IC設計邁向云端新時代

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

不過，盡管大眾使用者可能已經(jīng)很習慣將個人的智能手機或PC內(nèi)的照片等檔案「丟」到云端、以節(jié)省裝置內(nèi)部儲存空間也方便與親友共享，眾多企業(yè)也開始利用以云端為基礎的IT環(huán)境來提升營運效率、節(jié)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廠商來說，采用這類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險。因此盡管早已經(jīng)有供貨商推出將電子設計自動化(EDA)工具放在云端的解決方案，大多數(shù)業(yè)者對于「在云端進行設計」仍抱持觀望態(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)者來說，若要采購設計流程所需的全套工具軟件會是一筆沉重的負擔、利用率可能也不高；其次是當設計案變得越來越復雜，例如高達數(shù)十層電路板的系統(tǒng)或是動輒百萬閘極芯片，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是一大考驗，而為那些并非經(jīng)常性的大型設計案擴充數(shù)據(jù)中心似乎不是劃算的投資，此時云端方案就會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)想到為客戶在設計需求高峰時刻透過云端方案提供更多運算資源，透過銷售虛擬專用網(wǎng)(VPN)的概念，讓客戶能在進行軟/硬件仿真時加強馬力。而大約在10年前，市場上也出現(xiàn)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」的使用時數(shù)或運算單位計費方法，在協(xié)助工程師加快設計流程同時，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，則是透過云端提供形式驗證(formal verification)平臺，并且強調(diào)其安全性。

至于在今年6月舉行的年度設計自動化大會(DAC 2018)上浮現(xiàn)的一個明顯趨勢，是EDA供貨商本身開始加大宣傳云端工具服務的力道，包括益華計算機(Cadence)、Mentor (現(xiàn)隸屬于Siemens旗下)等業(yè)者都發(fā)表了云端產(chǎn)品，讓客戶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是能讓客戶在需要進行硬件仿真時購買閘極容量，Mentor的Veloce Stato平臺則是讓客戶能透過亞馬遜(Amazon)的云端服務Amazon Web Services (AWS)直接按需求取得硬件仿真資源。

云端EDA：逐步建立市場信任度

然而盡管將EDA工具放上云端已是一個明顯趨勢，EDA供貨商對于推展此項業(yè)務的態(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)務開發(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，為現(xiàn)場超過700位IC設計工程師聽眾講解EDA工具與云端結合可帶來的優(yōu)勢；不過Cadence全球副總裁/亞太區(qū)總裁石豐瑜在會后接受EE Times Taiwan采訪時表示，云端方案目前對營收的貢獻度還很低，該公司現(xiàn)階段也不會把所有工具放上云端，會看客戶需求，而安全性仍是多數(shù)IC設計業(yè)者考慮云端方案時的最大顧慮。

Mentor執(zhí)行長Walden C. (Wally) Rhines在8月底于臺灣舉行的年度技術論壇Mentor Forum 2018接受EE Times Taiwan采訪時則表示，雖然該公司發(fā)展云端方案已經(jīng)有一段時間，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歡迎，一開始的主要原因是客戶憂慮安全性，不過現(xiàn)在多數(shù)人已經(jīng)逐漸建立對云端技術的信任，所以安全應該已經(jīng)不是最大的問題；而因為多數(shù)大型IC設計客戶都有自己的數(shù)據(jù)中心，較不會需要云端EDA方案，中小型業(yè)者或新創(chuàng)公司雖然會有需求，但因為目前云端方案在價格上與一般方案差不多，「以為上云端可以省很多錢的客戶可能會很失望?！?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(nèi)含經(jīng)過臺積電認證的IC設計后段流程RTL-to-GDSII數(shù)字設計以及schematic capture-to-GDSII的客制化設計能力，協(xié)助客戶安全且靈活的在云端進行IC設計。

臺積電加持　云端EDA發(fā)展前景可期

根據(jù)臺積電發(fā)布的新聞訊息，位于云端的OIP VDE數(shù)字設計以及客制化設計流程，結合了制程技術檔(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(shù)據(jù)，并通過了充分的測試程序；為了降低客戶首度采用云端方案的門坎并提供足夠技術支持，Cadence與Synopsys將扮演在第一線直接服務客戶的角色，各自經(jīng)營位于AWS與微軟Azure的「虛擬店面」，協(xié)助客戶架設VDE。

