上一集我們已經(jīng)說了,，模擬IC，更像是一種魔法,。

　　我們深度解釋了這種魔法的本質(zhì),，以及如何在模擬芯片設(shè)計的不同階段，根據(jù)常見的EDA工具特性和原理,，從計算角度幫助模擬工程師更高效地完成吟唱施法,。

　　芯片設(shè)計五部曲之一 | 聲光魔法師——模擬IC

　　第二集：數(shù)字IC

　　假如我們想要錄制一段聲音，模擬信號的做法是把所有的聲音信息用一段連續(xù)變化的電磁波或電壓信號原原本本地記錄下來,。而按照一定的規(guī)則將其轉(zhuǎn)換為一串二進制數(shù)0和1,，然后用兩種狀態(tài)的信號來表示它們,，這叫數(shù)字信號。

　　處理數(shù)字信號的芯片就是數(shù)字芯片,，比如常見的CPU,、GPU。

　　當(dāng)聲音變大或變小了,，模擬信號都會跟著變化,，所以模擬信號有無數(shù)種狀態(tài)。狀態(tài)之間微妙的差異,，需要人的經(jīng)驗判斷,，有點玄學(xué)的成分。

　　而數(shù)字信號永遠(yuǎn)只有0和1兩種狀態(tài),，信號的轉(zhuǎn)換嚴(yán)格遵循邏輯關(guān)系，一個輸出對應(yīng)唯一確定的結(jié)果,，程序完全依照輸出指令執(zhí)行,，這是科學(xué)。

　　數(shù)字IC設(shè)計工程師的設(shè)計目標(biāo)：在PPA（Power,、Performance,、Area）三個指標(biāo)上追求完美的平衡。

　　怎么玩轉(zhuǎn)這門科學(xué),？

　　這,，是一種藝術(shù)。

　　今天,，我們就從資源需求,、并行特征、數(shù)據(jù)敏感度等角度展開聊聊在數(shù)字芯片設(shè)計各階段,，如何利用不同EDA工具的特點,，讓數(shù)字芯片的設(shè)計研發(fā)效率獲得顯著提升。

　　和模擬芯片相呼應(yīng),，這篇還是從計算角度出發(fā),，至于調(diào)度/管理/數(shù)據(jù)/協(xié)同/CAD等視角，會在后面的文章里體現(xiàn)~（比如第三集

　　和模擬相比,，數(shù)字芯片需要使用EDA工具的場景更多,，IC工程師們對于計算機的使用天然比較親近。但就跟《解密一顆芯片設(shè)計的全生命周期算力需求》一樣,，只負(fù)責(zé)某項工作的研發(fā)可能不關(guān)心,，或者只了解自己的這部分，IT對業(yè)務(wù)所知有限,，也不一定清楚,。除非有大佬坐鎮(zhèn),，大多數(shù)公司的日常大概是以拍腦袋經(jīng)驗論為主。

　　我們先來看一下大畫面,，數(shù)字芯片設(shè)計全流程分析圖：

　　01

　　數(shù)字前端：前端設(shè)計/驗證

　　這一階段包含了規(guī)格制定,、架構(gòu)設(shè)計、RTL編碼等步驟,。

　　數(shù)字前端算法仿真和功能驗證場景有大量中小任務(wù)并行,，這一階段，對于資源類型和用量通常無特殊需求,。

　　不過需注意若大量使用現(xiàn)有IP通常沒有算法仿真這一步,。而且每家公司業(yè)務(wù)不同，算法仿真需求量差異非常大（下一集主角就是ta）,。

　　02

　　數(shù)字中端：邏輯綜合與DFT實現(xiàn)

　　這一階段可分為邏輯綜合,、形式驗證、門級仿真,、ATPG驗證等業(yè)務(wù)場景,。

　　數(shù)字中端呈現(xiàn)單、多任務(wù)混合的特點,，因為計算的輸入數(shù)據(jù)中包含門延遲信息,，輸入數(shù)據(jù)變多，對內(nèi)存的需求相比前端有一定增長,。ATPG驗證建議內(nèi)存優(yōu)化型,，其他三種場景更加偏計算密集型。

　　03

　　數(shù)字后端：物理實現(xiàn)

　　這一階段包括布局布線,、形式驗證,、版圖驗證、寄生參數(shù)提取,、后仿,、ATPG驗證、靜態(tài)時序分析和IR分析等業(yè)務(wù)場景,。

　　數(shù)字后端基本都是多任務(wù),，由于包含版圖的寄生參數(shù)，信息量非常大,，普遍需要大內(nèi)存機器,。其中，布局布線,、后仿,、靜態(tài)時序分析、IR分析的大任務(wù)數(shù)量非常多,，對主頻也有要求,，需要兼具高主頻和大內(nèi)存的資源,。

