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前言：EDA被譽為“芯片之母”。半導體產品在設計過程中，需要通過EDA工具完成架構設計、軟件仿真、硬件仿真和原型驗證等。后摩爾時代，多樣化、異構集成的芯片設計要求給EDA產品帶來全新的挑戰(zhàn)，技術迭代的號角已然吹響。在新技術序章中，新型EDA悄然入局，直面現實挑戰(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)的領域專用處理器生成工具FARMStudio。這是芯易薈首款自研產品，也是全球首款采用C語言描述的專用處理器生成工具。
該產品一經推出，即因其對EDA工具的顛覆性定義和創(chuàng)新引發(fā)半導體業(yè)內廣泛談論，該款產品創(chuàng)新點何在，解決問題能力如何？本文中，芯師爺將帶大家一同探索。
PART.1EDA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。芯片晶體管數量約兩年翻一番的規(guī)律，使得芯片的設計幾乎不需要改變，在跑相同算法的時候就能效率翻倍，且成本更低。但隨著摩爾定律的放緩，它給芯片設計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。
全球半導體產業(yè)大致按照摩爾定律發(fā)展了半個多世紀? ?資料來源：Our World in Data，圖源：尚普研究院
后摩爾時代，依靠增加晶體管密度來提升計算性能乏力，未來需要更多異構集成的方式實現系統(tǒng)級芯片，在這種情況下，DSA（Domain Specific Architecture，特定領域架構）興起。
DSA 指的是在特定領域內設計定制的芯片架構，使其能夠用于加速某些應用程序，相對于通用型芯片，DSA芯片在特定的應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，認為在CPU性能達到瓶頸的情況下，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技術進展反應積極。2016年谷歌發(fā)布的TPUv1是第一款DSA架構的處理器，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。不少近年來被廣泛應用的芯片，如 GPU、NPU、DPU 以及新興的 AI 芯片等均為 DSA 產物。后摩爾時代，DSA 技術的應用被寄望于進一步推動芯片技術的發(fā)展和應用。
面對DSA的興起，芯片設計源頭EDA軟件如何適配新架構完成芯片設計，成了新的挑戰(zhàn)。
在新的半導體產業(yè)環(huán)境中，EDA面臨的挑戰(zhàn)還不止于此。隨著終端產品應用場景急速變化，芯片原廠為了更快抓住市場機遇，滿足“風口”產品需求，亟需縮短芯片的上市時間和提升自家芯片的競爭力。
在EDA環(huán)節(jié)，要同時助力芯片設計者完成這兩點并不容易。縮短芯片上市周期對EDA流程的工作提出了更高效率的要求，這意味著芯片設計者需借助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所設計的芯片需實現行業(yè)領先的功耗、性能、面積（PPA）目標，且在成本上還要能具備一定的優(yōu)勢。
芯片設計端對EDA環(huán)節(jié)提出了“既要又要”，芯片設計人才卻日益短缺。隨著芯片的使用范圍擴大和在電子系統(tǒng)中的重要性彰顯，互聯(lián)網、汽車和手機等芯片主要應用領域的廠家也不斷入局“造芯”，芯片設計人才成了業(yè)內緊俏資源?！吨袊?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E9%9B%86%E6%88%90%E7%94%B5%E8%B7%AF%E4%BA%A7%E4%B8%9A/">集成電路產業(yè)人才白皮書（2020-2021年版）》數據統(tǒng)計，2017-2020年期間，我國集成電路行業(yè)人員復合增長率為10.59%，設計業(yè)人員規(guī)模發(fā)展尤其突出，達10.18%。預計到2023年前后，設計業(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)助力芯片設計者的關鍵，對半導體產業(yè)鏈而言更是意義重大。
PART.2以技術之長，重新定義EDA
技術創(chuàng)新，往往是解決技術應用問題的破局思路。新銳企業(yè)的出現也常常是因為其發(fā)現市場空缺，及時補位而誕生。芯易薈就是其中的實踐者，該團隊經過長時間的技術探索，對EDA當前困境有了不一樣破局思路。
“專用處理器是半導體業(yè)內的大趨勢，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計者需求，將專用處理器的開發(fā)和應用推向更加繁榮狀態(tài)?！毙煊卤硎尽?/p>
為了達到目標，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，該工具利用先進的底層技術，針對豐富的應用場景，可快速自動產生最佳匹配的軟硬件協(xié)同方案，以全新的EDA形態(tài)服務芯片設計企業(yè)及個人。
據發(fā)布會資料，FARMStudio將其使用者定義為有算法突破者，這可能是傳統(tǒng)從事芯片設計者；也可以是在專用領域有算法突破，但不具備傳統(tǒng)的芯片設計能力，也不懂EDA工具工作流程細節(jié)的個人或者團隊。
使用者只需在最初分析應用層軟件和算法之后，將基礎核、“超級指令”和芯易薈提供的預置模板這三項輸入到FARMStudio工具中，“點一個按鈕”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、數學庫、調試器、應用軟件包等。
芯片設計者還能借助FARMStudio進行快速的多輪迭代，在數周內就完成算法固化，提升DSA處理器的性能和完成驗證。
對比傳統(tǒng)EDA的使用方法，在芯片設計過程中，開發(fā)者通常需要耗費數月甚至是年為單位的時間周期，FARMStudio大大縮減了芯片設計的研發(fā)周期。由于FARMStudio是面向專用處理器的EDA工具，其生成的產品在性能上表現也具備優(yōu)勢。
目前FARMStudio主要聚焦于打造專用架構處理器。徐勇向芯師爺強調：“為了擴大專用DSA的適用性，FARMStudio不僅專注于加速某一個算法，更是加速某一類算法。”
