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当摩尔定律跟不上时代,Synopsys提出了一套修正方案

时间:2021-08-03 作者:黄烨锋 阅读:
原来的摩尔定律已经跟不上时代的步伐,首先是可预测性(predictability)跟不上,这一点应该是指需求方对芯片PPA的期望值远高于单纯依赖摩尔定律所能达成的进步;第二点则在于可负担性(affordability),研发和其他方面的开支很难负担;第三点是设计的难易度(ease of design),变得没有那么简单……
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半导体行业这些年的一个重要课题在于,晶体管器件尺寸微缩技术发展放缓、难度增加——也就是话题热度不减的摩尔定律放缓——这原本是驱动技术革新的原动力;但上层应用对性能的需求却一点也没有变低,尤其现在的“数字化生活”转型,海量数据亟待处理,算力甚至有指数级增长需求。

从芯片供需双方的角度来看,2005年从事半导体尖端工艺研究制造的市场参与者还不少,而从前两年GlobalFoundries宣布退出7nm工艺制造之后,市场上就只剩下三家做尖端工艺制造的半导体foundry厂了。这是器件微缩技术挑战急剧增大、成本投入指数级增加造成的。

与此同时,对应的需求客户侧也发生了极大的变化,微软、谷歌、亚马逊、百度、腾讯成为尖端工艺晶圆产品买家。从上面这张图来看,市场的确发生了较大的变化。这是新思科技首席运营官Sassine Ghazi在上周的媒体圆桌会议上分享的内容。

这其实是底层器件微缩技术挑战增大且前进速度放缓,但偏上层的算力需求又仍然巨大,造成的特有的市场现状。难度增大致尖端工艺制造foundry厂数量锐减;与此同时更多偏系统层面的厂商开始涉足芯片设计,意欲通过采用更具市场差异化竞争的Domain Specific Architecture(DSA)芯片,从更偏系统的层面来弥补摩尔定律发展跟不上时代的问题。

事实上,行业内各层级的参与者针对这个问题都在想各种解决办法,比如材料供应商、半导体制造的装备装置供应商,甚至上层软件堆栈。EDA/IP供应商此间也算是重要的中坚力量,Synopsys(新思科技)即是其中之一。

Synopsys位于上海杨浦区的新办公楼最近刚刚对外举办了“揭秘仪式”。我们除了前往参观新落成的办公楼,也从Synopsys那里了解到Synopsys对“数字时代全球集成电路行业的发展新趋势”的理解,以及Synopsys主要作为芯片设计EDA/IP供应商,在面对这一挑战时提出的解决方案。

系统企业的差异化竞争需求

Ghazi 总结“原来的摩尔定律已经跟不上时代的步伐”,包括:首先是可预测性(predictability)跟不上:这一点应该是指需求方对芯片PPA的期望值远高于单纯依赖摩尔定律所能达成的进步;第二点则在于可负担性(affordability),“研发和其他方面的开支很难负担”;第三点是设计的难易度(ease of design),“变得没有那么简单。”

对于微软、亚马逊、百度这类企业而言,当构建超大规模数据中心之时,要凸显性能、功耗、成本方面的优势(尤其是对其下游客户而言),依赖更通用的现成芯片已经很难构成差异化竞争优势。

所以他们更倾向于自己去设计DSA架构芯片,这类“系统企业(system companies)”也因此成为foundry厂的新型客户,也是过往前所未见的。针对这个话题,MIT前两年预测通用计算可能会逐渐边缘化:虽然现在看来这种预测太过激进,但也表现出摩尔定律放缓、通用计算很难再展现出竞争上的优势。

除了这种超大规模数据中心领域的系统企业,Ghazi另外总结汽车、AI相关的系统企业也有这样的需求。与此同时Ghazi总结了在此背景下,行业发展的三个重要趋势。

首先是“做电子系统的公司期望做定制化SoC,这样才能令其与其他竞争对手存在差异化优势”;“其次是系统设计必须包含SoC设计,才能造成差异化”;“第三大趋势是这些系统公司越来越像半导体公司——行业大环境的变化和转型,让这些做系统的公司不仅向系统设计做投资,也必须在芯片设计上做投入,以达成差异化竞争。”

