如今,电动汽车、自动驾驶正在掀起一场行业革命,这必然对高性能汽车电子芯片如饥似渴。该类芯片的功能、安全性、信息安全、功耗等各种苛刻要求,都将为设计带来前所未有的挑战。如何克服?自然离不开先进的EDA设计工具!本文基于EDA领域专家们的观点,详细介绍了本土汽车芯片领域EDA的发展状况、面临的问题以及发展前景。

伴随着汽车电子化、智能化的快速发展,以及越来越多的汽车功能要求,国内外芯片、Tier1、OEM等厂商都在开发拥有强大计算能力的车规芯片,以期整合更多的功能,给终端用户带来更好的体验。

CES 2024上,这种趋势显露无疑——有超过700家汽车和出行技术相关企业参加,其中既包括传统芯片巨头英特尔/AMD和“跨界新贵”高通/英伟达围绕智能座舱、自动驾驶领域展开的激烈竞争,也能看到越来越多的主机厂和Tier1方案商亲自下场,比如比亚迪、小米、吉利等,为了实现更好的差异化体验,从芯片阶段就开始参与产品定义和开发。

尽管这些厂商都拿出了相当出色的解决方案,但《电子工程专辑》注意到,作为汽车SoC和系统的基础技术,却很少有人从EDA的角度来讨论汽车电子芯片和系统面临的机遇和挑战,本土EDA公司的声音更是寥寥,这与当前中国在新能源汽车和自动驾驶领域的地位并不相称。为此,特意采访了数家本土EDA企业的专家,希望他们能从不同的技术角度为A/V系统或汽车SoC的设计者提供新的见解。

来自EDA的支持

众所周知,区别于其它电子工程系统,汽车电子芯片和系统不仅对智能化、安全性、可靠性提出了更高的要求,在计算机视觉、算法优化、隐私处理、OTA等方面也都面临着各种挑战。那么,在解决用户痛点方面,EDA厂商能提供怎样的支持?

“我们可以在很多方面提供支持,比如在性能和功耗上进行优化、采用先进的Chiplet设计技术、在协同工作上予以支持等等。”英诺达(EnnoCAD)董事长王琦在接受本刊采访时表示,其实不仅是车规芯片,EDA还可以帮助设计师解决更为复杂的难题:例如提高电动汽车电池的使用效率和寿命;通过最新的设计方法学,让城市交通基础设施更加智能、安全和可靠。

以功耗为例,一辆自动驾驶汽车每天可以产生数个太字节(TB)量级的数据,堪称“移动的数据中心”,芯片厂商要在满足性能的前提下同时控制功耗,这也就是为什么人们可以看到在很多车规芯片产品中,功耗成为芯片设计亮点的原因。此外,大多数芯片研发团队分散各地,如何更好地优化算力部署、促进协同合作也是面临的问题之一,尤其是对算力需求庞大的验证团队而言,更是如此。

思尔芯(S2C)创始人、董事长兼CEO林俊雄则指出,随着智能网联汽车在电动化、网联化、智能化、共享化等方面的发展需求不断增长,汽车电子电气架构(EEA)面临技术演进和变革的挑战,也向着“软件定义汽车”方向逐步演绎和进化,这些变革推动了从传统的分布式架构向域集中式、中央集中式、甚至车路云一体化架构的发展转变。

林俊雄,思尔芯创始人、董事长兼CEO

为此,思尔芯采取了“通过异构验证方法来帮助汽车领域加速芯片设计”的策略。概括而言,就是考虑到在芯片开发的各个阶段会有不同的设计与验证需求,通过整合多种验证方法,包含架构设计、软件仿真、硬件仿真、原型验证,确保满足从IP开发、架构探索、SoC集成,到软硬件集成、软件开发、系统验证等各阶段的设计验证需求。

芯华章(X-EPIC)科技首席市场战略官谢仲辉认为,可以从两方面看待EDA对于主机厂和Tier1方案商的帮助,一方面在于帮助车规级芯片的敏捷开发,例如:

系统级安全:传统芯片的功能验证是保证芯片的各项功能的正确性,但是在安全性、可靠性要求更高的汽车系统里面,还必须考虑系统的功能安全措施及其有效性,也就是说,即使在某些极端情况(比如芯片或系统功能失效)下,也要确保其安全保障措施能够展开。

更好的软硬协同:在车规芯片的应用、测试过程当中,需要与搭载的软件提前进行配合,才能够降低芯片在整车应用过程中的风险,确保低故障的同时,又能够让芯片的性能真正的发挥。

更好的差异化体验:芯片和应用软件的协同开发,是未来汽车领域产品差异化及提升用户体验的关键点之一,借助强大的仿真、定义、验证工具,能够帮助产品实现更好的差异化,从而为用户提供更高性价比的产品。