隨著數字化大潮的興起，DSP已成為AI、計算機視覺、音頻等領域的關鍵核心。基于此背景，目前FARMStudio主要是面向工業(yè)控制、通信、計算機視覺、互聯(lián)網、AI、音頻等六大領域專用處理器的開發(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設計方法學，提煉典型應用場景的算法需求，聚焦不同應用方向提供靈活的可選組件來加速DSP的設計、開發(fā)及驗證流程。這其中也包括專用的加速指令，依托于強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？據芯師爺了解，芯易薈的FARMStudio主要從四方面革新技術。
革新1“經驗”共享，實現分鐘級自動生成
面對傳統(tǒng) EDA 工具提升效率的難點，FARMStudio一上來就拿出了“殺手锏”——實現分鐘級的自動生成效率。
傳統(tǒng)的 EDA 工具使用“經驗法則”，需要設計人員根據個人或某一團隊的經驗對設計流程進行優(yōu)化。而FARMStudio恰恰是頂尖芯片設計人員的“經驗池”，這個工具是眾多芯片設計經驗的集大成者，內置了豐富的處理器設計可選配置，同時也提供豐富的預制模板資源供芯片設計者調用。如此，使用FARMStudio的芯片設計者將算法以C語言的形式輸入給系統(tǒng)，系統(tǒng)就會在數分鐘內自動生成該算法的DSA處理器和配套工具鏈，最大程度縮短產品上市時間。
“FARMStudio對于快速生成有明確的定義，利用FARMStudio做芯片的設計迭代，每次只需要幾分鐘，當然，芯片在設計過程中可能需要無數次迭代，才能最終完成，但是從整個芯片設計的整個流程來說，典型案例表明：FARMStudio可以為開發(fā)者在芯片設計一環(huán)中節(jié)省90%的時間?！毙煊孪蛐編煚斀榻B。為了驗證“分鐘級”的生成效率，芯易薈軟件副總裁張衛(wèi)航在FARMStudio也做了現場演示：利用FARMStudio實機演示三個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，FARMStudio的工作流程通暢，并可按需輸出結果。
“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)內對其是否會取代人類芯片設計工程師的探討。對此，徐勇坦言：“FARMStudio所做的是加速芯片設計者的芯片設計流程，而非替代，FARMStudio在當前與人類設計工程師在速度和特有算法設計方面互補，能為產業(yè)提供更具備優(yōu)勢的芯片產品?！?/p>
徐勇補充，未來芯易薈還會不斷迭代FARMStudio，使更多重復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)加速和完善芯片產品的研發(fā)流程。
革新2設計、驗證并行，降低決策風
在傳統(tǒng)的芯片設計流程中，會根據應用層軟件及算法對軟硬件功能拆分，然后再進行架構設計及編碼性能優(yōu)化，最后進入應用層功能的驗證。這很容易導致反復出現前端設計無法保證后端設計效果的“bug”，影響設計效率。
到了FARMStudio，流程設置有所變動。通過對應用建模、算法模擬、算法分析和優(yōu)化等一系列技術升級，FARMStudio能夠使架構和軟硬件實現方案的決策完全基于確定的功能設計、驗證結果和PPA數據，最大程度減少決策面臨的不確定性和風險，且硬件設計軟件化可實現芯片設計中修改困難的問題，幫助芯片設計者快速收斂和驗證，最終快速迭代硬件設計以最佳的PPA實現，在降低成本的同時提升芯片質量。
革新3用C語言提升EDA普適性
在主流設計過程中，通常是用硬件描述語言Verilog完成設計文件，而FARMStudio是采用的是C語言。
關于選擇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計是使用同一種語言，全方位保障C to RTL 的正確性和一致性，這中底層設計涉及到非常復雜的數學問題，剛好我們團隊可以做到，于是我們就選擇了以C語言作為設計描述語言；另一方面，我們希望借此創(chuàng)新來降低芯片設計的門檻，為這個行業(yè)增加更多的芯片開發(fā)人才。相較其它語言，C語言的學習門檻較低，在我國，甚至全球范圍內，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，包括很多芯片設計公司的研發(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、通訊領域的人才至芯片設計領域，實現更好人才資源適配，也能解決芯片領域設計人才短缺的問題?！?/p>
C語言的使用顛覆了既往EDA的語言習慣，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，從知識產權方面來看，其擁有完整的技術儲備和開放的生態(tài)圈，有利于實現國產化、自主可控。在當前的產業(yè)背景下，自主可控的知識產權顯得格外重要。
PART.3寫在最后：國產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，其顛覆性體現于，該平臺利用應用建模和算法優(yōu)化等“預處理”方式，“從內到外”改變了EDA的工具屬性。“內”變化在于，FARMStudio以自動化的流程高效完成了芯片設計過程中的眾多決策，大大減少了開發(fā)者的重復性工作，并優(yōu)化了芯片設計路徑，使得芯片設計的周期縮短、性能提升、成本降低，提升了設計者的芯片競爭力；“外”在的改變在于，FARMStudio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，芯片設計者從傳統(tǒng)的芯片設計工程師擴展至會C語言、有獨特算法突破的開發(fā)者，這使得芯片設計領域可吸收的人才資源大大提升。在商業(yè)模式上，FARMStudio還將個人開發(fā)者也列入了客戶名單中，鼓勵和助力著更多的開發(fā)者加入芯片設計的隊伍中。
不同領域人才涌入芯片設計領域，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，有利于半導體產品走向更廣闊的未來。而伴隨著他們前進的FARMStudio，也終將邁向新的發(fā)展征程。
作為國產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)及其產品更多的期待。