　　資源需求

　　后端>中端>前端，數(shù)字后端·真·資源黑洞

　　把數(shù)字IC設(shè)計前,、中,、后端三大階段進行資源需求對比。

　　可以看到無論是任務(wù)運算時間,、所需計算資源,、存儲需求還是IP與輸入數(shù)據(jù)量級上，數(shù)字前中后端形成了非常明顯的階梯結(jié)構(gòu),，整體資源需求呈現(xiàn)前端<中端<后端的趨勢,。

　　這是由三個階段的具體工作內(nèi)容決定的：

　　數(shù)字前端，用RTL代碼將芯片架構(gòu)師的設(shè)計寫出來,，前端驗證也主要是針對RTL的功能進行驗證,，偏邏輯功能。

　　數(shù)字中端,，需要將RTL代碼綜合成網(wǎng)表并規(guī)劃,、插入各種用于芯片測試的邏輯電路，需要加入Foundry廠提供的標(biāo)準(zhǔn)單元庫的工藝參數(shù),，驗證也到了邏輯門這一級。

　　數(shù)字后端負(fù)責(zé)芯片的物理實現(xiàn),，先將電路網(wǎng)表通過自動布局布線畫成版圖,，再進行寄生參數(shù)提取，創(chuàng)建一個可以精確模擬數(shù)字電路響應(yīng)的模型,，這一階段會加入版圖的寄生參數(shù),。

　　從代碼到邏輯門電路再到物理層，隨著階段的演進,，信息量逐級遞增,，計算時所需消耗的資源量也隨之增加。

　　而在28nm以及更先進制程下,，包含的工藝參數(shù)更多,，電路更復(fù)雜，前中后端每一階段的信息量級還會被進一步放大,。

　　哪怕前端RTL基本一致,，中端和后端因為Foundry廠工藝參數(shù)更多更復(fù)雜，同樣的代碼計算量也是更大的,。

　　換個思路,，我們舉個栗子。

　　通過一個在數(shù)字前中后端都會出場的EDA工具來看看三大階段的資源需求,。

　　VCS的主要作用是將Verilog HDL（一種硬件描述語言）轉(zhuǎn)成C語言,，編譯出來并執(zhí)行,。作為一個翻譯官，ta的工作量取決于雙方對話的頻率,，以及需要翻譯的文本量,。

　　VCS在前端的功能驗證、中端的門級仿真,、后端仿真中都有出場,，在不同階段對任務(wù)資源的需求完全不同：

　　從前端到中端再到后端，雖然VCS的工作性質(zhì)沒變,，但整體來說,，消耗的資源越來越多了。

　　綜上,，數(shù)字后端設(shè)計與驗證環(huán)節(jié)相比中端和前端資源需求更高,、運算時間更長、數(shù)據(jù)量更大,，往往會占據(jù)整個項目周期資源需求量的50%以上,。

　　這也就意味著，數(shù)字后端對IC設(shè)計公司的壓力相當(dāng)大,，能否在這一階段獲取充足的資源,，是提升研發(fā)效率、保障項目進度的關(guān)鍵,。

　　典型并行場景

　　靜態(tài)時序驗證&版圖驗證

　　并行度是我們評估任務(wù)能否通過分布式計算完成,，提升效率的標(biāo)準(zhǔn)之一。

　　這里涉及到兩個重要的判斷標(biāo)準(zhǔn)：可拆分,，互不干擾,。

　　可拆分指的是，大任務(wù)可以分解為小任務(wù),，原任務(wù)目標(biāo)不變,。

　　互不干擾指的是，拆分為小任務(wù)之后,，任務(wù)之間互相不干擾,，可以不同步。

　　從前端到中端再到后端,，任務(wù)數(shù)量越來越多,。

　　任務(wù)的并行度決定了速度提升的空間。

　　靜態(tài)時序驗證：最常見且并行度較高

　　靜態(tài)時序驗證是最常見的設(shè)計場景之一,，基本原理是檢查各信號通路上經(jīng)過的門電路,，然后累加門延遲，求取整個路徑的信號延遲。

　　沿信號通路求Delay Time的過程,，就是沿信號通路不停做簡單加法,。

　　在靜態(tài)時序驗證過程中，有一個PVT的概念,。

　　我們需要驗證邏輯門在不同的工藝（Process）,、電壓（Voltage）、溫度（Temperature）條件下的延遲,。

　　首先,，列出可能的條件，如：

　　工藝：TT,、FF,、SS……

　　電壓：0.9V、1.0V,、1.1V……

　　溫度：-40°C,、0°C、25°C……

　　隨后,，窮舉每一種可能性,，如：

　　PVT1=TT、0.9V,、-40°C

　　PVT2=TT,、1.0V、25°C

　　PVT3=TT,、1.0V,、0°C

　　……

　　最后，驗證邏輯門在每一種PVT條件下的延遲：

　　數(shù)字芯片中有著無數(shù)這樣的邏輯門,，每一個PVT下，邏輯門都有對應(yīng)的Delay Time,，而P,、V、T之間可以有很多種組合,，就會有很多個Delay Time的情況需要驗證,。

