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IC设计迈向云端新时代

云端运算技术在包括亚马逊、Google等英特网巨擘,以及老牌软件大厂微软推波助澜之下,持续扩张其势力范围,各种以云端为基础的服务不仅已经渗透到一般大众的日常生活、催生了新产业与应用,云端技术也正在改变不同传统产业与应用市场的游戏规则,包括电子制造产业,以及半导体产业。

萌芽于1980年代、自21世纪伊始逐渐成长茁壮的云端运算(cloud computing)技术,在包括亚马逊(Amazon)、Google等英特网巨擘以及老牌软件大厂微软(Microsoft)推波助澜之下,持续扩张其势力范围,各种以云端为基础的服务不仅已经渗透到一般大众的日常生活、催生了新产业与应用,云端技术也正在改变不同传统产业与应用市场的游戏规则,包括电子制造产业以及半导体产业。

不过,尽管大众使用者可能已经很习惯将个人的智能手机或PC内的照片等档案「丢」到云端、以节省装置内部储存空间也方便与亲友共享,众多企业也开始利用以云端为基础的IT环境来提升营运效率、节省成本;但对于保护知识产权(IP)重于一切的电子从业者与IC厂商来说,采用这类基础设施需要更审慎的评估,得确保其安全性以避免任何机密外泄的风险。因此尽管早已经有供货商推出将电子设计自动化(EDA)工具放在云端的解决方案,大多数业者对于「在云端进行设计」仍抱持观望态度。

「EDA上云端」已成明显趋势

究竟为何需要让EDA上云端?其一是因为对许多新创公司或是中小型电子/IC设计业者来说,若要采购设计流程所需的全套工具软件会是一笔沉重的负担、利用率可能也不高;其次是当设计案变得越来越复杂,例如高达数十层电路板的系统或是动辄百万闸极芯片,验证与仿真等步骤对于设计业者自有的运算设备能力会是一大考验,而为那些并非经常性的大型设计案扩充数据中心似乎不是划算的投资,此时云端方案就会是兼具成本效益与弹性的选项。

大约在1990年代末期与2000年初,EDA业者就已经想到为客户在设计需求高峰时刻透过云端方案提供更多运算资源,透过销售虚拟专用网(VPN)的概念,让客户能在进行软/硬件仿真时加强马力。而大约在10年前,市场上也出现了几家推出云端EDA工具方案的小型业者,例如一家总部位于新加坡的新创公司Plunify,就是藉由云端运算提供FPGA组件设计与验证平台,以「用多少付多少」的使用时数或运算单位计费方法,在协助工程师加快设计流程同时,也能让小型设计业者减轻成本负担;还有一家名为OneSpin的美国业者,则是透过云端提供形式验证(formal verification)平台,并且强调其安全性。

至于在今年6月举行的年度设计自动化大会(DAC 2018)上浮现的一个明显趋势,是EDA供货商本身开始加大宣传云端工具服务的力道,包括益华计算机(Cadence)、Mentor (现隶属于Siemens旗下)等业者都发表了云端产品,让客户能利用云端的强大资源,支持运算量繁重的硬件仿真(emulation)流程;例如Cadence的Palladium Cloud是能让客户在需要进行硬件仿真时购买闸极容量,Mentor的Veloce Stato平台则是让客户能透过亚马逊(Amazon)的云端服务Amazon Web Services (AWS)直接按需求取得硬件仿真资源。

云端EDA:逐步建立市场信任度

然而尽管将EDA工具放上云端已是一个明显趋势,EDA供货商对于推展此项业务的态度十分谨慎。如Cadence在8月中旬于台湾举行的年度使用者大会CDNLive Taiwan 2018上,特别邀请到合作伙伴AWS的信息科技/半导体全球业务开发主管David Pellerin发表以「应用于物联网、AI与半导体设计的云端EDA创新」(Innovation in Cloud-based EDA for IoT, AI and Semiconductor Design)为题的演说,为现场超过700位IC设计工程师听众讲解EDA工具与云端结合可带来的优势;不过Cadence全球副总裁/亚太区总裁石丰瑜在会后接受EE Times Taiwan采访时表示,云端方案目前对营收的贡献度还很低,该公司现阶段也不会把所有工具放上云端,会看客户需求,而安全性仍是多数IC设计业者考虑云端方案时的最大顾虑。