另一方面,“我们鼓励发挥智能汽车产业协同优势,一起建立自主安全、高效可靠的新生态。”他说,一款优秀的场景和芯片仿真验证工具,可以帮助解决时间、人才、工具等三方面的挑战,更快地进行定制化芯片的研发,降低开发人才门槛,缩短开发周期,并降低各项功能及安全风险。

谢仲辉,芯华章(X-EPIC)科技首席市场战略官

变则通,通则久

车规芯片是一个复杂的软硬件系统,也更强调软硬件协同开发。受访者均表示,为加快车规芯片设计的速度,并在最大程度上实现创新和差异化,EDA厂商需要在理念、工具、设计方法学等方面做出不小的改变。

在谢仲辉看来,要想在整车架构趋同、功能同质化严重的智能汽车时代,重“芯”构建生态,给车主带来更加个性化的场景体验,就需要更加智能化的算法和超性价比的系统方案。但是今天,一款车型的SOP大概需要36~48个月,芯片的开发周期也需要24~36个月,9成以上的在售新车型,都在用上一代芯片。如何让新车不再用“旧”芯片,是芯华章希望赋能行业解决的核心问题。

他以芯华章和芯擎科技的合作为例,进一步阐述了上述理念。借助芯华章车规级EDA验证工具,芯擎科技能够在芯片设计阶段就进行和真实应用场景一致的系统级软硬件联合仿真和调试,提升了系统级应用环境下软硬件协同表现,降低芯片在整车应用过程中的风险。

这其中涉及到了芯华章提出的“PIL处理器在环仿真”概念。目前,这一概念已经被收录在中国汽车工业协会发布的《中国汽车工业软件发展建设白皮书》中。

据《电子工程专辑》了解,PIL融合了场景仿真和芯片仿真技术,能够更好打造从芯片到主机厂的闭环,结合整车V开发模型,从系统出发,提供了基于场景的ECU评价体系、算法优化解决方案,支持车规级芯片提前1~2年实现定点上车,并通过云场景遍历仿真为HIL测试节省80%的时间。

在面向城市道路、户外越野等汽车行业诸多丰富且独特的应用场景,需要基于特定场景,融合更快、更高性能、更安全的芯片仿真技术,如此才能有效降低芯片在整车应用过程中的风险,在确保低故障的同时,又能够让芯片的性能真正发挥出来。

另外,面向车规级产品更高的安全要求,作为整个开发流程中的重要工具,EDA产品也需要取得相关的功能安全认证,诸如ISO26262标准等,才能够符合车规产品的安全开发要求,进入到整个开发流程中。

“我们主要通过并行驱动,左移周期方法,帮助车规芯片的软硬件协同开发。”林俊雄说,在车规芯片设计的初始阶段,思尔芯采用了系统级或行为级的软硬件设计方法,以实现从设计源头开始的最大效率提升。这种方法体现在几个关键环节中:

早期设计阶段:使用思尔芯的“芯神匠”架构设计软件(Genesis Architect),设计团队可以在设计的早期阶段进行有效的规划和架构设计。这不仅提高了设计的精准性,也加快了后续开发流程。

协同建模(Co-Modeling):通过“芯神瞳”原型验证(Prodigy)与“芯神匠”架构软件的结合实现了软件与硬件的协同建模。这种协作不仅优化了早期软件开发阶段,还增强了系统合规测试和客户演示(Customer Engagement)的有效性。

并行驱动的工作流程:传统的线性开发流程被转化为并行模式,这意味着不同阶段的设计验证工作可以同时进行。这种方法不仅缩短了总体开发时间,还为在设计和验证过程中实现时间上的提前(即“左移”)提供了可能。

通过这些改进,思尔芯不仅加速了车规芯片的设计过程,还为创新和差异化创造了更多可能性,帮助客户在竞争激烈的车规级芯片市场中获得优势。

而根据王琦的观察,在“软件定义汽车”几乎已经成为汽车行业共识的时代,要加速车规芯片的设计,就要将软件开发的进度提前。举例来说,为了充分利用仿真加速器的查错定位能力,英诺达的SVS系统验证平台可以把原型验证的环境移植到仿真加速器上,问题可以很快复现出来,然后再利用仿真加速器的信号全可见去查错定位。

在此基础上,为了进一步提高协同开发的效率,EDA上云是另一个不错的模式选择。除了有助于研发团队异地合作、加速设计迭代周期外,也可以为厂商降低研发成本。毕竟,EDA硬件自身价格高昂、难以维护,而且无论是成熟还是先进工艺制程,目前软件开发和验证的成本总和超过了IC设计总成本的一半以上,是芯片厂商流程和成本优化的重点对象。

消除顾虑放手一搏

坦率的说,本土EDA公司涉足汽车行业的时间并不是太长,在面对国产EDA工具时,尚不能完全排除一些IC设计公司、Tier1、OEM等心存顾虑的情况,这也是眼下必须要解决的现实问题。那么,该如何克服这一挑战呢?