　　這一場景，天然適合暴力堆機器,。

　　版圖驗證：最高并行度

　　模擬芯片和數(shù)字芯片,，這一場景的原理一模一樣，使用的EDA工具也完全相同,。

　　版圖驗證屬于檢查類任務(wù),，以模塊為單位，本質(zhì)上是數(shù)據(jù)對比工作,，重內(nèi)存需求,，子任務(wù)間沒有數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián),，是數(shù)字芯片設(shè)計與驗證中并行度最高的場景。

　　這一階段很適合利用云上的內(nèi)存優(yōu)化型資源,，使用“小F影分身術(shù)”（版圖分割術(shù)）,，通過暴力堆資源的方式快速完成任務(wù)。

　　關(guān)于版圖驗證,，我們在《芯片設(shè)計五部曲之一 | 聲光魔法師——模擬IC》中有更詳細(xì)的說明,。

　　數(shù)據(jù)敏感度

　　前端>中端>后端，但是不用擔(dān)心

　　我們按照數(shù)據(jù)敏感度從高到低的順序給各類設(shè)計數(shù)據(jù)排了個序：

　　RTL數(shù)據(jù) > IP,、PDK和版圖 > Netlist,、Session、過程波形,、歸檔數(shù)據(jù)和Report

　　好了,，接下來我們看看這些數(shù)據(jù)都會出現(xiàn)在哪些階段：

　　數(shù)字前端有大量RTL代碼，甚至部分公司在此過程中還自己開發(fā)了IP,，屬于數(shù)據(jù)安全等級最高的那一撥,。許多公司都會嚴(yán)格管理這部分?jǐn)?shù)據(jù)，設(shè)置一定的保密等級,，甚至固定放在某幾臺機器上,。

　　中端則涉及到部分的RTL代碼、IP和PDK數(shù)據(jù),，以及一些Netlist,、Session和Report。

　　后端徹底告別了代碼,，以IP,、PDK、版圖和數(shù)據(jù)敏感度較低的數(shù)據(jù)為主,。

　　如果你要做一款游戲,，前端相當(dāng)于游戲的源代碼，中端是詳細(xì)的角色形象設(shè)計稿,，后端就是玩家拿到手的游戲光碟了,。

　　前端泄密，恭喜你的對手達(dá)成“代碼級抄襲”,；

　　中端泄密,，別人能照著樣子把仿品做出來，但沒有源代碼參考,，知其然不知其所以然,；

　　后端泄密，等對方逆向明白，大半年時間也過去了,，你的下一代產(chǎn)品已經(jīng)在路上了,。

　　值得一提的是，如果使用的是先進工藝,，F(xiàn)oundry廠也會對IP/PDK數(shù)據(jù)有保密要求,。

　　所以在選擇云上業(yè)務(wù)場景的時候，我們一般優(yōu)先推薦數(shù)字后端先來,。當(dāng)然,，會根據(jù)每家公司的實際情況進行具體分析。（以后會寫到,，這次一定

　　那么,，前端或者中端是不是就適合用云了呢？

　　甚至,，在某些情況下,，IC設(shè)計公司會面臨全部數(shù)據(jù)無論敏感度高低必須存放在本地的情況，比如一些高保密項目（軍工項目或國家重點項目）,，或者有點微妙的競爭關(guān)系,，怎么辦？

　　我們有針對性的存算分離解決方案,，歡迎來對號入座,。

　　存算分離究竟是什么意思？我們又是如何實現(xiàn)的,？掃描文末二維碼關(guān)注小F,，對暗號“存算分離”搶先了解哦~

　　關(guān)于數(shù)字IC設(shè)計，從不同設(shè)計階段的計算任務(wù)視角出發(fā),，我們總結(jié)了四點：

　　1,、與模擬芯片相似，數(shù)字芯片三大階段的資源需求同樣呈現(xiàn)前期<中期<后期的趨勢,，但數(shù)字芯片需要使用EDA工具的場景更多,，整體資源需求更大；

　　2,、版圖驗證并行度最高，靜態(tài)時序驗證出場率非常高且并行度很高,，都適合用暴力堆機器的方式提高任務(wù)效率,；

　　3、數(shù)字后端往往會占據(jù)整個項目周期資源需求量的50%以上,，兼具資源需求高,、計算時間長、數(shù)據(jù)量級大，數(shù)據(jù)敏感度相對低的特征,，是提升數(shù)字芯片整體研發(fā)效率的關(guān)鍵,；

　　4、數(shù)據(jù)敏感度高,？必須放本地,？沒關(guān)系，我們有解決辦法,。

　　芯片設(shè)計五部曲的第二集——數(shù)字IC篇到此結(jié)束啦,。

　　敬請期待第三集！

　敬請關(guān)注電子技術(shù)應(yīng)用2023年2月22日==>>商業(yè)航天研討會<<