IC設計邁向云端新時(shí)代

萌芽于1980年代、自21世紀伊始逐漸成長(cháng)茁壯的云端運算(cloud computing)技術(shù)，在包括亞馬遜(Amazon)、Google等英特網(wǎng)巨擘以及老牌軟件大廠(chǎng)微軟(Microsoft)推波助瀾之下，持續擴張其勢力范圍，各種以云端為基礎的服務(wù)不僅已經(jīng)滲透到一般大眾的日常生活、催生了新產(chǎn)業(yè)與應用，云端技術(shù)也正在改變不同傳統產(chǎn)業(yè)與應用市場(chǎng)的游戲規則，包括電子制造產(chǎn)業(yè)以及半導體產(chǎn)業(yè)。

不過(guò)，盡管大眾使用者可能已經(jīng)很習慣將個(gè)人的智能手機或PC內的照片等檔案「丟」到云端、以節省裝置內部?jì)Υ婵臻g也方便與親友共享，眾多企業(yè)也開(kāi)始利用以云端為基礎的IT環(huán)境來(lái)提升營(yíng)運效率、節省成本；但對于保護知識產(chǎn)權(IP)重于一切的電子從業(yè)者與IC廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)，采用這類(lèi)基礎設施需要更審慎的評估，得確保其安全性以避免任何機密外泄的風(fēng)險。因此盡管早已經(jīng)有供貨商推出將電子設計自動(dòng)化(EDA)工具放在云端的解決方案，大多數業(yè)者對于「在云端進(jìn)行設計」仍抱持觀(guān)望態(tài)度。

「EDA上云端」已成明顯趨勢

究竟為何需要讓EDA上云端？其一是因為對許多新創(chuàng )公司或是中小型電子/IC設計業(yè)者來(lái)說(shuō)，若要采購設計流程所需的全套工具軟件會(huì )是一筆沉重的負擔、利用率可能也不高；其次是當設計案變得越來(lái)越復雜，例如高達數十層電路板的系統或是動(dòng)輒百萬(wàn)閘極芯片，驗證與仿真等步驟對于設計業(yè)者自有的運算設備能力會(huì )是一大考驗，而為那些并非經(jīng)常性的大型設計案擴充數據中心似乎不是劃算的投資，此時(shí)云端方案就會(huì )是兼具成本效益與彈性的選項。

大約在1990年代末期與2000年初，EDA業(yè)者就已經(jīng)想到為客戶(hù)在設計需求高峰時(shí)刻透過(guò)云端方案提供更多運算資源，透過(guò)銷(xiāo)售虛擬專(zhuān)用網(wǎng)(VPN)的概念，讓客戶(hù)能在進(jìn)行軟/硬件仿真時(shí)加強馬力。而大約在10年前，市場(chǎng)上也出現了幾家推出云端EDA工具方案的小型業(yè)者，例如一家總部位于新加坡的新創(chuàng )公司Plunify，就是藉由云端運算提供FPGA組件設計與驗證平臺，以「用多少付多少」的使用時(shí)數或運算單位計費方法，在協(xié)助工程師加快設計流程同時(shí)，也能讓小型設計業(yè)者減輕成本負擔；還有一家名為OneSpin的美國業(yè)者，則是透過(guò)云端提供形式驗證(formal verification)平臺，并且強調其安全性。

至于在今年6月舉行的年度設計自動(dòng)化大會(huì )(DAC 2018)上浮現的一個(gè)明顯趨勢，是EDA供貨商本身開(kāi)始加大宣傳云端工具服務(wù)的力道，包括益華計算機(Cadence)、Mentor (現隸屬于Siemens旗下)等業(yè)者都發(fā)表了云端產(chǎn)品，讓客戶(hù)能利用云端的強大資源，支持運算量繁重的硬件仿真(emulation)流程；例如Cadence的Palladium Cloud是能讓客戶(hù)在需要進(jìn)行硬件仿真時(shí)購買(mǎi)閘極容量，Mentor的Veloce Stato平臺則是讓客戶(hù)能透過(guò)亞馬遜(Amazon)的云端服務(wù)Amazon Web Services (AWS)直接按需求取得硬件仿真資源。

