芯片設計五部曲之二 | 圖靈藝術家——數(shù)字IC

《芯片設計五部曲》：模擬IC、數(shù)字IC、存儲芯片、算法仿真和總結篇（排名不分先后）

上一集《芯片設計五部曲之一 | 聲光魔法師——模擬IC》我們已經說了，模擬IC，更像是一種魔法。我們深度解釋了這種魔法的本質，以及如何在模擬芯片設計的不同階段，根據常見的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。

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，需要人的經驗判斷，有點玄學的成分。

而數(shù)字信號永遠只有0和1兩種狀態(tài)，信號的轉換嚴格遵循邏輯關系，一個輸出對應唯一確定的結果，程序完全依照輸出指令執(zhí)行，這是科學。

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

怎么玩轉這門科學？

這，是一種藝術。

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

和模擬芯片相呼應，這篇還是從計算角度出發(fā)，至于調度/管理/數(shù)據/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《解密一顆芯片設計的全生命周期算力需求》一樣，只負責某項工作的研發(fā)可能不關心，或者只了解自己的這部分，IT對業(yè)務所知有限，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驗論為主。

我們先來看一下大畫面，數(shù)字芯片設計全流程分析圖：

01、數(shù)字前端：前端設計/驗證

這一階段包含了規(guī)格制定、架構設計、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)務場景。數(shù)字中端呈現(xiàn)單、多任務混合的特點，因為計算的輸入數(shù)據中包含門延遲信息，輸入數(shù)據變多，對內存的需求相比前端有一定增長。ATPG驗證建議內存優(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)務場景。數(shù)字后端基本都是多任務，由于包含版圖的寄生參數(shù)，信息量非常大，普遍需要大內存機器。其中，布局布線、后仿、靜態(tài)時序分析、IR分析的大任務數(shù)量非常多，對主頻也有要求，需要兼具高主頻和大內存的資源。

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運算時間、所需計算資源、存儲需求還是IP與輸入數(shù)據量級上，數(shù)字前中后端形成了非常明顯的階梯結構，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容決定的：

數(shù)字前端，用RTL代碼將芯片架構師的設計寫出來，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廠提供的標準單元庫的工藝參數(shù)，驗證也到了邏輯門這一級。

數(shù)字后端負責芯片的物理實現(xiàn)，先將電路網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)據量更大，往往會占據整個項目周期資源需求量的50%以上。

下圖是我們某客戶全生命周期月度算力實際用量曲線，可以看到后端的波峰相當明顯，詳情戳：解密一顆芯片設計的全生命周期算力需求

這也就意味著，數(shù)字后端對IC設計公司的壓力相當大，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能否通過分布式計算完成，提升效率的標準之一。

這里涉及到兩個重要的判斷標準：可拆分，互不干擾。可拆分指的是，大任務可以分解為小任務，原任務目標不變。

互不干擾指的是，拆分為小任務之后，任務之間互相不干擾，可以不同步。

從前端到中端再到后端，任務數(shù)量越來越多。

任務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計場景之一，基本原理是檢查各信號通路上經過的門電路，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，以模塊為單位，本質上是數(shù)據對比工作，重內存需求，子任務間沒有數(shù)據關聯(lián)，是數(shù)字芯片設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存優(yōu)化型資源，使用“小F影分身術”（版圖分割術），通過暴力堆資源的方式快速完成任務。

關于版圖驗證，我們在《芯片設計五部曲之一 | 聲光魔法師——模擬IC》中有更詳細的說明。

數(shù)據敏感度：前端>中端>后端，但是不用擔心

我們按照數(shù)據敏感度從高到低的順序給各類設計數(shù)據排了個序：RTL數(shù)據 > IP、PDK和版圖?> Netlist、Session、過程波形、歸檔數(shù)據和Report

好了，接下來我們看看這些數(shù)據都會出現(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)據安全等級最高的那一撥。許多公司都會嚴格管理這部分數(shù)據，設置一定的保密等級，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，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)據敏感度較低的數(shù)據為主。

如果你要做一款游戲，前端相當于游戲的源代碼，中端是詳細的角色形象設計稿，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，你的下一代產品已經在路上了。

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)據有保密要求。

所以在選擇云上業(yè)務場景的時候，我們一般優(yōu)先推薦數(shù)字后端先來。當然，會根據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設計公司會面臨全部數(shù)據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。

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這里還有燧原科技的一手體驗，戳此先睹為快：【案例】燧原科技：芯片設計“存算分離”混合云實踐

關于數(shù)字IC設計，從不同設計階段的計算任務視角出發(fā)，我們總結了四點：

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效率；?

3、數(shù)字后端往往會占據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)據量級大，數(shù)據敏感度相對低的特征，是提升數(shù)字芯片整體研發(fā)效率的關鍵；?

4、數(shù)據敏感度高？必須放本地？沒關系，我們有解決辦法。

芯片設計五部曲的第二集——數(shù)字IC篇到此結束啦。敬請期待第三集！