本文來自微信公眾號“半導(dǎo)體行業(yè)觀察”，作者/李飛。
芯片設(shè)計(jì)隨著時(shí)間推移正在變得越來越復(fù)雜是業(yè)界人士的共識，但是究竟“復(fù)雜”體現(xiàn)在哪些方面，并且隨著復(fù)雜度提升，還有哪些沒有解決的問題，這就需要深入的考察和研究。上周，西門子EDA和Wilson Research完整公布了2022年兩家公司一起合作的芯片設(shè)計(jì)報(bào)告，該報(bào)告的定量分析為我們提供了一些重要的洞見。在研究了該報(bào)告后，我們認(rèn)為，芯片設(shè)計(jì)變得更復(fù)雜不僅僅體現(xiàn)在芯片晶體管規(guī)模變大上，還體現(xiàn)在SoC復(fù)雜度的提升上，而SoC復(fù)雜度提升會帶來一系列的改變，包括設(shè)計(jì)方法學(xué)的變化，以及設(shè)計(jì)驗(yàn)證方面的新需求。這些新的變化和新需求將會驅(qū)動(dòng)未來幾年芯片設(shè)計(jì)的變革。
芯片復(fù)雜度的多維度提升
隨著人工智能、智能汽車等新應(yīng)用的出現(xiàn)，芯片復(fù)雜度正在慢慢提升。芯片復(fù)雜度的提升可以是一件多維度的事情，一方面，它可以體現(xiàn)在晶體管數(shù)量的增大上；另一方面，它也可以體現(xiàn)在芯片中復(fù)雜子系統(tǒng)的數(shù)量上。
從芯片的晶體管數(shù)的角度，西門子／Wilson的研究報(bào)告中，36%以上的芯片項(xiàng)目門數(shù)達(dá)到了千萬級，而門數(shù)在百萬級以下的項(xiàng)目僅占30%，因此從晶體管數(shù)的角度，今天芯片的復(fù)雜度確實(shí)已經(jīng)大大提升。
但是晶體管數(shù)并非唯一考量。例如，在一些芯片中，片上內(nèi)存（如緩存）可以占據(jù)相當(dāng)大的門數(shù)，但是其整體設(shè)計(jì)復(fù)雜度未必會很高。因此，另一個(gè)芯片復(fù)雜度的觀察角度是芯片子系統(tǒng)的數(shù)量。在SoC中，每一個(gè)芯片子系統(tǒng)都有其獨(dú)特的功能，而且當(dāng)芯片子系統(tǒng)數(shù)量更多時(shí)，如何讓這些子系統(tǒng)能很好地工作在一起就是一件具有挑戰(zhàn)性的事情。因此，芯片的子系統(tǒng)數(shù)量也是衡量整體芯片復(fù)雜度的一個(gè)重要指標(biāo)。然而，芯片子系統(tǒng)的數(shù)量并不容易統(tǒng)計(jì)，而一個(gè)可以和這個(gè)數(shù)字掛鉤的數(shù)據(jù)就是芯片上使用的處理器數(shù)量。通常，當(dāng)芯片子系統(tǒng)的復(fù)雜度超過一定程度時(shí)，都會單獨(dú)配有一個(gè)為它服務(wù)的嵌入式處理器。因此，統(tǒng)計(jì)一個(gè)芯片上嵌入式處理器的數(shù)量可以從一定程度上體現(xiàn)芯片上復(fù)雜系統(tǒng)的數(shù)量，從而體現(xiàn)芯片設(shè)計(jì)復(fù)雜度。
從芯片上嵌入式處理器數(shù)量的角度，首先我們可以看到今天74%的芯片擁有至少一個(gè)嵌入式處理器；而一半以上的芯片項(xiàng)目擁有兩個(gè)以上的嵌入式處理器，15%的處理器有8個(gè)以上的嵌入式處理器。從這個(gè)角度來看，今天的芯片設(shè)計(jì)從系統(tǒng)角度也確實(shí)是越來越復(fù)雜。
綜上所述，我們認(rèn)為芯片設(shè)計(jì)的復(fù)雜度提升不僅僅體現(xiàn)在晶體管數(shù)量上，還體現(xiàn)在系統(tǒng)復(fù)雜度上。這些復(fù)雜度的提升是由于應(yīng)用端的驅(qū)動(dòng)（例如人工智能，智能駕駛，下一代智能設(shè)備等），在未來隨著這些系統(tǒng)的進(jìn)一步普及，我們預(yù)計(jì)會進(jìn)一步推高芯片系統(tǒng)的復(fù)雜度，這也會給芯片設(shè)計(jì)行業(yè)帶來相應(yīng)的變化。
芯片系統(tǒng)復(fù)雜度正在改變芯片設(shè)計(jì)生態(tài)
芯片系統(tǒng)復(fù)雜度對于芯片設(shè)計(jì)生態(tài)的影響是多方位的。首先，如前所述，隨著應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)，芯片系統(tǒng)復(fù)雜度上升，整個(gè)芯片系統(tǒng)上復(fù)雜度較高的子系統(tǒng)數(shù)量上升，這也就讓芯片上需要的嵌入式處理器數(shù)量提升。一方面，應(yīng)用驅(qū)動(dòng)了對于嵌入式處理器需求的提升；另一方面，如果有成本較低、設(shè)計(jì)較為靈活的嵌入式處理器，也將能進(jìn)一步賦能這樣的復(fù)雜度提升。