系统层面的解决方案着手

摩尔定律依据的就是晶体管器件的尺寸微缩,但如前文所述,单纯的器件尺寸微缩已经无法支撑PPA的发展需求。“摆在我们面前的共同挑战是原有摩尔定律速度跟不上,我们需要超越摩尔时代。”More than Moore也是这两年提得比较热的一个话题,more than Moore的狭义定义应该是指2.5D/3D集成技术。

今年Synopsys全球用户大会(SNUG World)之上,Synopsys联合创始人Aart de Geus提出了“SysMoore”的概念,作为一种新的芯片设计范式。前缀Sys指的是从系统层面去解决问题,其含义应该比more than Moore的狭义定义更广。

这个概念的提出应该不是一蹴而就的,新思科技全球资深副总裁兼中国董事长葛群在接受采访时说,5、6年前新思科技的口号是“Silicon to Software”,这和SysMoore应该是一脉相承的思路。

从Synopsys对SysMoore发展路径上的解释来看,这条线上最基本的仍然是摩尔定律——即器件尺寸微缩,或者说芯片单位面积内晶体管数量的增多;其次是更高能效(energy efficient)的设计方案——这一点原本就是Synopsys的长项。

第三是2.5D/3D多die设计,也就是狭义的more than Moore,我们此前在多篇文章中也都提到过现在应用尖端工艺的芯片,采用chiplet与2.5D/3D封装工艺的产品正在逐渐增多。这类方案对于避开大die的reticle limit,以及提升芯片制造良率,弹性扩展性能都有很好的收益。

第四,“硅健康的监控(Silicon Health, Reliability & Lifetime),贯穿产品生命周期对硅健康和可靠性做检测。”

除此之外,还包括增加的软件内容、AI技术的应用(AI everywhere)——对EDA/IP厂商而言,包括融入到EDA工具设计仿真、综合、验证等过程中的AI技术,以及为芯片设计企业提供AI相关的IP。在EDA领域,这也是这两年的趋势。

1000倍生产率提升

对应到Synopsys具体的产品方面则如下图所示。这张图的横轴,是从silicon硅,到device器件,到chip芯片,再到system系统级,以及软件、服务多方面、多层级提供所谓的SysMoore。贯穿全过程的包含AI技术、数据连续性(Data Continuum)和可用云的弹性基础设施。值得一提的是,这种多层级、多方位的解决方案要做到统一化,云技术在此应该是不可或缺的——而且云可以在全过程中,对产生的数据做智能分析,进一步实现流程优化。

Ghazi说:“无论是依赖传统的摩尔定律进行芯片设计,还是用SysMoore从系统层面去解决芯片设计问题,我们有志于用我们打造的解决方案,帮助我们的客户提高生产率1000倍。”1000倍这个数字听起来还挺夸张,上个月的世界人工智能大会IC论坛报道文章中,我们刚刚提过1000倍的性能提升——这是此前DARPA对集成电路行业,采用新的架构、新的器件结构、新材料、高级封装,加上摩尔定律的延续,对未来芯片性能进化的预测。

1000倍的生产率提升可能和1000倍的性能提升有差别,不过其大方向应该是一致的。而且SysMoore覆盖的不同层级的技术,与行业大方向的认知一致。这表明行业的未来还是大有可为的。

我们从左往右看。在silicon硅这个层级上,Synopsys比较具有代表性的是DTCO解决方案(设计、工艺、协同、优化)。“这对高级技术制造工艺的客户企业而言,是重要的推动力量;通过DTCO,这些客户能够改善其晶圆设计,对器件进行更好的建模和模拟。” Ghazi表示。