云端EDA：逐步建立市場(chǎng)信任度

然而盡管將EDA工具放上云端已是一個(gè)明顯趨勢，EDA供貨商對于推展此項業(yè)務(wù)的態(tài)度十分謹慎。如Cadence在8月中旬于臺灣舉行的年度使用者大會(huì )CDNLive Taiwan 2018上，特別邀請到合作伙伴AWS的信息科技/半導體全球業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)主管David Pellerin發(fā)表以「應用于物聯(lián)網(wǎng)、AI與半導體設計的云端EDA創(chuàng )新」(Innovation in Cloud-based EDA for IoT, AI and Semiconductor Design)為題的演說(shuō)，為現場(chǎng)超過(guò)700位IC設計工程師聽(tīng)眾講解EDA工具與云端結合可帶來(lái)的優(yōu)勢；不過(guò)Cadence全球副總裁/亞太區總裁石豐瑜在會(huì )后接受EE Times Taiwan采訪(fǎng)時(shí)表示，云端方案目前對營(yíng)收的貢獻度還很低，該公司現階段也不會(huì )把所有工具放上云端，會(huì )看客戶(hù)需求，而安全性仍是多數IC設計業(yè)者考慮云端方案時(shí)的最大顧慮。

Mentor執行長(cháng)Walden C. (Wally) Rhines在8月底于臺灣舉行的年度技術(shù)論壇Mentor Forum 2018接受EE Times Taiwan采訪(fǎng)時(shí)則表示，雖然該公司發(fā)展云端方案已經(jīng)有一段時(shí)間，在6月的DAC也正式推出與AWS合作的云端版Veloce Stato硬件仿真平臺，但云端方案還不那么受客戶(hù)歡迎，一開(kāi)始的主要原因是客戶(hù)憂(yōu)慮安全性，不過(guò)現在多數人已經(jīng)逐漸建立對云端技術(shù)的信任，所以安全應該已經(jīng)不是最大的問(wèn)題；而因為多數大型IC設計客戶(hù)都有自己的數據中心，較不會(huì )需要云端EDA方案，中小型業(yè)者或新創(chuàng )公司雖然會(huì )有需求，但因為目前云端方案在價(jià)格上與一般方案差不多，「以為上云端可以省很多錢(qián)的客戶(hù)可能會(huì )很失望?！?o:p style="box-sizing: border-box; margin: 0px; padding: 0px;">

于是云端EDA似乎一直是以緩慢的速度拓展其市場(chǎng)版圖，直到10月初，晶圓代工龍頭臺積電(TSMC)發(fā)出的一項最新訊息，有可能改變這樣的局勢──臺積電是在美國硅谷舉行的開(kāi)放創(chuàng )新平臺(Open Innovation Platform，OIP)生態(tài)環(huán)境論壇上宣布，與包括云端服務(wù)供貨商AWS、微軟(Microsoft) Azure，還有EDA供貨商Cadence、新思科技(Synopsys)成立第五大OIP聯(lián)盟，也就是云端聯(lián)盟(Cloud Alliance)，提供以云端架構為基礎的「虛擬設計環(huán)境」(Virtual Design Environment；VDE)，內含經(jīng)過(guò)臺積電認證的IC設計后段流程RTL-to-GDSII數字設計以及schematic capture-to-GDSII的客制化設計能力，協(xié)助客戶(hù)安全且靈活的在云端進(jìn)行IC設計。

臺積電加持　云端EDA發(fā)展前景可期

根據臺積電發(fā)布的新聞?dòng)嵪?，位于云端的OIP VDE數字設計以及客制化設計流程，結合了制程技術(shù)檔(process technology file)、制程設計套件(Process design kit；PDK)、基礎硅智財(foundation IP)以及設計參考流程(reference flows)等OIP芯片設計輔助數據，并通過(guò)了充分的測試程序；為了降低客戶(hù)首度采用云端方案的門(mén)坎并提供足夠技術(shù)支持，Cadence與Synopsys將扮演在第一線(xiàn)直接服務(wù)客戶(hù)的角色，各自經(jīng)營(yíng)位于A(yíng)WS與微軟Azure的「虛擬店面」，協(xié)助客戶(hù)架設VDE。

在官方新聞稿中，臺積電技術(shù)發(fā)展副總經(jīng)理侯永清表示：「云端無(wú)所不在，并且會(huì )全面影響未來(lái)芯片設計的進(jìn)行；」而臺積電是第一家與伙伴合作提供云端設計解決方案的晶圓代工業(yè)者，「OIP VDE能提供客戶(hù)彈性、安全，透過(guò)硅晶認證的云端設計解決方案，幫助他們按照需求有效地擴充運算設備，進(jìn)而加速下一代系統芯片的上市時(shí)間?！顾仓赋?，臺積電「對于整個(gè)云端的趨勢感到振奮，我們不只在公司內部采用云端處理先進(jìn)制程設計上所需的大量高速運算…我們提供的云端解決方案除了可以執行系統芯片設計所需的大量批次化運算，更確保了例如客制化芯片布局等高度互動(dòng)性的設計工作能夠在云端上順暢地執行?！?o:p style="box-sizing: border-box; margin: 0px; padding: 0px;">