王琦从两方面阐述了自己的观点:一是本土汽车IC设计企业已经进入创新和弯道超车的轨道,他们有不少新的设计思路和产品,会对EDA产生新的需求。本土EDA虽然刚刚起步,在产品丰富度和成熟度上不及国际大厂,但优势也恰恰在于研发和技术支持都是本地团队,可以给设计企业提供全方位的技术支持,依靠经验和最先进的设计方法学,帮助客户解决设计上的难题。当然,这一过程有赖于上下游企业的互相信任,当积累了足够多的成功案例之后,客户的顾虑也自然不复存在了。

其次,国产EDA厂商应该聚焦擅长的领域,重点发力。就像英诺达那样,选定低功耗和静态验证EDA工具进行重点突破,并在该领域持续投入资源进行技术研发。只有这样,产品才可以快速迭代、与时俱进,增加了其在同类产品中的竞争力。

对于上述挑战,林俊雄亦不否认,但强调称,“国内EDA厂商正在迅速克服这些困难,从最初的基本可用性逐渐转向用户友好和自动化流程。”

以思尔芯为例,作为国内首家数字EDA企业,也是第一家推出原型验证的EDA供应商,在其20年的发展历程中,产品从单个点个工具发展为5大产品线及EDA云服务,为全球超过600家客户提供了全面、成熟、稳定且可靠的芯片设计验证解决方案,服务的客户包括世界前十大半导体企业中的六家以及中国前十大集成电路设计企业中的七家。此外,思尔芯还荣获多项荣誉,如上海重点EDA企业和国家级“专精特新”小巨人等,并参与制定中国的EDA标准。

林俊雄为读者分享了一个实例:一家专注于自动驾驶SoC的公司在芯片设计阶段进行IP选择时遇到了难题——“他们在物理接口(PHY)和控制器(Controller)部分遇到了若干兼容性问题,并被其长期困扰”。通过对多种解决方案进行对比择优,客户最终选择了思尔芯和芯动科技的EDA+IP敏捷开发平台。通过这样的合作和技术创新,思尔芯能够帮助客户克服复杂设计挑战,加速产品上市进程,进而提升企业在竞争激烈的市场中的地位。

通过该实例,也许能帮助人们从另一个角度读懂本土EDA企业是如何通过深入挖掘应用领域的需求,与IP供应商等生态合作伙伴紧密联合,打造一个更加全面和协同的生态来更深入服务车用客户,最终赢得客户信任的。

“无论是对于芯华章,还是整个国产EDA行业来讲,取得用户信任都是非常重要的一个挑战。这部分没有捷径,必须要扎扎实实提升自己的技术和产品力,服务好一个一个客户,让他们去帮助整个国产EDA建立口碑。”谢仲辉也借此分享了在建立信任和口碑的过程中,芯华章取得的一些落地成果。

去年,芯华章的逻辑仿真工具获得德国莱茵TÜV集团ISO 26262 TCL3功能安全工具认证,代表相关的工具产品能够支持汽车安全完整性标准最高的ASIL D级别的芯片开发验证,并得到了国际标准的认可。同时,芯华章的车规解决方案还斩获了2023年“汽车芯片优秀应用技术案例”荣誉,该认证由国家市场监督管理总局认证认可技术研究中心联合中国汽车芯片标准检测认证联盟发布,超过50个案例参与评选,最终有8个获得认可。

谢仲辉同时强调称,面向车规级的EDA,除了赋能车规芯片设计外,还可以结合自身在验证仿真、数据处理、算法优化等方面的优势,在系统级建模、场景仿真和量化分析、信息安全以及功耗优化等四个方面,赋能主机厂和Tier 1方案商。

系统级建模:通过在不同设计阶段尽早实现系统级建模仿真,可以帮助设计师从早期就了解到整体系统的构架设计,实现尽早分析和测试,从而达成更好的软硬协同效果。

场景仿真和量化分析:相较于道路实测,通过EDA方式自动生成场景,提高场景覆盖率分析,建立可视化调试手段,可以大大提高测试的完备性和智能化程度,从而提升设计效率,降低整个生产成本。

信息安全:目前车规系统在流量带宽、时序((反馈—制动)、接口信号随机扰动、关键信息抓取回放(capture-and-replay)、机械传感器老化(periodic auditing)、AI算法的可靠性、可信任度等方面都存在较多信息安全漏洞。

功耗优化:在车规芯片阶段,通过算法、结构优化,提升系统功耗表现,助力实现自动驾驶车辆的整车节能。

本土EDA方案成色几何?