Mentor执行长Walden C. (Wally) Rhines在8月底于台湾举行的年度技术论坛Mentor Forum 2018接受EE Times Taiwan采访时则表示,虽然该公司发展云端方案已经有一段时间,在6月的DAC也正式推出与AWS合作的云端版Veloce Stato硬件仿真平台,但云端方案还不那么受客户欢迎,一开始的主要原因是客户忧虑安全性,不过现在多数人已经逐渐建立对云端技术的信任,所以安全应该已经不是最大的问题;而因为多数大型IC设计客户都有自己的数据中心,较不会需要云端EDA方案,中小型业者或新创公司虽然会有需求,但因为目前云端方案在价格上与一般方案差不多,「以为上云端可以省很多钱的客户可能会很失望。」

于是云端EDA似乎一直是以缓慢的速度拓展其市场版图,直到10月初,晶圆代工龙头台积电(TSMC)发出的一项最新讯息,有可能改变这样的局势──台积电是在美国硅谷举行的开放创新平台(Open Innovation Platform,OIP)生态环境论坛上宣布,与包括云端服务供货商AWS、微软(Microsoft) Azure,还有EDA供货商Cadence、新思科技(Synopsys)成立第五大OIP联盟,也就是云端联盟(Cloud Alliance),提供以云端架构为基础的「虚拟设计环境」(Virtual Design Environment;VDE),内含经过台积电认证的IC设计后段流程RTL-to-GDSII数字设计以及schematic capture-to-GDSII的客制化设计能力,协助客户安全且灵活的在云端进行IC设计。

台积电加持 云端EDA发展前景可期

根据台积电发布的新闻讯息,位于云端的OIP VDE数字设计以及客制化设计流程,结合了制程技术档(process technology file)、制程设计套件(Process design kit;PDK)、基础硅智财(foundation IP)以及设计参考流程(reference flows)等OIP芯片设计辅助数据,并通过了充分的测试程序;为了降低客户首度采用云端方案的门坎并提供足够技术支持,Cadence与Synopsys将扮演在第一线直接服务客户的角色,各自经营位于AWS与微软Azure的「虚拟店面」,协助客户架设VDE。

在官方新闻稿中,台积电技术发展副总经理侯永清表示:「云端无所不在,并且会全面影响未来芯片设计的进行;」而台积电是第一家与伙伴合作提供云端设计解决方案的晶圆代工业者,「OIP VDE能提供客户弹性、安全,透过硅晶认证的云端设计解决方案,帮助他们按照需求有效地扩充运算设备,进而加速下一代系统芯片的上市时间。」他也指出,台积电「对于整个云端的趋势感到振奋,我们不只在公司内部采用云端处理先进制程设计上所需的大量高速运算…我们提供的云端解决方案除了可以执行系统芯片设计所需的大量批次化运算,更确保了例如客制化芯片布局等高度互动性的设计工作能够在云端上顺畅地执行。」

由Cadence以及Synopsys个别经营的台积电OIP VDE虚拟店面都已经上线,其中Cadence的Cloud-Hosted Design Solution已有成功的设计定案完成,是与微软以及台积电的IP联盟伙伴SiFive合作,由分别位于印度与美国的设计团队共同在微软Azure上的VDE完成64位多核心RISC-V架构CPU设计,可用于执行RISC-V的Linux操作系统和相关应用程序。

此外Synopsys为台积电OIP VDE提供的云端解决方案(Synopsys Cloud Solution)也已上线,适用AWS以及微软Azure的云端环境;Synopsys表示,该公司的云端解决方案运用了PrimeTime时序分析、签核、StarRC萃取等工具的扩充性,也运用了IC Validator签核实体验证、HSPICE、CustomSim与FineSim电路仿真、SiliconSmart特性分析、VCS功能验证、VC Formal形式验证以及Z01X故障模拟(fault simulation)等等功能加速设计周期。Synopsys并与AWS合作以云端解决方案完成台积电7纳米制程PCIe 5.0高速DesignWare PHY硅智财的产品设计定案。

台积电预期,其他EDA供货商最终也将加入OIP云端联盟,并将前段设计流程也纳入云端解决方案中;为了测试云端服务的能力,台积电也正在利用此服务设计5纳米制程(N5) SRAM。该公司设计基础架构营销事业部资深协理Suk Lee在10月初台积电公布云端联盟成立讯息后接受EE Times美国版编辑采访时表示:「我们还没测试所有可能的组合,但考虑到我们的PDK已经通过认证,我们对此服务信心十足;」他并透露,该公司主管是在云端服务发表的六个月前才同意建立此一服务:「我们在云端进行了N5 SRAM的开发,这说明了我们对于使用此服务的自在程度。」

在云端设计IC可能比在你家设计更安全?