由Cadence以及Synopsys個(gè)別經(jīng)營(yíng)的臺積電OIP VDE虛擬店面都已經(jīng)上線(xiàn)，其中Cadence的Cloud-Hosted Design Solution已有成功的設計定案完成，是與微軟以及臺積電的IP聯(lián)盟伙伴SiFive合作，由分別位于印度與美國的設計團隊共同在微軟Azure上的VDE完成64位多核心RISC-V架構CPU設計，可用于執行RISC-V的Linux操作系統和相關(guān)應用程序。

此外Synopsys為臺積電OIP VDE提供的云端解決方案(Synopsys Cloud Solution)也已上線(xiàn)，適用AWS以及微軟Azure的云端環(huán)境；Synopsys表示，該公司的云端解決方案運用了PrimeTime時(shí)序分析、簽核、StarRC萃取等工具的擴充性，也運用了IC Validator簽核實(shí)體驗證、HSPICE、CustomSim與FineSim電路仿真、SiliconSmart特性分析、VCS功能驗證、VC Formal形式驗證以及Z01X故障模擬(fault simulation)等等功能加速設計周期。Synopsys并與AWS合作以云端解決方案完成臺積電7納米制程PCIe 5.0高速DesignWare PHY硅智財的產(chǎn)品設計定案。

臺積電預期，其他EDA供貨商最終也將加入OIP云端聯(lián)盟，并將前段設計流程也納入云端解決方案中；為了測試云端服務(wù)的能力，臺積電也正在利用此服務(wù)設計5納米制程(N5) SRAM。該公司設計基礎架構營(yíng)銷(xiāo)事業(yè)部資深協(xié)理Suk Lee在10月初臺積電公布云端聯(lián)盟成立訊息后接受EE Times美國版編輯采訪(fǎng)時(shí)表示：「我們還沒(méi)測試所有可能的組合，但考慮到我們的PDK已經(jīng)通過(guò)認證，我們對此服務(wù)信心十足；」他并透露，該公司主管是在云端服務(wù)發(fā)表的六個(gè)月前才同意建立此一服務(wù)：「我們在云端進(jìn)行了N5 SRAM的開(kāi)發(fā)，這說(shuō)明了我們對于使用此服務(wù)的自在程度?！?o:p style="box-sizing: border-box; margin: 0px; padding: 0px;">

在云端設計IC可能比在你家設計更安全？

有了半導體產(chǎn)業(yè)龍頭廠(chǎng)商臺積電的加持，云端EDA的發(fā)展前景看來(lái)更為樂(lè )觀(guān)；但即使如此，對于從未接觸云端方案的IC設計者來(lái)說(shuō)恐怕仍會(huì )擔心，若要跟上「老大」的腳步，是否會(huì )需要花費額外的時(shí)間精力(當然還有成本)來(lái)學(xué)習全新的設計流程與接口？要使用臺積電的OIP VDE，一開(kāi)始需要聘請臺積電的合作伙伴之一，根據需求以及授權協(xié)議來(lái)建立客制化網(wǎng)站；而Cadence與Synopsys在為客戶(hù)建置設計環(huán)境方面都有豐富的經(jīng)驗，能提供充分的技術(shù)支持，AWS與Microsoft也都對自家云端環(huán)境接口的易用性與安全性信心滿(mǎn)滿(mǎn)。

已經(jīng)擁有臺積電云端平臺使用經(jīng)驗的SiFive執行長(cháng)Naveed Sherwani在10月初接受EE Times美國版編輯訪(fǎng)問(wèn)時(shí)指出，采用該云端服務(wù)需要一些前置作業(yè)時(shí)間，包括設置由云端服務(wù)業(yè)者托管的在線(xiàn)專(zhuān)屬空間，還有擬定、簽署保密協(xié)議(NDA)以及商業(yè)相關(guān)條款等等文件，不過(guò)使用者最終會(huì )看到云端業(yè)務(wù)流程的高效率；Sherwani表示SiFive正朝著(zhù)以云端入口提供其IP授權與設計服務(wù)的方向發(fā)展，盡管還有一段路要走，但該公司看好其潛力；他指出，SiFive位在美國硅谷與印度Bangalore的團隊透過(guò)云端進(jìn)行設計，「在不到三個(gè)月時(shí)間就完成了整套前后段設計，創(chuàng )下速度上的新高紀錄?！?o:p style="box-sizing: border-box; margin: 0px; padding: 0px;">

至于利用云端進(jìn)行設計的成本？Sherwani表示，因為SiFive在云端上完成的設計案因為并非商業(yè)產(chǎn)品，他們并未評估設計成本。透過(guò)云端EDA進(jìn)行設計的成本會(huì )取決于使用者所選擇的CPU與儲存容量配置，不同的云端服務(wù)供貨商會(huì )有不同的計費模式。而針對初入云端的使用者，微軟Azure則是針對臺積電OIP VDE推出了包括免費賬號、30天內有效的200美元消費點(diǎn)數，以及多項Azure在線(xiàn)產(chǎn)品免費試用的方案，希望吸引更多IC設計工程師上云端。

