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进军流体力学分析,Cadence系统仿真的棋局会怎么下?

时间:2021-05-06 作者:邵乐峰 阅读:
Cadence Sigrity X是Sigrity产品系列近十年来取得的最大突破,其意义远不止重新设计的引擎架构和颠覆性的用户界面,它将推进客户“对生产力的理解和SI/PI设计理念的全方位转变。”
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为了解决5G通信、汽车、超大规模计算,以及航空和国防领域面临的系统级仿真规模和扩展性挑战,Cadence公司日前正式发布下一代Sigrity X信号和电源完整性(SI/PI)解决方案。按照Cadence公司定制化IC和PCB事业部系统分析副总裁Ben Gu的说法,Sigrity X是Sigrity产品系列近十年来取得的最大突破,其意义远不止重新设计的引擎架构和颠覆性的用户界面,它将推进客户“对生产力的理解和SI/PI设计理念的全方位转变。”

简单回顾一下Sigrity的发展历程:

1997年,时任纽约州立大学教授的方家元博士创建了专注于信号与电源完整性分析的Sigrity公司,直至2012年7月,被Cadence宣布以8000万美元的价格完成收购。

2019年,随着Cadence宣布从传统EDA公司向系统级公司转型,Sigrity家族也迎来了两位新成员:3D电磁仿真工具Clarity 3D Solver和热仿真工具Celsius Thermal Solver。进入2021年后,看到越来越多的客户开始向高速设计迈进,Cadence认为有必要适时推出一款具备更高性能、更大容量和同等可信精度的Sigrity产品,于是Sigrity X应运而生。

Sigrity的独特价值在于能够面向系统、印刷电路板和IC封装设计提供丰富的信号与电源完整性分析功能,旗下四条产品线:电源完整性、SerDes/DDR信号完整性、互连抽取(Interconnect Extraction)和IBIS建模,能够与Cadence Allegro和OrCAD设计工具形成强强组合,提供全面的前端到后端的综合流程。目前,Sigrity已经成为信号/电源完整性分析(SI&PI analysis)领域黄金标准解决方案。

重新定义SI/PI

Sigrity X搭载了全新的用于系统级分析的强大仿真引擎,并采用旗舰Cadence Clarity 3D Solver场求解器创新的大规模分布式架构(massive distributed architecture),取代了此前的一体化架构(monolithic architecture),一举将仿真速度和设计容量提升了10倍,在此基础上,Sigrity X还提供全新的用户体验,支持不同分析工作流程间的无缝过渡,进一步缩短复杂系统级SI/PI分析的设置时间。

相比Sigrity 2019,Sigrity X将仿真速度和设计容量提升了10倍

“很多人问我Sigrity X中的X代表什么意思?显而易见,X代表罗马数字10,正好与Sigrity 10倍的性能提升相契合。当然,也有人说X像一双翅膀,是给Sigrity加上了一双腾飞的翅膀。”Ben Gu说,这得益于Cadence对设计数据库进行了大规模的并行化处理。简单而言,就是将一个规模庞大的设计项目分割成很多小的部分,然后让多个计算机对分割出来的这些子项目进行协同仿真,这样做既能够提升性能和容量,又确保仿真精度没有任何损失,这与业界其他工具所宣称的“分布式”理念有着本质的不同。

Sigrity X仿真精度没有任何损失

他对《电子工程专辑》表示,之所以要将仿真速度和设计容量提升10倍,且保持精度不变,源于Cadence观察到目前5G部署越来越普及,高速系统设计越来越复杂,导致传统仿真在内存、运行时间等方面遭遇到前所未有的挑战,相当多的客户非常希望能有一款既能够分析PCB和封装,又不损耗精度的仿真工具。

另一方面,随着云计算和IT技术的不断发展,存储价格反而开始反超CPU,这为大规模分布式运算的部署提供了思路——即可以用更多、规模更小、价格更便宜的CPU,而不是使用更昂贵的存储产品来解决问题。

在他列举的一个实际案例中,通过使用Sigrity X,一家客户原本需要1.6T内存才能仿真出来的问题,最终只用了4个128G的机器就实现了。这对大型系统厂商而言,无疑是“0”和“1”的区别,正是因为有了创新的分布式运算新架构和代码优化,才使得很多此前无法实现的仿真现在都得以实现。

