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    走向特定領域的EDA

    發(fā)布時間:2022-09-30 責任編輯:lina

    【導讀】似乎越來越多的公司正在創(chuàng)建自定義 EDA 工具,但尚不清楚這一趨勢是否正在加速以及它對主流EDA行業(yè)意味著什么。


    似乎越來越多的公司正在創(chuàng)建自定義 EDA 工具,但尚不清楚這一趨勢是否正在加速以及它對主流EDA行業(yè)意味著什么。


    只要有變化,就有機會。變化可能來自新的抽象(abstractions)、新的優(yōu)化選項(optimization)或強加于工具或流程的新限制。例如,摩爾定律的放緩意味著僅僅通過移動到下一個節(jié)點,無法在產品的特定版本之間取得足夠的性能、功耗或成本進步。必須改進設計本身,或者重新設計產品。


    一種開始進入設計方法的變化是從靜態(tài)工具轉向動態(tài)工具。靜態(tài)工具將獨立于任何特定用例或場景查看設計并對其進行優(yōu)化。動態(tài)優(yōu)化添加一個或多個場景作為優(yōu)化過程的輸入,允許工具執(zhí)行更有針對性的優(yōu)化。這始于執(zhí)行時鐘或電源門控時的電源優(yōu)化,這曾經是靜態(tài)操作。通過準確了解設計的各個部分需要如何以及何時激活,可以進一步改進這些技術。這也推動了處理器設計的復蘇,可以創(chuàng)建最適合特定任務的定制處理器。


    半導體公司總是創(chuàng)建一些自己的 EDA 工具。“在 80 年代,大多數(shù)半導體和 ASIC 公司都有自己的工具,” Imperas Software的創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官 Simon Davidmann 說。“但隨后出現(xiàn)了資源問題,客戶需要更標準化的方法。該行業(yè)從設計和半導體公司的專有解決方案轉變?yōu)橛蓸藴黍寗拥男袠I(yè),試圖構建適用于所有人的通用解決方案。”


    還有一些專用工具的空間。“每個設計公司都有一些專屬于他們的設計或數(shù)據(jù)管理問題,” Synopsys的技術策略師 Rob Aitken 說。“有時,在他們創(chuàng)建解決方案后,他們不希望競爭對手得到它,因此他們將其保留在內部。他們可能已經得出結論,這是解決它的唯一方法,并且可能出于多種原因,但最終更廣泛適用的 EDA 解決方案可能對他們有用。”


    工具總是處于不斷變化的狀態(tài)。“EDA 業(yè)務必須擁有足夠大的市場,才能證明對工具的投資是合理的,”西門子 EDA設計驗證技術戰(zhàn)略總監(jiān) Neil Hand 說。“當涉及到特定行業(yè)、特定應用程序或特定領域的解決方案時,真正限制這一點的是問題的普遍化程度。然后第二部分是封裝這種概括的語言或功能。”


    有些領域(domains )足夠大,可以支持專用解決方案。“特定領域并不是什么新鮮事物,”openROAD 的嵌入式企業(yè)家和承包商 Tom Feist 說。“FPGA 行業(yè)就是一個例子,EDA 和學術界通過包括 MATLAB、OpenCL、C/C++、Python 和基于 Simulink 的設計在內的解決方案來應對這一挑戰(zhàn)。使用 National Instruments的LabVIEW就是另一個例子。”


    在特異性和靈活性之間始終存在平衡。“特定領域的系統(tǒng)遇到了有趣的技術和經濟問題重疊,”EDA 技術顧問 Duaine Pryor 說。“當你讓它們足夠通用以贏得一個證明領先發(fā)展合理的市場時,它們就會失去通過專業(yè)化獲得的技術優(yōu)勢所帶來的價值。當然,反過來也是如此。這會傳播到整個價值鏈。”


    市場和行業(yè)動態(tài)發(fā)生變化。“有些公司在其領域的最前沿擁有大量資源,試圖找到比 EDA 公司能走得更遠的方法,”Imperas 的 Davidmann 說。“這就是為什么一些公司被半導體公司收購的原因,他們在那里咀嚼和吐槽,以此作為在內部獲得專業(yè)知識的一種方式。我確信 Apple 在 M1 和 M2 方面的成功是因為它們內部擁有如此多的工具。”


    任何使用最新節(jié)點的人都知道它們面臨的壓力。Codasip的首席技術官 Zdeněk P?ikryl 說:“隨著半導體擴展速度放緩或失敗,需要進行架構創(chuàng)新和特定領域的優(yōu)化。” “提高抽象級別和高效的設計自動化可以加快設計周期,從而縮短上市時間。”


    此外,許多新技術被插入到設計流程中。“每當您開始談論新技術(例如光子學)時,您可能會發(fā)現(xiàn)市售產品與需求之間存在差距,” Cadence產品經理 Jeff Roane 說。“但一旦需要,這種差距很快就會縮小,以至于大型企業(yè)之一開發(fā)某些東西在財務上是有意義的。”


