躍上雲端的EDA技術如何推動半導體創新

雖然支付處理、業務流程與合作和大數據分析等各種服務都仰賴雲端運算技術,但晶片設計產業卻較慢才開始採用這項技術。至今,在雲端中實現晶片設計的真正好處仍未明朗。

現今半導體產業面臨嚴格的品質要求、苛刻的上市時程以及高昂的成本等諸多挑戰;因此,顯而易見地,創新且雲端導向的電子設計自動化 (EDA)正是半導體產業亟需的解決方案,它能夠幫助半導體產業跨越這些挑戰並蓬勃發展。隨著摩爾定律(Moore’s law)的優勢開始衰退,在這篇文章中,我們將仔細探討在公共雲端進行半導體設計及驗證,如何能成為創新的推手。

這篇文章是一系列貼文的開始,我們的雲端專家在未來幾個月將會持續分享。EDA躍上雲端顯然不僅是一個趨勢;對於一個正面臨爆炸性計算需求,並且設計和驗證週期持續縮短的產業來說,它開闢了一條持續前進的道路。在接下來的貼文中,我們的專家將探討新思科技在優化雲端為基礎的使用模組(use models)中的各種創新成就果。

是什麼推動晶片設計者走上雲端?

即使在幾年前,人們對於「雲」(cloud)在矽晶圓開發中所扮演的角色,仍是憂喜參半,畢竟摩爾定律主導了這個產業50多年的發展和創新。然而,正如科技諮詢顧問公司埃森哲(Accenture)在其《藉由即時服務模式推動半導體增長》(Driving Semiconductor Growth Through As-a-Service Models) 的報告中指出,摩爾定律的步伐正在減緩,反之卻要因應「晶片開發成本飆升、來自非傳統領域的競爭,同時,客戶卻要求指數級成長的功率和功能性來支持物聯網(IoT)、人工智慧(AI)以及即將來臨的量子計算等令人興奮的新應用。」

無庸置疑地,運算能力已成為半導體公司能否完成設計、更快將產品推向市場的瓶頸。因此,公司為能取得設計及驗證系統單晶片(SoC)所需的資源,雲端計算人儼然成為可行選項之一。其中,關鍵性的IC 設計及驗證流程,現在已可在雲端中使用。去(2020)年年底,埃森哲發表一份報告,《半導體產業的雲端勢在必行》(The cloud imperative for the semiconductor industry),認為雲端是「加快未來創新步伐的關鍵」,並且具有安全性增強和自動化功能的完善雲端解決方案,其可提供的好處,已經超越本地系統(on-site system)。

讓我們接著仔細看,是哪些關鍵市場因素,驅使更多晶片設計者移轉到雲端;而基於雲端的解決方案,又如何能成為創新的推手。

更快獲得結果

隨著晶片變得越來越複雜、體積越來越大,面對日益增加的上市時間壓力,晶片設計和驗證資源正成為瓶頸。與此同時,工程師的工作量也持續增加。工程師需要處理的事情增加,可用資源卻減少。相較於在本地資料中心執行 EDA解決方案,雲端技術的利用開闢了更多的運算資源,可以加速基礎晶片設計和驗證過程。另一個好處是增加彈性—能夠根據需求,迅速地擴大或縮小規模。

以元件庫特徵化(library characterization)為例,這是一項高度並行化的任務,需要大量計算資源。眾所周知,元件庫特徵化的資源規劃極為困難。例如,在雲端計算前,晶片設計公司需要先針對這些工作負載量,在自己的高性能資料中心投入許多資源。然而,根據需求模式,這些系統不是被過度使用,就是未被充分利用;又或者是需要先對工作負載量進行排序而造成延遲。相反地,雲端運算可以在需要時,按照需求量,盡可能獲取最多的運算資源,將元件庫特徵化等任務的周轉時間(turnaround time, TAT)從數週縮短到數天。例如,亞馬遜網路服務(AWS)的客戶已經能夠將他們的元件庫特徵化工作負載量擴增到120,000 多個並行作業,部分原因是 AWS 和新思科技之間的密切合作。

時程短、資源耗費大的任務,非常適合遷移到雲端。無須負擔繁重的成本來建置基礎設施,設計人員即可靈活地利用運算資源。若有需要,在數據可分區的前提下,也可以將運算密集型任務分解成更小的任務,並利用雲端的大規模、分散式的處理和儲存空間,來解決每個小任務。除此之外,在分散處理時,時序分析(timing analysis)、物理驗證和功能驗證之類的工作流程,也得以完善地進行擴充。例如,通過形式驗證,您可以將設計本地化,並對獨立的部分執行驗證。

