半导体行业观察 · 2023年03月24日 · 安徽

对标EDA三巨头,思尔芯推出国产硬件仿真系统

过去几年,因为各种各样的原因,国内正在兴起了一股EDA创业潮。诚然,从数据看来,这有非常大的必要。

据芯思想研究院的报道,2022年全球前三或者说全球前五EDA公司都是来自美国,其市场份额高达90%以上。作为对比,中国内地EDA公司全年营收占有全球市场的2%,即使在中国市场,也仅仅占有12.5%的份额。市场的缺失,产品的重要性,再加上其他不可控因素的推动,国产EDA的发展势在必行。

按相关定义,EDA是指利用计算机辅助设计(CAD)软件来完成超大规模集成电路(VLSI)芯片的功能设计、综合、验证、物理设计(包括布局、布线、版图、设计规则检查等)等流程的设计方式。

在现代的芯片设计中,EDA所参与的每一个环节都不容忽视,国内企业也聚焦着各个方面发力,验证更是在近年来逐渐成为多家本土厂商关注的热点。

验证,芯片设计的重中之重

如大家所知道的一样,随着芯片制造工艺的缩小,制造芯片的成本正在与日俱增。但其实在工艺演进器件,芯片设计的成本也水涨船高。

据外媒Semiengineering统计显示,开发28nm芯片需要5130万美元投入,到了16nm,这个数字就飙升到1亿美元,7nm节点更是需要2.97亿美元,到了5nm节点,开发芯片的费用将达到5.42亿美元。

图1:不同节点芯片的开发成本

由此可见,无论是设计,还是tape out芯片的成本都是极其昂贵的,如何在芯片流片前及时、彻底地发现设计中潜藏的逻辑错误,保证芯片的可用性、高效性、是业内着力解决的重点问题。换而言之,复杂芯片的开发需要进行更全面的测试验证。

作为芯片设计流程的重要一环,验证贯穿了设计的每个阶段,具体而言可划分为前端仿真和后端仿真。其中,前端仿真主要为了检测功能逻辑的缺陷,后端仿真是为了检测门级电路由延迟导致采样失败所产生的功能缺陷。

而具体到数字电路设计中,软件仿真、硬件仿真及原型验证则成为了设计和验证团队的常规选项。

所谓软件仿真是利用计算机软件模拟运行数字电路设计,进行功能仿真和验证,拥有易于使用、成本效益高,且具有复杂调试能力等优势。但在碰到大规模数字电路设计之后,结构日渐复杂,仿真所需要的时间也越长,软件仿真的效益受到了限制。

硬件仿真则是利用专用的硬件系统对仿真进行加速,主要用于系统级的功能仿真和验证。在此阶段,IP子模块已被拼接成整体系统,整体系统的源代码仍不成熟,源代码中仍可能存在一定量的错误,此时就需要利用硬件仿真来对系统源代码中潜在的深度错误和性能瓶颈进行捕捉和探测,并对存在错误的源代码进行修改和完善。为实现上述目的,硬件仿真工具将可控制时钟和信号全可视作为核心技术,工具中含有数量较多的信号采集器来获取系统电路运行的每一个时钟周期的数据,以便查找设计错误,其技术的核心在于实现高速仿真速度的同时还要信号全部可探测。

原型验证主要是将设计映射到FPGA平台,通过模拟芯片实际运行环境,来验证芯片整体功能和性能,并提供片上软件开发环境。

图2:验证工具对比

虽然软件仿真、硬件仿真和原型验证三者并没有绝对的好坏之分,也没有绝对的排他性,只是优势互补。但因为硬件仿真拥有高性能、支持设计规模大和具有强大调试能力、支持快速搭建验证环境、无需用户过多干预,以及支持全自动编译、能够针对用户不同设计场景和设计规模能够有效地提高验证效率等优点,所以在过去多年硬件仿真主要是一些较大型设计公司使用。但近年来,由于大数据处理及AI芯片设计规模的持续扩大,以及市场激烈竞争下的快速迭代需求,越来越多的芯片设计公司考虑选择硬件仿真系统,来提高芯片验证效率,缩短芯片开发周期,硬件仿真成为芯片设计功能验证主要工具的趋势越来越明显。

芯神鼎,思尔芯的见招拆招

和EDA的许多环节一样,硬件仿真领域也是一个由Cadence、Synopsys和西门子EDA控制的市场。他们也都有各自的硬件仿真加速器,提供了信号全可视的调试功能,在使用上也各有自己的一套流程。

正因为这个市场如此重要,国内围绕这个领域也涌现出了不少公司,思尔芯就是其中一个佼佼者。

据介绍,思尔芯于2004年在上海成立。自成立以来,公司始终专注于集成电路 EDA 领域,聚焦于数字芯片的前端验证业务,为国内外客户提供原型验证系统和验证云服务等解决方案,助力人工智能、超级计算、图像处理、数据存储、信号处理等客户实现数字电路设计功能的实现。在芯片功能验证方面,公司也有了成熟的产品,能帮助整个芯片产业完成国产替代。

图3:思尔芯发展的里程碑

在思尔芯看来,现在的硬件仿真器具备几个特点,分别是:

1、需要支持超大设计规模,可以支持数十亿门级别的设计仿真,并且还需要保持足够快的运行速度;

2、需要支持用户设计的快速移植和部署,通常在1-2周内完成工程搭建,无需对硬件环境进行手工连线;

3、需要操作便捷,系统自动化程度高,支持用户设计的全自动编译,无需对设计过多干预,Gigabyte级别的设计网表能快速编译并快速完成后端工作;

4、需要具有强大的调试能力,支持足够灵活的调试手段,可以捕捉源代码的深度错误和性能瓶颈。在实现高速运转速度的同时保证信号全部可探测(信号全可视),支持灵活的实时触发、海量的波形数据存储和分析;

5、需要支持丰富的验证模式,可以满足用户不同验证场景的需求。

图4:OmniArk芯神鼎的系统架构

基于这些见解和公司的积累,面对芯片市场的新需求,思尔芯推出了全新的企业级硬件仿真加速器——OmniArk芯神鼎。

作为一款由思尔芯自主研发的产品,OmniArk芯神鼎拥有多项自主知识产权的核心技术,采用了超大规模商用可扩展阵列架构和机箱模块结构设计,极大方便了维护和扩展。其产品形态也覆盖了从桌面型到机柜型,设计容量可扩展可至20亿门。OmniArk芯神鼎还用到了AI技术(即Smart P&R),可以智能参数优化,大大提升PR的成功率。除此以外,该硬件系统还包含一套便捷易用的软件系统,支持GUI图形界面和TCL脚本命令,集成编译、运行、调试的完整流程。

图5 :OmniArk芯神鼎的软件介绍

据思尔芯介绍,OmniArk芯神鼎还拥有实现用户设计快速移植和部署、全自动编译流程、MHz级仿真加速、强大的调试纠错能力、多种仿真验证模式和丰富的VIP库等特点。尤其是其全自动编译流程方面的设计,能够在较少需要用户干预的情况下,通过多种核心技术实现快速编译与自由设计。

图6:OmniArk芯神鼎硬件仿真系统特点总结

思尔芯方面强调,作为一款基于FPGA设计的产品,OmniArk芯神鼎在与EDA三大家同类型产品相比的时候,凸显了其成本和芯片设计匹配度更高的优势。

正因为拥有如此多优势,OmniArk芯神鼎目前已在多个芯片设计头部企业推广使用,能满足汽车电子、CPU、AI、5G、云计算等SoC 设计所需的复杂验证。回顾这家EDA企业过去近二十年的发展,这款产品攀登高峰道路上的一个新里程碑。

整合专注,打造国产数字EDA全流程

作为一家专注于验证领域的EDA企业,除了新发布的硬件仿真系统OmniArk芯神鼎外,思尔芯更早之前还打造了具有架构灵活、易于扩展、运行速度快等优势的原型验证系统和验证云系统,能够高效构造真实的芯片运行场景,为芯片设计客户建立验证模型,以测试设计代码在真实场景中的运行效果,进而加速客户设计的功能验证、系统验证和嵌入式软件与应用的开发。

正是因为这么多极具竞争力的产品,思尔芯的EDA工具获得了超过600家的客户使用。特别是在原型验证市场,公司在中国原型验证市场中销售额排名第一,在世界原型验证市场中销售额也位居第二。这主要受惠于公司过去多年研发投入和迭代,在硬件仿真系统OmniArk芯神鼎上,思尔芯也制定了一个短期目标。

基于这些产品和积累,思尔芯也正在推动一个异构验证方法学,使得多种不同形式的设计在系统建模(Genesis芯神匠),软件仿真(PegaSim芯神驰),硬件仿真(OmniArk芯神鼎),原型验证(Prodigy芯神瞳)得以协同仿真和交叉验证,以确保设计出正确的芯片。

展望未来,思尔芯也将结合其他产品线,硬件仿真配上软仿、原型协同仿真的软件,以实现软硬件协同仿真的完美运行。进而打造出真正的国产数字EDA全流程。思尔芯同时强调,因为EDA点工具数量多,不可能有一家公司全部自己开发。而纵观三大家的发展史也是一部并购史,所以需要有平台企业去整合有潜力且专注于某个细分领域的优秀的公司。思尔芯在这方面也小试牛刀。

据资料显示,思尔芯在去年并购了国微晶锐(深圳国微晶锐技术有限公司)。之所以这个并购标的,按照思尔芯的说法,除了看中其研发的硬件仿真系统本身就具有过硬技术实力以外,还看中了其产品线与思尔芯本身的产品互补。此次推出的企业级硬件仿真系统OmniArk 芯神鼎就是思尔芯通过这单并购,将后者的硬件仿真技术融入公司现有产品线,并进行核心技术整合所得。

“我们不会盲目并购,而是要根据自身的战略规划选择并购对象,最终实现1+1>2的果。”思尔芯方面强调。他们同时指出,除了并购外,公司也会去看全球市场上寻找有潜力的EDA点工具,通过授权进行二次开发和迭代,做成匹配公司本土客户需求的工具。这也是公司未来发展的另一个方式。

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