曾經(jīng)是芯片設計工程師的微軟Azure硬件基礎工程部總經(jīng)理及杰出工程師Kushagra Vaid接受EE Times Taiwan訪(fǎng)問(wèn)時(shí)表示，隨著(zhù)半導體制程邁向7納米以下節點(diǎn)，越來(lái)越復雜的芯片設計案也會(huì )需要越來(lái)越大量的運算性能與儲存空間(參考圖1)，但若要為此不斷擴充自家硬件基礎設施，對IC設計業(yè)者來(lái)說(shuō)會(huì )是一大負擔，云端EDA方案正可以提供兼具成本效益與彈性的解決方案。他指出，IC設計者使用建置于A(yíng)zure的VDE，除了不需要額外的軟硬件設備投資，EDA工具接口也會(huì )與他們原本所使用的一樣；至于使用者會(huì )擔心的安全問(wèn)題，「我們每年在安全技術(shù)上的投資達到10億美元，而且全球有數千位工程師負責維護數據安全；」多數企業(yè)恐怕還不一定能為自家數據中心的安全做到如此保障。

 芯片設計案需要的運算量與儲存容量不斷升高 

在A(yíng)WS負責全球半導體業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)、擁有IC與EDA產(chǎn)業(yè)界豐富資歷的Pellerin在稍早前接受EE Times美國版訪(fǎng)問(wèn)時(shí)也指出，在過(guò)去的幾年間，隨著(zhù)一線(xiàn)公司將更多產(chǎn)品以及IT架構轉移至云端，安全性問(wèn)題大部分都已經(jīng)解決，而像是金融服務(wù)與制藥等產(chǎn)業(yè)，都已經(jīng)透過(guò)AWS或其他云端服務(wù)業(yè)者證明這個(gè)概念；他表示「我們已經(jīng)來(lái)到了EDA與計算機輔助工程(CAD)的新發(fā)展階段，平臺正在轉移，就是云端?！?o:p style="box-sizing: border-box; margin: 0px; padding: 0px;">

結合最新IT科技 IC/電子產(chǎn)業(yè)邁向嶄新未來(lái)

或許可以說(shuō)，無(wú)論硬件設計工程師們是不是能接受，傳統設計平臺的轉移將會(huì )是一個(gè)不可避免的趨勢；就像是一般消費大眾已經(jīng)感受到了云端技術(shù)所帶來(lái)的便利性與效益，隨著(zhù)各種專(zhuān)為IC設計與電子業(yè)者量身打造的云端環(huán)境與服務(wù)不斷精進(jìn)，以及像是臺積電這樣擁有龐大生態(tài)系統影響力的重量級廠(chǎng)商持續采用與推廣，在云端進(jìn)行IC與各種電子系統設計的習慣養成只是時(shí)間問(wèn)題。

云端環(huán)境能為復雜IC/電子系統設計案帶來(lái)的優(yōu)勢，除了提供在運算性能與儲存容量方面的可擴充性，未來(lái)當設計方法導入越來(lái)越多人工智能(AI)、機器學(xué)習(ML)等相關(guān)技術(shù)，云端運算也會(huì )成為不可或缺的元素。試想有一天，當電子裝置的每一個(gè)組成組件、以及從組件到系統的整個(gè)設計流程都完成數字化并躍上云端，再結合AI與物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，能實(shí)現的不但是更高的工作效率與生產(chǎn)力，還有更符合終端使用者需求、更容易維護與改善的產(chǎn)品，也能讓設計工程師有更多的時(shí)間專(zhuān)注于創(chuàng )新。

當設計平臺朝向云端轉移，也會(huì )衍生全新的商業(yè)營(yíng)運模式；例如一家誕生在臺灣的業(yè)者富比庫(FootPrintKu)，提供的是一種結合AI的EDA文件檔案云端管理平臺，能為電子系統設計業(yè)者根據其使用的EDA工具，建立客制化的零件規格表、電路符號或是零件3D模型，并藉由機器學(xué)習分析客戶(hù)需求，為工程師提升設計項目的執行與管理效率，同時(shí)加速產(chǎn)品設計流程。而產(chǎn)業(yè)界也開(kāi)始思考，是否能將金融科技所運用的區塊鏈等技術(shù)，運用在硬件生產(chǎn)的連網(wǎng)設備上以實(shí)現更高等級的安全防護與資源共享……各種最新IT技術(shù)將為半導體產(chǎn)業(yè)帶來(lái)哪些新面貌？且讓我們拭目以待！