芯片設計行業(yè)的新趨勢

芯片設計隨著時間推移正在變得越來越復雜是業(yè)界人士的共識，但是究竟“復雜”體現(xiàn)在哪些方面，并且隨著復雜度提升，還有哪些沒有解決的問題，這就需要深入的考察和研究。上周，西門子EDA和Wilson Research完整公布了2022年兩家公司一起合作的芯片設計報告，該報告的定量分析為我們提供了一些重要的洞見。在研究了該報告后，我們認為，芯片設計變得更復雜不僅僅體現(xiàn)在芯片晶體管規(guī)模變大上，還體現(xiàn)在SoC復雜度的提升上，而SoC復雜度提升會帶來一系列的改變，包括設計方法學的變化，以及設計驗證方面的新需求。這些新的變化和新需求將會驅動未來幾年芯片設計的變革。

芯片復雜度的多維度提升

隨著人工智能、智能汽車等新應用的出現(xiàn)，芯片復雜度正在慢慢提升。芯片復雜度的提升可以是一件多維度的事情，一方面，它可以體現(xiàn)在晶體管數(shù)量的增大上；另一方面，它也可以體現(xiàn)在芯片中復雜子系統(tǒng)的數(shù)量上。

從芯片的晶體管數(shù)的角度，西門子／Wilson的研究報告中，36%以上的芯片項目門數(shù)達到了千萬級，而門數(shù)在百萬級以下的項目僅占30%，因此從晶體管數(shù)的角度，今天芯片的復雜度確實已經大大提升。

但是晶體管數(shù)并非唯一考量。例如，在一些芯片中，片上內存（如緩存）可以占據(jù)相當大的門數(shù)，但是其整體設計復雜度未必會很高。因此，另一個芯片復雜度的觀察角度是芯片子系統(tǒng)的數(shù)量。在SoC中，每一個芯片子系統(tǒng)都有其獨特的功能，而且當芯片子系統(tǒng)數(shù)量更多時，如何讓這些子系統(tǒng)能很好地工作在一起就是一件具有挑戰(zhàn)性的事情。因此，芯片的子系統(tǒng)數(shù)量也是衡量整體芯片復雜度的一個重要指標。然而，芯片子系統(tǒng)的數(shù)量并不容易統(tǒng)計，而一個可以和這個數(shù)字掛鉤的數(shù)據(jù)就是芯片上使用的處理器數(shù)量。通常，當芯片子系統(tǒng)的復雜度超過一定程度時，都會單獨配有一個為它服務的嵌入式處理器。因此，統(tǒng)計一個芯片上嵌入式處理器的數(shù)量可以從一定程度上體現(xiàn)芯片上復雜系統(tǒng)的數(shù)量，從而體現(xiàn)芯片設計復雜度。

從芯片上嵌入式處理器數(shù)量的角度，首先我們可以看到今天74%的芯片擁有至少一個嵌入式處理器；而一半以上的芯片項目擁有兩個以上的嵌入式處理器，15%的處理器有8個以上的嵌入式處理器。從這個角度來看，今天的芯片設計從系統(tǒng)角度也確實是越來越復雜。

綜上所述，我們認為芯片設計的復雜度提升不僅僅體現(xiàn)在晶體管數(shù)量上，還體現(xiàn)在系統(tǒng)復雜度上。這些復雜度的提升是由于應用端的驅動（例如人工智能，智能駕駛，下一代智能設備等），在未來隨著這些系統(tǒng)的進一步普及，我們預計會進一步推高芯片系統(tǒng)的復雜度，這也會給芯片設計行業(yè)帶來相應的變化。

芯片系統(tǒng)復雜度正在改變芯片設計生態(tài)

芯片系統(tǒng)復雜度對于芯片設計生態(tài)的影響是多方位的。首先，如前所述，隨著應用的驅動，芯片系統(tǒng)復雜度上升，整個芯片系統(tǒng)上復雜度較高的子系統(tǒng)數(shù)量上升，這也就讓芯片上需要的嵌入式處理器數(shù)量提升。一方面，應用驅動了對于嵌入式處理器需求的提升；另一方面，如果有成本較低、設計較為靈活的嵌入式處理器，也將能進一步賦能這樣的復雜度提升。