提高結果質量

為了保持先進節點設計、具有多個功率域(power-domains)的低功耗設計以及突破光罩限制設計的高質量結果(QoR),在設計流程的所有階段,驗證工作的量都呈爆炸性增長。在現實世界中,內部運算資源並非無上限,設計師被要求完成不可能的任務:在上市時間和結果質量之間取得平衡。憑藉近乎「無限」的資源,雲端提供了執行大規模模擬、時序檢查機制(timing signoff)和物理驗證任務的能力;而這些任務可能會導致本地運算資源的短缺,或甚至整個系統的崩壞。

更低的結果成本

以最快的時間,將質量最好的產品推向市場,是我們一貫的目標;但盡可能以最低的成本生產晶片也同樣重要。傳統的晶片設計公司,可以使用現有的資料中心來進行 EDA 解決方案。即便如此,為了管理成本,他們可能仍會選擇混合的工作流程,在運算需求突增的期間,利用雲端資源來補足本地資源的短缺。而小型新創公司可能會發現,私有資料中心的成本太高,不切實際。在這些情況下,雲端可以在需要時,提供最新的運算和儲存資源,並具有高度的靈活性,即用即付(pay-as-you-go)。

雲端的彈性也有助於降低結果成本。各家雲端的價格確實有所不同,因為有些供應商允許透過競標的方式來提供運算服務,導致費率因需求而異。隨著雲端供應商開發成本更低的運算資源,例如利用過剩容量的現貨實例,他們也許能提供更低的價格。設計公司應該把握時機,善用這些EDA 解決方案。

圖說:半導體設計工程師可以善用雲端EDA解決方案提供的計算資源,從中獲益。

高水平的安全性和系統正常運行時間(System Uptime)

半導體產業對遷移到雲端的猶豫,與對安全性和系統正常運行時間的顧慮息息相關,這是可以理解的。採用現代雲端安全性技術、雲端原生流程(cloud-native processes)及技術,有助於確保在安全、受監控的雲端基礎架構上執行EDA工作。為此,EDA 供應商與雲端安全供應商密切合作,調整他們的技術,以保護 EDA 工作並防止資料洩漏。應用高強度的身份和存取管理,可以確保在EDA工具當中,有效管理使用者的存取權限。

雲端供應商通常在責任共擔模式(shared responsibility model)下營運。其中雲端供應商承擔「雲端本身」(即資料中心)的安全責任,而他們的客戶(如EDA公司)則承擔「雲端內部」的安全性。EDA產業應該要充分了解這個模式的含義。雲端供應商是否在其基礎架構和應用程式中,從頭開始建構安全性,並確保操作的安全性?EDA 供應商是否使用適用於雲端環境的加密處理以及最新的監控和故障排除工具?

至於系統正常運行時間,雲端供應商正在構建大量閒置的資源,以確保其計算資源的高可用性(high availability)和彈性(resiliency);例如通過高可用性集群(high availability clusters),EDA 應用程式可以在此集群之間交替運行,提供更好的可靠性和正常運行時間。

雲端就緒 EDA 和 IP 產品組合

在雲端合作夥伴微軟(Microsoft)、AWS 和Google雲端平台(Google Cloud Platform)的支持下,新思科技依循數個技術軸(technology axes)進行創新,以優化其領先的EDA軟體。當您在雲端上設計及驗證晶片,或是將您的軟體移轉到雲端時,這些優化的應用程式可以為您提供生產力、可擴展性、安全性和靈活性。借助我們的雲端就緒設計(cloud-ready design)、驗證和 IP 解決方案,您可以體驗雲端晶片設計的優勢:

  • 更快獲得結果:我們的解決方案已在主要公共雲端平台上進行生產驗證,並得到多數半導體代工廠的認可,可與他們的元件庫和製程設計套件(PDK)配合使用
  • 提高結果質量:我們的解決方案善用雲端大規模的可擴展性和彈性
  • 更低的結果成本:我們的解決方案具有彈性和穩健性,可利用雲端上成本優化的實例

在半導體產業中,高性能晶片的功能越來越豐富,帶來巨大的競爭壓力,也持續不斷地驅使技術高速創新、成本持續壓低。與此同時,EDA 和 IP 供應商之間的創新,造就出優化的雲端解決方案。這些解決方案足以支持極高的運算需求,並縮短晶片設計和驗證任務的周期時間。簡言之,隨著EDA上雲端日益增加的複雜度,不僅為半導體創新另闢途徑,也進而加速自身被採用的速度。這是一個良性循環,將為整個產業及在這個萬物智能時代(era of Smart Everything)中仰賴先進矽晶片的各行各業,帶來美好的結果!