從這一方面來看，RISC－V可謂是切中了芯片設(shè)計(jì)復(fù)雜度提升的需求，未來可望會越來越多地得到應(yīng)用，并且從另一個(gè)角度越來越多地滿足復(fù)雜芯片系統(tǒng)對于嵌入式處理器的需求。RISC－V是一種開源處理器指令集，任何人有能夠自由使用該指令集，并且在其基礎(chǔ)上進(jìn)一步定制滿足自己需求的額外指令集。對于有實(shí)力的廠商來說，使用RISC－V指令集可以自主開發(fā)屬于自己的處理器，并且使用在自己的產(chǎn)品中；而對于中小廠商，也可以選擇SiFive等公司提供的RISC－V處理器IP來使用。目前，使用RISC－V作為對于計(jì)算性能要求不高的嵌入式處理器／MCU已經(jīng)成為越來越多芯片的選擇，其背后的主要原因就是基于RISC－V處理器的成本和靈活性。而西門子／Wilson的2022年芯片設(shè)計(jì)報(bào)告也進(jìn)一步證實(shí)了這一觀點(diǎn)：2022年有30%的芯片使用了RISC－V處理器，而這一數(shù)字在2020年僅為23%。在未來，我們預(yù)期RISC－V得到進(jìn)一步廣泛的應(yīng)用，并且從另一方面也進(jìn)一步賦能芯片系統(tǒng)復(fù)雜的提升。
除了嵌入式處理器之外，隨著芯片系統(tǒng)復(fù)雜度提升，對于芯片系統(tǒng)設(shè)計(jì)的另一個(gè)改變就是如何把這些系統(tǒng)用高效而可靠的方法連接到一起，可以互相通信，互相訪問內(nèi)存等。這就需要越來越多地使用NoC（network－on－chip）。NoC將會越來越多地成為SoC系統(tǒng)上的基礎(chǔ)IP，來確保芯片系統(tǒng)設(shè)計(jì)能更加高效地拓展其復(fù)雜度和設(shè)計(jì)規(guī)模。根據(jù)市場研究公司Brainy Insights的研究，未來十年內(nèi)NoC的年復(fù)合增長率可達(dá)7.9%，因此我們也預(yù)期會在未來越來越多的大規(guī)模高復(fù)雜度芯片中看到NoC的使用。
因此，我們認(rèn)為從設(shè)計(jì)IP角度，新的嵌入式處理器（RISC－V）和片上互連（NoC）將會成為重要的新看點(diǎn)，來驅(qū)動(dòng)和賦能芯片系統(tǒng)復(fù)雜度進(jìn)一步提升。
芯片驗(yàn)證將成為重中之重
除了新的設(shè)計(jì)IP之外，復(fù)雜芯片的驗(yàn)證將會成為另一個(gè)挑戰(zhàn)。如前所述，復(fù)雜芯片包括了越來越多的子系統(tǒng)，首先每一個(gè)子系統(tǒng)的驗(yàn)證隨著其復(fù)雜度的提升會越來越具有挑戰(zhàn)性。其次，多個(gè)復(fù)雜子系統(tǒng)的協(xié)同工作和驗(yàn)證將會成為另一個(gè)芯片驗(yàn)證的難點(diǎn)。最后，芯片系統(tǒng)中每個(gè)子系統(tǒng)存在異質(zhì)性，例如，高性能模擬/混合信號模塊（例如內(nèi)存接口等）越來越多地使用在復(fù)雜芯片系統(tǒng)中，這也給整體芯片系統(tǒng)的驗(yàn)證帶來了挑戰(zhàn)，因?yàn)椴煌淖酉到y(tǒng)的驗(yàn)證方法并不一致。
芯片驗(yàn)證首先需要提高效率，降低需要的時(shí)間。根據(jù)西門子/Wilson的報(bào)告，2022年的芯片項(xiàng)目中，高達(dá)三分之二的項(xiàng)目沒能按照原定的時(shí)間交付，這也說明了目前的芯片驗(yàn)證系統(tǒng)對于復(fù)雜芯片尚需更多效率提升。
除此之外，芯片首次流片成功的比例也在下降，在2022年高達(dá)76%的項(xiàng)目需要兩次或更多的流片才能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。在導(dǎo)致芯片需要多次流片的原因中，首要原因是邏輯功能問題，而另一個(gè)值得注意的原因是模擬模塊出現(xiàn)問題：該項(xiàng)目在2020年和2022年占到從幾年前的20%一躍到了40%，這也說明模擬設(shè)計(jì)相關(guān)的驗(yàn)證，以及模擬模塊和其他模塊的協(xié)同驗(yàn)證將會成為未來復(fù)雜芯片驗(yàn)證領(lǐng)域非常重要的尚需解決的問題。
展望未來，復(fù)雜芯片的驗(yàn)證首先需要更加高效率的驗(yàn)證流程，例如使用更加高效的testbench描述語言（使用C++/Python等），從而保證芯片項(xiàng)目能定期交付。在效率之外，由于邏輯功能仍然是芯片流片失敗的首要問題，而隨著芯片系統(tǒng)復(fù)雜度提升這方面的問題會越來越大，因此對于可靠的驗(yàn)證方式（例如emulator）提出了要求，emulator需要能進(jìn)一步降低成本，并且提升對于復(fù)雜系統(tǒng)的支持，從而確保復(fù)雜芯片系統(tǒng)的質(zhì)量。最后，模擬驗(yàn)證預(yù)計(jì)會成為未來復(fù)雜芯片系統(tǒng)中的關(guān)鍵一環(huán)，這包括了模擬驗(yàn)證，以及模擬和數(shù)字系統(tǒng)的協(xié)同驗(yàn)證（例如模擬系統(tǒng)建模放到數(shù)字系統(tǒng)中驗(yàn)證等），這對于新驗(yàn)證方法論的采用和新的EDA系統(tǒng)都提出了新的需求，預(yù)計(jì)會成為未來幾年驗(yàn)證領(lǐng)域的另一個(gè)重頭戲。