“面状布局,点状突破”是当前本土EDA行业现状的典型写照,面对汽车电子系统,他们更需要时间的积累、试错和差异化解决方案。那么本土EDA公司在汽车电子领域进展如何?

思尔芯面向汽车行业提供高效的技术方案和战略布局,实施了精准芯策略(Precision Chip Strategy, PCS),包括并行驱动、左移周期方法,以及异构验证方法。这些策略旨在确保设计正确芯片(Design the Right Chip),确保芯片设计正确(Design the Chip Right)。例如,通过使用通用数字电路调试软件和丰富的外置应用库,建立统一的设计、验证与调试环境,确保在同一芯片项目开发中,不同团队能够实现高效协作,从而提高整体开发效率;架构设计提供全面的架构分析与探索,可以从根本上分析和解决软硬件耦合问题;通过设置丰富的系统应用仿真场景,可以在设计早期实现理论上的优化方案和生态链构建。此外,结合面向服务的软件架构(SOA)理念,可以提高功能单元的复用性,降低产品开发的复杂度和成本。

汽车智能化领域涉及多个领域的融合,需要跨域的协同仿真和部件间的协作,不同方案的策略选择涉及系统架构仿真和迭代,思尔芯的精准芯策略满足了从IP开发到系统验证等各个设计验证阶段的需求。这样的战略布局使得思尔芯能够在汽车领域中提供高效、精准和可靠的设计支持,满足汽车智能化和电动化的增长需求。

芯华章作为数字EDA验证全流程解决方案提供商,相关逻辑仿真工具获得德国莱茵TÜV集团ISO 26262 TCL3功能安全工具认证,是率先在汽车电子做垂直行业布局的中国EDA公司。

芯华章还打造了从芯片到系统的敏捷验证工具链,已发布十数款基于平台化、智能化、云化底层构架的商用级验证产品,完整地覆盖了数字芯片原型验证、硬件仿真、场景验证、静态与形式验证、逻辑仿真、系统调试及验证云等领域,拥有超170件自主研发专利申请。

此外,聚焦汽车电子领域,芯华章与国家新能源汽车技术创新中心、中汽中心、芯擎科技、加特兰等汽车产业生态伙伴合作,提供了故障注入、芯片功能验证、安全验证、芯片功能安全顾问服务以及芯片可测性设计(DFT)方案等相关车规级设计验证与咨询服务。

值得一提的是,公司于2023年战略投资海外汽车电子功能安全解决方案企业Optima,在功能安全的前提下,致力于让新一代车不再用上一代芯片。

英诺达:作为EDA厂商,英诺达目前已初步实现了全流程低功耗解决方案,可以让设计团队做好电源管理,保持电源管理意图在芯片设计各个阶段的一致性和准确性,同时可以在早期预测芯片的功耗水平从而减少、优化芯片的功耗。

最具代表性的英诺达EnFortius®凝锋®LPC可以在设计的全流程对电源管理意图的正确性进行检查;而为了解决“优化效率与估算精度难两全”的难题,EnFortius®RTL级和门级功耗分析工具(RPA和GPA)通过输入设计、信息活动信号和物理参数等文件,既可以实现早期对功耗数据的估算、了解功耗的整体趋势,也可以在设计后期掌握精准的功耗数据。

而这其中,最主要的信号活动文件来源则由英诺达的EnCitius®曜奇®SVS硬件仿真加速器来提供,二者相互配合,可以实现对设计的快速迭代。除此之外,英诺达正在开发的功耗优化工具可以通过以上工具的分析评估结果,在早期对功耗进行系统及全面地优化,该产品预计在今年发布。

以低功耗为切入点,英诺达同时也在布局静态验证领域。不同于仿真验证,静态验证可以提早发现设计的相关问题并做出优化,目前已经推出的EnAltius®昂屹®DFT Checker可以在设计的早期阶段发现与DFT相关的问题或设计缺陷,提高IC设计质量和可靠性。

同时,基于云端的验证平台可以满足设计厂商在多地、多团队进行验证,英诺达SVS验证云平台不仅为客户提供了充足的算力资源,其硬件云资源管理工具支持资源灵活分配、多维度资源使用率统计、资源违例占用检查等功能。可以帮助客户管理硬件仿真和原型验证资源,以应对同一项目内多个工程师分时复用资源,多个项目并行复用资源等应用场景。

结语

“道阻且长,行则将至”,国产EDA行业发展的过程肯定需要满足从无到有的工具补齐,但国产替代不能是简单的追赶,也不能仅仅依靠情怀取胜,还必须要回归到EDA给用户提供的最终价值上。期待有一天,客户在开始选择EDA时认准国产EDA工具,这是整个国产EDA成功的必经之路,也是一条漫长而艰难的奋斗之路。

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