD 新征途

除了多物理場分析，計(jì)算流體力學(xué)（CFD）同樣是一個充滿潛力的研究領(lǐng)域。根據(jù)行業(yè)研究機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)，CFD 市場的估值大約在 16 億到 20 億美元之間。工程師和科學(xué)家正借助 CFD 仿真技術(shù)來應(yīng)對一系列復(fù)雜挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)涵蓋了從汽車和飛機(jī)的氣動性能仿真，到環(huán)境工程中的風(fēng)噪聲仿真等多個方面。一個鮮明的案例是，在疫情期間，醫(yī)療健康專家就利用 CFD 技術(shù)，來模擬并分析病毒在各種環(huán)境中的傳播途徑，從而為防疫措施提供科學(xué)依據(jù)。

Cadence 也瞄準(zhǔn)了 CFD 領(lǐng)域，在 2021 年至 2022 年間 Cadence 相繼收購了包括 NUMECA International、Cascade Technologies、Future Facilities、Coupled Numerics 以及 Pointwise 在內(nèi)的五家 CFD 專業(yè)公司。通過收購，Cadence 踏入了 CFD 領(lǐng)域，并將這 5 家公司各自獨(dú)特的技術(shù)與 Cadence 的技術(shù)相融合，并推出了 Fidelity 這一新產(chǎn)品。目前 Fidelity 已經(jīng)與許多客戶進(jìn)行了成功的驗(yàn)證，例如 2022 年 Cadence 與 McLaren F1 車隊(duì)達(dá)成了一項(xiàng)長期技術(shù)合作協(xié)議。

05

發(fā)展 EDA，重在生態(tài)的構(gòu)建

如今，越來越多的芯片廠商，包括微軟、英特爾、高通等，正積極向系統(tǒng)層面擴(kuò)展。他們面臨的挑戰(zhàn)不僅僅是提升芯片的性能，更需要在宏觀層面綜合評估整個電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能。這種趨勢使得系統(tǒng)廠商對 EDA 廠商的支持和密切合作需求日益迫切。

特別是當(dāng)芯片技術(shù)發(fā)展到 3 納米，甚至是 2 納米、1 納米的微觀領(lǐng)域時，EDA 廠商的角色變得更加重要。他們是連接代工廠和設(shè)計(jì)廠商的重要橋梁，需要在工藝開發(fā)的早期階段協(xié)助雙方驗(yàn)證不同工藝節(jié)點(diǎn)的可行性，從而確保代工廠的尖端技術(shù)能被設(shè)計(jì)廠商順利采用。

此外，據(jù)顧鑫指出：“我們與 ARM 等架構(gòu)供應(yīng)商也有緊密的合作，保證支持每一個新的計(jì)算架構(gòu)?！北娝苤?，Arm 架構(gòu)因其高效性和靈活性已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各類設(shè)備中。全球 99% 的手機(jī)處理器，以及大量的微控制器（MCU）和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都在采用 Arm 的 IP。這種普及性要求 EDA 工具廠商必須緊跟 Arm 架構(gòu)的發(fā)展節(jié)奏，不斷更新和優(yōu)化自己的工具和服務(wù)，以確保它們能夠完全支持每一個新的計(jì)算架構(gòu)和平臺。

對 EDA 廠商而言，構(gòu)建一個健康、協(xié)同、并充滿活力的生態(tài)系統(tǒng)是至關(guān)重要的。這不僅包括與芯片設(shè)計(jì)廠商和代工廠的緊密合作，也意味著需要與廣大系統(tǒng)層面的廠商，如微軟、英特爾、高通等建立深度合作關(guān)系。只有這樣，才能確保在不斷進(jìn)步的技術(shù)浪潮中把握住每一個重要的節(jié)點(diǎn)，推動整個電子產(chǎn)業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展。

06

EDA 將走向何方？

芯片行業(yè)在向前加速邁進(jìn)，EDA 的未來發(fā)展將如何？其中，有兩個核心方向引人注目：

第一個是機(jī)器學(xué)習(xí)，EDA 中引入 AI 是一個熱門發(fā)展方向，即利用 AI 技術(shù)來幫助客戶解決在仿真和設(shè)計(jì)中遇到的挑戰(zhàn)。Cadence 的一些新產(chǎn)品，例如在 2022 年 4 月推出的基于 AI 和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的自主生成式 AI 優(yōu)化工具 Optimality，就是一個例子。顧鑫介紹道，Optimality 可以與 Clarity 和 Celsius 集成，用戶可以使用機(jī)器學(xué)習(xí)方法來優(yōu)化整個系統(tǒng)的性能，并自動確定最佳參數(shù)。

再有就是多物理場仿真。由于設(shè)計(jì)復(fù)雜性不斷增加，對計(jì)算的需求也在迅速增長，整個設(shè)計(jì)流程可能會變得更長。傳統(tǒng)的僅依賴 CPU 的解決方案已不再是唯一的選擇。近年來，除了 CPU 性能的迅速提升，GPU 和專用 ASIC 等硬件平臺也逐漸崛起，未來異構(gòu)計(jì)算將主導(dǎo)市場。EDA 軟件將更多地遷移到各種硬件平臺上，這種遷移可以大大加速工程師們的仿真過程，因?yàn)樗軌蚶眠@些專用硬件平臺在并行處理和高性能計(jì)算方面的優(yōu)勢。

可以預(yù)見，在未來兩到三年內(nèi)，機(jī)器學(xué)習(xí)以及 GPU 芯片的加速功能將對 EDA 領(lǐng)域的進(jìn)步發(fā)揮至關(guān)重要的影響。

總結(jié)

隨著半導(dǎo)體行業(yè)邁入系統(tǒng)性設(shè)計(jì)全新的發(fā)展紀(jì)元，芯片的進(jìn)化已不再僅僅局限于追求尺寸的縮減?，F(xiàn)在，它已經(jīng)成為一個涉及多學(xué)科、多層次、并整合多維度的復(fù)雜系統(tǒng)工程。在這一充滿多元化且技術(shù)密集的進(jìn)程中，具備多物理分析能力的 EDA 軟件將扮演不可或缺的助推角色。只有當(dāng)整個產(chǎn)業(yè)鏈緊密協(xié)作、共同前行時，才能攜手將芯片技術(shù)推向新的巔峰。

關(guān)于 Cadence

Cadence 是電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的關(guān)鍵領(lǐng)導(dǎo)者，擁有超過 30 年的計(jì)算軟件專業(yè)積累?；诠镜闹悄芟到y(tǒng)設(shè)計(jì)戰(zhàn)略，Cadence 致力于提供軟件、硬件和 IP 產(chǎn)品，助力電子設(shè)計(jì)概念成為現(xiàn)實(shí)。Cadence 的客戶遍布全球，皆為最具創(chuàng)新能力的企業(yè)，他們向超大規(guī)模計(jì)算、5G 通訊、汽車、移動設(shè)備、航空、消費(fèi)電子、工業(yè)和醫(yī)療等最具活力的應(yīng)用市場交付從芯片、電路板到完整系統(tǒng)的卓越電子產(chǎn)品。Cadence 已連續(xù)九年名列美國財(cái)富雜志評選的 100 家最適合工作的公司。如需了解更多信息，請?jiān)L問公司網(wǎng)站 www.cadence.com。

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