從這一方面來看，RISC－V可謂是切中了芯片設計復雜度提升的需求，未來可望會越來越多地得到應用，并且從另一個角度越來越多地滿足復雜芯片系統(tǒng)對于嵌入式處理器的需求。RISC－V是一種開源處理器指令集，任何人有能夠自由使用該指令集，并且在其基礎上進一步定制滿足自己需求的額外指令集。對于有實力的廠商來說，使用RISC－V指令集可以自主開發(fā)屬于自己的處理器，并且使用在自己的產品中；而對于中小廠商，也可以選擇SiFive等公司提供的RISC－V處理器IP來使用。目前，使用RISC－V作為對于計算性能要求不高的嵌入式處理器／MCU已經成為越來越多芯片的選擇，其背后的主要原因就是基于RISC－V處理器的成本和靈活性。而西門子／Wilson的2022年芯片設計報告也進一步證實了這一觀點：2022年有30%的芯片使用了RISC－V處理器，而這一數(shù)字在2020年僅為23%。在未來，我們預期RISC－V得到進一步廣泛的應用，并且從另一方面也進一步賦能芯片系統(tǒng)復雜的提升。

除了嵌入式處理器之外，隨著芯片系統(tǒng)復雜度提升，對于芯片系統(tǒng)設計的另一個改變就是如何把這些系統(tǒng)用高效而可靠的方法連接到一起，可以互相通信，互相訪問內存等。這就需要越來越多地使用NoC（network－on－chip）。NoC將會越來越多地成為SoC系統(tǒng)上的基礎IP，來確保芯片系統(tǒng)設計能更加高效地拓展其復雜度和設計規(guī)模。根據(jù)市場研究公司Brainy Insights的研究，未來十年內NoC的年復合增長率可達7.9%，因此我們也預期會在未來越來越多的大規(guī)模高復雜度芯片中看到NoC的使用。

因此，我們認為從設計IP角度，新的嵌入式處理器（RISC－V）和片上互連（NoC）將會成為重要的新看點，來驅動和賦能芯片系統(tǒng)復雜度進一步提升。

芯片驗證將成為重中之重

除了新的設計IP之外，復雜芯片的驗證將會成為另一個挑戰(zhàn)。如前所述，復雜芯片包括了越來越多的子系統(tǒng)，首先每一個子系統(tǒng)的驗證隨著其復雜度的提升會越來越具有挑戰(zhàn)性。其次，多個復雜子系統(tǒng)的協(xié)同工作和驗證將會成為另一個芯片驗證的難點。最后，芯片系統(tǒng)中每個子系統(tǒng)存在異質性，例如，高性能模擬/混合信號模塊（例如內存接口等）越來越多地使用在復雜芯片系統(tǒng)中，這也給整體芯片系統(tǒng)的驗證帶來了挑戰(zhàn)，因為不同的子系統(tǒng)的驗證方法并不一致。

芯片驗證首先需要提高效率，降低需要的時間。根據(jù)西門子/Wilson的報告，2022年的芯片項目中，高達三分之二的項目沒能按照原定的時間交付，這也說明了目前的芯片驗證系統(tǒng)對于復雜芯片尚需更多效率提升。

除此之外，芯片首次流片成功的比例也在下降，在2022年高達76%的項目需要兩次或更多的流片才能實現(xiàn)設計目標。在導致芯片需要多次流片的原因中，首要原因是邏輯功能問題，而另一個值得注意的原因是模擬模塊出現(xiàn)問題：該項目在2020年和2022年占到從幾年前的20%一躍到了40%，這也說明模擬設計相關的驗證，以及模擬模塊和其他模塊的協(xié)同驗證將會成為未來復雜芯片驗證領域非常重要的尚需解決的問題。

展望未來，復雜芯片的驗證首先需要更加高效率的驗證流程，例如使用更加高效的testbench描述語言（使用C++/Python等），從而保證芯片項目能定期交付。在效率之外，由于邏輯功能仍然是芯片流片失敗的首要問題，而隨著芯片系統(tǒng)復雜度提升這方面的問題會越來越大，因此對于可靠的驗證方式（例如emulator）提出了要求，emulator需要能進一步降低成本，并且提升對于復雜系統(tǒng)的支持，從而確保復雜芯片系統(tǒng)的質量。最后，模擬驗證預計會成為未來復雜芯片系統(tǒng)中的關鍵一環(huán)，這包括了模擬驗證，以及模擬和數(shù)字系統(tǒng)的協(xié)同驗證（例如模擬系統(tǒng)建模放到數(shù)字系統(tǒng)中驗證等），這對于新驗證方法論的采用和新的EDA系統(tǒng)都提出了新的需求，預計會成為未來幾年驗證領域的另一個重頭戲。

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