除了silicon硅,再往上图中右侧的层级去走,Ghazi总结了Synopsys在SysMoore解决方案上的一些特点和优势。“首先是融合设计平台(Fusion Design Platform),这是个数字化设计平台,提供最优化的PPA组合。”“我们将融合设计平台与AI结合,做出了DSO.ai,这是行业内第一个用自主AI系统帮助客户进行芯片设计的解决方案。藉由融合设计+DSO.ai,让客户企业用AI系统做芯片开发设计,达成最佳效果,设计流程和推向市场的时间短。”

“第二大优势,体现在我们为做高级技术工艺芯片的客户企业,提供基础IP(foundation IP),加上我们的设计平台,帮助客户带来最优化的结果,实现整个设计流程的可预测性(predictability)。”

“第三大优势,SysMoore从系统层面解决问题。我们提供非常出色的设计基础架构。” Ghazi说,具体的“比如HW/SW Proto,其特点包括在芯片设计完成之前,就能让客户对系统的软件做到心知肚明,不需要在之后再做修改”;再比如3DIC,从Synopsys的官方资料来看,3DIC Compiler是面向多die系统设计和集成的统一平台,包括有图形用户环境、3D可视化;此外,还有安全IP、EDA上云实现优化的设计流和性能等。

以上是从silicon硅、device器件、chip芯片、system系统不同层级,Synopsys一些具体产品的列举;再往上就是软件层级了。”这部分Ghazi着重谈到了“软件质量和安全”,这一点应该涉及到了这家公司的Software Integrity(SIG)业务,此前我们针对AST领域也了解过这家公司的这项业务。早前我们对于Synopsy作为一家EDA/IP企业,组建这类业务感到不解。现在看来,Synopsys组件SIG的业务逻辑还是相当明晰。

在软件之外的最右边就是服务(Services)了。这应该是更具针对性、定制化的解决方案组成部分。“比如说客户有设计方面具体的参数要求,或系统设计方面的具体要求,我们怎样帮助客户确保从系统和设计端具体打造成一个个组分和部件,再跟客户进行交付。”“新思科技因此加大了设计服务团队和解决方案的融合……”

降低芯片设计门槛,持续抓住中国市场

以上其实就是SysMoore的一个完整逻辑闭环了,从EDA厂商的角度而言,是对行业继续前行的一种典型写照,也凸显了EDA/IP在这个时代的重要性。

除了SysMoore之外,这次分享会上给我们留下比较深刻印象的是葛群提到的,“Post-Moore”时代“EDA在角色上,未来很重要的一个改变在于降低芯片设计的门槛,让更多的人能够参与到芯片设计中来。”

 “回想15年前我们要对自己的照片做优化,还得找专业会做Photoshop的人来做;但现在我们用美图秀秀这样的工具,每个人都能对照片做专业美化,不需要任何培训。”葛群说,“做芯片设计的门槛很高,做芯片设计需要EE、计算机科学或者相关专业,还得培训5-10年以上才有机会。”

如果EDA能实现芯片设计的简化,降低芯片设计的门槛,“让更多的人参与到芯片设计中来,这非常符合中国现在的发展需要,释放中国未来的产业发展。”葛群表示。Ghazi说新思科技2020财年营收的37亿美元中,中国市场的贡献达到了11.4%,这是能够表现中国集成电路行业的飞速发展和市场需求的。

在社会数字化转型过程中,“中国的系统应用最多,中小型企业的活力最大”。葛群特别谈到,接下来中国的数字化转型要做的是产业数字化,“就是将原来已经存在几十年、上百年的传统产业,通过数字化技术,提升生产效率、令其体量变得更大。”

“如何让数字技术不断进步,并将其与各行各业,包括农业、化工、教育等行业做有效结合与落地,就是新思接下来要做的工作。这与SysMoore的思路是一脉相承的,将芯片设计、电子技术在每个行业落地。”葛群表示,“不同的行业有不同的要求,我们有了市场需求的理解以后,能够更好地帮助中国不断涌现的初创公司。”中国芯片设计市场的火热,大概就是SysMoore在中国推行的基础。

责编:Luffy Liu

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黄烨锋
欧阳洋葱,编辑、上海记者,专注成像、移动与半导体,热爱理论技术研究。
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