有了半导体产业龙头厂商台积电的加持,云端EDA的发展前景看来更为乐观;但即使如此,对于从未接触云端方案的IC设计者来说恐怕仍会担心,若要跟上「老大」的脚步,是否会需要花费额外的时间精力(当然还有成本)来学习全新的设计流程与接口?要使用台积电的OIP VDE,一开始需要聘请台积电的合作伙伴之一,根据需求以及授权协议来建立客制化网站;而Cadence与Synopsys在为客户建置设计环境方面都有丰富的经验,能提供充分的技术支持,AWS与Microsoft也都对自家云端环境接口的易用性与安全性信心满满。

已经拥有台积电云端平台使用经验的SiFive执行长Naveed Sherwani在10月初接受EE Times美国版编辑访问时指出,采用该云端服务需要一些前置作业时间,包括设置由云端服务业者托管的在线专属空间,还有拟定、签署保密协议(NDA)以及商业相关条款等等文件,不过使用者最终会看到云端业务流程的高效率;Sherwani表示SiFive正朝着以云端入口提供其IP授权与设计服务的方向发展,尽管还有一段路要走,但该公司看好其潜力;他指出,SiFive位在美国硅谷与印度Bangalore的团队透过云端进行设计,「在不到三个月时间就完成了整套前后段设计,创下速度上的新高纪录。」

至于利用云端进行设计的成本?Sherwani表示,因为SiFive在云端上完成的设计案因为并非商业产品,他们并未评估设计成本。透过云端EDA进行设计的成本会取决于使用者所选择的CPU与储存容量配置,不同的云端服务供货商会有不同的计费模式。而针对初入云端的使用者,微软Azure则是针对台积电OIP VDE推出了包括免费账号、30天内有效的200美元消费点数,以及多项Azure在线产品免费试用的方案,希望吸引更多IC设计工程师上云端。

曾经是芯片设计工程师的微软Azure硬件基础工程部总经理及杰出工程师Kushagra Vaid接受EE Times Taiwan访问时表示,随着半导体制程迈向7纳米以下节点,越来越复杂的芯片设计案也会需要越来越大量的运算性能与储存空间(参考图1),但若要为此不断扩充自家硬件基础设施,对IC设计业者来说会是一大负担,云端EDA方案正可以提供兼具成本效益与弹性的解决方案。他指出,IC设计者使用建置于Azure的VDE,除了不需要额外的软硬件设备投资,EDA工具接口也会与他们原本所使用的一样;至于使用者会担心的安全问题,「我们每年在安全技术上的投资达到10亿美元,而且全球有数千位工程师负责维护数据安全;」多数企业恐怕还不一定能为自家数据中心的安全做到如此保障。

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图1 芯片设计案需要的运算量与储存容量不断升高 (图片来源:Microsoft Azure)

在AWS负责全球半导体业务开发、拥有IC与EDA产业界丰富资历的Pellerin在稍早前接受EE Times美国版访问时也指出,在过去的几年间,随着一线公司将更多产品以及IT架构转移至云端,安全性问题大部分都已经解决,而像是金融服务与制药等产业,都已经透过AWS或其他云端服务业者证明这个概念;他表示「我们已经来到了EDA与计算机辅助工程(CAD)的新发展阶段,平台正在转移,就是云端。」

结合最新IT科技 IC/电子产业迈向崭新未来

或许可以说,无论硬件设计工程师们是不是能接受,传统设计平台的转移将会是一个不可避免的趋势;就像是一般消费大众已经感受到了云端技术所带来的便利性与效益,随着各种专为IC设计与电子业者量身打造的云端环境与服务不断精进,以及像是台积电这样拥有庞大生态系统影响力的重量级厂商持续采用与推广,在云端进行IC与各种电子系统设计的习惯养成只是时间问题。

云端环境能为复杂IC/电子系统设计案带来的优势,除了提供在运算性能与储存容量方面的可扩充性,未来当设计方法导入越来越多人工智能(AI)、机器学习(ML)等相关技术,云端运算也会成为不可或缺的元素。试想有一天,当电子装置的每一个组成组件、以及从组件到系统的整个设计流程都完成数字化并跃上云端,再结合AI与物联网等技术,能实现的不但是更高的工作效率与生产力,还有更符合终端使用者需求、更容易维护与改善的产品,也能让设计工程师有更多的时间专注于创新。

当设计平台朝向云端转移,也会衍生全新的商业营运模式;例如一家诞生在台湾的业者富比库(FootPrintKu),提供的是一种结合AI的EDA文件档案云端管理平台,能为电子系统设计业者根据其使用的EDA工具,建立客制化的零件规格表、电路符号或是零件3D模型,并藉由机器学习分析客户需求,为工程师提升设计项目的执行与管理效率,同时加速产品设计流程。而产业界也开始思考,是否能将金融科技所运用的区块链等技术,运用在硬件生产的连网设备上以实现更高等级的安全防护与资源共享……各种最新IT技术将为半导体产业带来哪些新面貌?且让我们拭目以待!

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