    建立必要的專業(yè)知識需要時間。“量子 EDA 領域必須跨越物理和工程之間的障礙,”是德科技量子解決方案規(guī)劃負責人 Mohamed Hassan 說。“這是一項艱巨的任務。這兩個領域通常使用不同的術語和命名法。目前,量子硬件設計周期跨越多個領域的多個工具,以一種不和諧的方式,在它們之間存在多個差距,這些差距通常由高度依賴于設計師知識和經驗的額外努力來填補。”


    ESL的失敗




    上世紀 90 年代后期的電子系統(tǒng)級工作是嘗試引入新的抽象和新的語言。Synopsys 的 Aitken 說:“它從廣泛的目標開始,最后只針對以數(shù)據(jù)路徑為中心和類似的算法簡單的設計。”


    對于作為該流程的一部分開發(fā)的一些工具,市場確實在繼續(xù)增長和發(fā)展。“系統(tǒng)級協(xié)處理器硬件/軟件協(xié)同設計和優(yōu)化確實開始看起來更像是一種真正的顛覆,但它具有真正的'回到未來'的味道,”Pryor 說。“當許多系統(tǒng)——尤其是手機——獲得更多的異構計算架構時,行業(yè)最初遇到了這個問題。產生了一些好的解決方案,但由于經濟因素和工程孤島的結合而成為利基產品。過去 20 年的優(yōu)化設計、高級綜合、特定領域語言和其他發(fā)展可能使該領域比千年更容易處理。”


    ESL 也受到不斷增長的 IP 市場的影響。“今天我們看到了工具加 IP 的概念,”Cadence 的 Roane 說。“你會看到處理器 IP、存儲器 IP、互連 IP、接口 IP,甚至是當今高級綜合所涵蓋的算法內容。但是,如果您查看真正適合高級綜合的設計類型,那就是算法設計。工具加 IP 的整個概念今天已經在發(fā)揮作用,你會看到更多。”


    虛擬原型將它的許多部分組合在一起。“特定領域的 EDA 可能有助于生成部分虛擬原型,例如 SoC 中使用的處理器或其他組件,”Codasip 的 P?ikryl 說。因此,一方面,特定領域的 EDA 由虛擬原型啟用,其中每個垂直領域都通過適合這些功能的專用流程顯著加速和優(yōu)化。如果我將軟件世界與軟件世界相提并論,我們可以用多種語言編寫代碼,并將所有內容在鏈接器中粘合在一起。在硬件領域也是如此。我們只是使用不同的集成方法。”


    隨著抽象的提出,工作負載變得越來越重要。“多年前,您可以優(yōu)化布局中的功率,而這正是人們真正能做的,”西門子的 Hand 說。“然后權力成為綜合和實施權衡的一部分。然后它成為高級綜合權衡的一部分。現(xiàn)在它已成為處理器優(yōu)化權衡的一部分,我們將繼續(xù)前進,它將成為系統(tǒng)級權衡的一部分。”


    這些工作負載正在推動設計實踐。“超大規(guī)模制造商正在進行芯片設計,因為他們的特定工作負載是獨一無二的,并且不同于他們的供應商試圖瞄準的目標工作負載,”Roane 補充道。“你可以使用現(xiàn)成的處理器來完成這些任務,但在功耗方面會付出高昂的代價。與自定義實現(xiàn)相比,您可能不會獲得最佳性能。我們今天看到很多超大規(guī)模廠商都在進行芯片設計,因為他們試圖降低功耗并提高他們獨有的特定工作負載的性能。”


    機器學習也在創(chuàng)造一些獨特的流程。“我們看到許多特定領域的架構語言正在被創(chuàng)建,”Aitken 說。“當你從 EDA 的角度考慮它時,這絕對是一些定制設計方法的機會,從你用來描述這些東西的語言開始。針對特定結構優(yōu)化的綜合流程與現(xiàn)在存在的綜合流程有何不同?你如何定制一個將產生定制塊的算法?”


    工具開發(fā)


    過去,許多特定領域的工具都來自初創(chuàng)公司。“他們會看到客戶要求 EDA 無法滿足的需求的機會,”Davidmann 說。“由于 RISC-V 產生的需求以及對處理器驗證生態(tài)系統(tǒng)的需求,我們從模擬公司轉向驗證。有少數(shù)公司因為客戶需要而構建解決方案,但大型EDA公司還沒有實現(xiàn)這個,小公司正在創(chuàng)造這個,隨著時間的推移也會有整合。”