并行化处理将不可能完成的仿真变为可能

分布式运算无论从概念到应用都并非是最新提出的。但Ben Gu指出,这一理念被用于信号和电源完整性分析领域尚属首次,而且从2012年开始,Cadence几乎所有的工具都开始向着分布式架构迈进,最具代表性的就是电源完整性仿真工具Voltus,这是业界第一款大规模分布式的运算工具。进入2019年,分布式运算架构技术进一步上升至系统层面,从Clarity、Celsius到Sigrity,都基于这一设计理念。

新一代Sigrity可以与Clarity 3D Solver场求解器同步运行,并与Cadence Allegro PCB Designer设计工具和Allegro Package Designer Plus封装设计工具紧密集成。这一全新特性可以帮助PCB和IC封装设计师将端到端、多重结构和多母板系统(发射机到接收器或电源到功率耗散器)结合,确保SI/PI成功签核。此外,Sigrity X与Cadence Virtuoso工具也有集成,用户不必再单独打开其它工具就能够直接进行in-design分析,从而实现更快的迭代。

此外,为了更便于设计者使用,Sigrity X对GUI中一些传统图标的样貌进行了修改,使之更接近于当前比较流行的设计风格;设计风格也做出了较大调整,更贴近于Windows 10的GUI设计风格;为新手工程师准备了很多“工作流程(Work Flow)”,只需点击一次按键就能完成相关作业。

Ben Gu借用了“新瓶装老酒”的说法来解释Sigrity与Clarity之间的关系。所谓的“老酒”,指的是尽管把Clarity所有的技术都移植到了Sigrity中,但Sigrity的核心算法没有被改动。尤其是考虑到Sigrity已经成为“黄金工具”,被上千家客户用来做设计签收,所以更不能对仿真结果有任何随意的改动。而“新瓶”,则意指通过大规模分布式运算技术来改变Sigrity的整个软件构架,从而在性能和容量方面获得大幅提升。

“在对DDR5/DDR6这样的高速系统进行信号完整性和BAS分析的时候,要抽取的带宽已经从过去的10G猛增至现在的40-60G。可以这样说,在带宽高到一定程度之后,整个Sigrity可能都不再是一个适合的工具了,客户需要考虑使用Clarity去做更精确的仿真签收。”他说。

进军系统仿真领域

不过,Sigrity X的推出,只能算是产品线的划时代“演进”,而更具“革命性”意义的事件,则是Cadence宣布进军包括流体力学分析(CFD)在内的系统仿真领域。

“EDA市场每年的增幅大约是10%-12%,很稳健,也很健康,但我们觉得可以做得更好。因为很多EDA领域的知识可以用在系统仿真领域,这也是跟EDA最接近的一个领域,Cadence内部将其称之为‘系统创新(system innovation)’,包括simulation analysis、PLM、design database等等,都是我们想涉足的领域。”Ben Gu说,2020年,Cadence系统仿真部门取得了超过30%的业绩增长,但公司其实还有更大的构想,例如希望帮助用户利用AI和ML技术实现design construction,对数据进行分析进一步提高生产力等,会在未来几年内逐步加以布局。

在这样的背景下,2019年,Cadence以Sigrity为基础成立了系统(多物理场)仿真事业部,并将Clarity 3D-EM引擎抽取出来进行大幅度革新,推出了Clarity 3D Solve。同时推出的还有基于Sigrity中的热仿真工具PowerDC创新而来的Celsius Thermal Solver热仿真求解器。

几个月前,Cadence做出了一个更大的挑战,宣布收购在汽车发动机、航空发动机分析领域顶尖的流体力学公司NUMECA。Ben Gu表示,流体力学仿真领域市值约为16亿美元,远大于EDA关注的很多细分市场,公司上下对有机会进入这样一个全新的领域而感到相当兴奋。

下图显示了Cadence多物理场仿真事业部目前拥有的产品类型,包括用于电场仿真分析的Voltus/ESD两款产品;电磁场领域的Sigrity X/Clarity;热仿真工具Celsius;流体力学分析工具Numeca,今后几年内,该事业部还将涉足更多领域,并同时积极地寻求收购机会。

Cadence多物理场仿真事业部目前拥有的产品类型

Ben Gu认为,尽管刚刚涉足系统仿真领域,EDA技术和系统仿真需要解决电磁、光、力、热等多物理问题看起来也不一样,但这些问题在经过数学抽象化之后,其本质就会变成非常巨大的系数矩阵,从而趋于一致,这就为把此前在电路仿真、电磁场仿真领域积累的技术应用于系统仿真领域奠定了基础。同时,强大的客户支持和出色的人才储备,也为公司注入了竞争的底气。

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邵乐峰
ASPENCORE 中国区首席分析师。
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