    這也激發(fā)了人們對開源 EDA 的興趣。“使用開源的一個令人信服的理由是能夠根據(jù)他們的特殊需求修改工具,”openROAD 的 Feist 說。“這可能是為了安全或利用機器學習等功能。谷歌一直是開源的大力支持者,這并不是因為這些工具對他們來說太貴了。這是因為他們想要競爭優(yōu)勢,如果他們將秘訣提供給 EDA 供應商,那么每個人都擁有它。”


    efabless 已將一個這樣的開源流程(如圖 1 所示)放在一起。


    走向特定領域的EDA

    圖 1:基于 OpenROAD 構建的 OpenLANE 流程。資料來源:efables


    一些大型 EDA 公司正在順應這一趨勢。“開放標準允許人們插入流程,”Hand 說。“將接口添加到工具中的能力很重要,學術合作也很重要。傳統(tǒng)上,這是 EDA 確實需要改進的領域之一。過去曾發(fā)生過學術界和 EDA 之間密切合作的案例。在最近的一段時間里,這種情況已經消失了,我們需要重新開始。”


    一個驅動因素可能是訪問數(shù)據(jù)。“超大規(guī)模用戶花費大量時間收集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)并阻止彼此訪問他們的數(shù)據(jù),”Aitken 說。“在芯片數(shù)據(jù)方面,考慮片上監(jiān)視器。您可以在芯片運行時使用這些來收集信息,并且可以學習一些東西。大型EDA公司不會給你數(shù)據(jù)。他們?yōu)槟峁┝艘环N方法來收集您自己的數(shù)據(jù)并用它做任何您想做的事情。還有一個 ML 風格的角色,其中相關數(shù)據(jù)存在于 Synopsys 和用戶群中。例如,當一個工具或流程有一堆旋鈕時,當你以不同的方式調整它們時會發(fā)生什么?你從哪里得到最好的答案?”


    Hand對此表示同意。“我們與客戶合作,并在工具中添加了接口,使他們能夠提取信息并將其放入數(shù)據(jù)湖中。然后他們可以使用有關其設計的信息進行自己的深入分析,并且他們正在構建自己的能力。這對于他們的需求來說可能是獨一無二的,因為他們正在利用這樣一個事實,即他們可以應用有關設計的其他信息。我們不知道這些信息。”他接著說


    工具的創(chuàng)建通常需要多個人聚集在一起。是德科技的 Hassan 說:“量子 EDA 被設想為一種軟件和工具,可以簡化工作流程并實現(xiàn)量子硬件設計的自動化,無論是基于超導量子位、俘獲離子、自旋量子位、集成光學器件還是冷原子。” “硬件基礎跨越了廣泛的發(fā)展領域,從超導微波電路到光學和集成光子學,這擴大了量子 EDA 的機會,但也使集中精力面臨挑戰(zhàn)。陡峭的知識壁壘使許多工程師無法進入這個熱門的新興領域,這與當前成熟的 EDA 設計周期的設計方式非常不同,例如設計集成電路。”


    在其他情況下,應用程序領域對現(xiàn)有工具和低點提出了新的要求。“自動駕駛汽車,無論是機器人、汽車還是飛機,都會帶來一系列全新的要求,”Hand 說。“它增加了新的功能安全方面,或者對必須在整個流程中進行管理的非確定性的新關注。”


    簡單的更改可能會產生重大影響。Aitken 說:“如果您查看多芯片系統(tǒng),您開始在其中整合常規(guī) CMOS 之外的東西——無論它們是新型存儲器還是來自不同工藝的 CMOS——您就會遇到問題。”“你可以強制一套現(xiàn)有的 EDA 工具來處理它,你可以強制一套現(xiàn)有的關于利潤應該如何工作以及簽核應該如何工作的假設。但是,當您想要做得比這更好時,您真的應該重新考慮一些流程,即您如何為信號、電源、時鐘等領域構建相當于領域特定 EDA 的內容 ,在一個封裝內跨多芯片系統(tǒng)遷移。這是一種不同于現(xiàn)有 EDA 解決方案的動物。”


    這是 EDA 課程的標準。“隨著每一代產品的出現(xiàn),無論是用于新節(jié)點還是用于新應用程序,EDA 都會得到擴展并創(chuàng)造新的機會,”Hand 說。“就功能覆蓋而言,今天的 EDA 行業(yè)看起來與以往完全不同。它不再只是一個模擬器、一個綜合工具和一個布局工具。它已經遠遠超出了這一點。我們在底部添加了更多內容,在頂部添加了更多內容,但它通過使用更多可用的信息為優(yōu)化創(chuàng)造了新的機會。”


    它一直是推和拉的結合。“總是有兩種動力,”Roane說。“一個是 EDA 公司將嘗試預測并因此推動的地方。另一個動態(tài)是他們的客戶,即半導體公司,將根據(jù)他們正在做的事情創(chuàng)造需求拉動。在一個完美的世界里,這兩種力量都會對齊。就它們而言,這意味著新工具或技術的成功。但它們通常沒有對齊。有時你會等待那場完美的風暴發(fā)生。”


    結 論


    今天可能會創(chuàng)建更多的內部 EDA 工具,因為該行業(yè)正朝著許多新方向發(fā)展。摩爾定律的放緩導致公司關注許多新技術、解決方案和優(yōu)化,而這些需求需要時間才能整合成標準流程可以涵蓋的東西。該行業(yè)充滿活力,這只是增長的一個指標。

    (來源:semiengineering)


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