在官方新聞稿中，臺積電技術發(fā)展副總經(jīng)理侯永清表示：「云端無所不在，并且會全面影響未來芯片設計的進行；」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能提供客戶彈性、安全，透過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，進而加速下一代系統(tǒng)芯片的上市時間?！顾仓赋?，臺積電「對于整個云端的趨勢感到振奮，我們不只在公司內(nèi)部采用云端處理先進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(zhí)行系統(tǒng)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性的設計工作能夠在云端上順暢地執(zhí)行。」

由Cadence以及Synopsys個別經(jīng)營的臺積電OIP VDE虛擬店面都已經(jīng)上線，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(zhí)行RISC-V的Linux操作系統(tǒng)和相關應用程序。

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，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時序分析、簽核、StarRC萃取等工具的擴充性，也運用了IC Validator簽核實體驗證、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?shù)漠a(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；為了測試云端服務的能力，臺積電也正在利用此服務設計5納米制程(N5) SRAM。該公司設計基礎架構營銷事業(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美國版編輯采訪時表示：「我們還沒測試所有可能的組合，但考慮到我們的PDK已經(jīng)通過認證，我們對此服務信心十足；」他并透露，該公司主管是在云端服務發(fā)表的六個月前才同意建立此一服務：「我們在云端進行了N5 SRAM的開發(fā)，這說明了我們對于使用此服務的自在程度?！?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)龍頭廠商臺積電的加持，云端EDA的發(fā)展前景看來更為樂觀；但即使如此，對于從未接觸云端方案的IC設計者來說恐怕仍會擔心，若要跟上「老大」的腳步，是否會需要花費額外的時間精力(當然還有成本)來學習全新的設計流程與接口？要使用臺積電的OIP VDE，一開始需要聘請臺積電的合作伙伴之一，根據(jù)需求以及授權協(xié)議來建立客制化網(wǎng)站；而Cadence與Synopsys在為客戶建置設計環(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滿。

已經(jīng)擁有臺積電云端平臺使用經(jīng)驗的SiFive執(zhí)行長Naveed Sherwani在10月初接受EE Times美國版編輯訪問時指出，采用該云端服務需要一些前置作業(yè)時間，包括設置由云端服務業(yè)者托管的在線專屬空間，還有擬定、簽署保密協(xié)議(NDA)以及商業(yè)相關條款等等文件，不過使用者最終會看到云端業(yè)務流程的高效率；Sherwani表示SiFive正朝著以云端入口提供其IP授權與設計服務的方向發(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的團隊透過云端進行設計，「在不到三個月時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。透過云端EDA進行設計的成本會取決于使用者所選擇的CPU與儲存容量配置，不同的云端服務供貨商會有不同的計費模式。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(nèi)有效的200美元消費點數(shù)，以及多項Azure在線產(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訪問時表示，隨著半導體制程邁向7納米以下節(jié)點，越來越復雜的芯片設計案也會需要越來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)者來說會是一大負擔，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Azure的VDE，除了不需要額外的軟硬件設備投資，EDA工具接口也會與他們原本所使用的一樣；至于使用者會擔心的安全問題，「我們每年在安全技術上的投資達到10億美元，而且全球有數(shù)千位工程師負責維護數(shù)據(jù)安全；」多數(shù)企業(yè)恐怕還不一定能為自家數(shù)據(jù)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AWS負責全球半導體業(yè)務開發(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美國版訪問時也指出，在過去的幾年間，隨著一線公司將更多產(chǎn)品以及IT架構轉移至云端，安全性問題大部分都已經(jīng)解決，而像是金融服務與制藥等產(chǎn)業(yè)，都已經(jīng)透過AWS或其他云端服務業(yè)者證明這個概念；他表示「我們已經(jīng)來到了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

或許可以說，無論硬件設計工程師們是不是能接受，傳統(tǒng)設計平臺的轉移將會是一個不可避免的趨勢；就像是一般消費大眾已經(jīng)感受到了云端技術所帶來的便利性與效益，隨著各種專為IC設計與電子業(yè)者量身打造的云端環(huán)境與服務不斷精進，以及像是臺積電這樣擁有龐大生態(tài)系統(tǒng)影響力的重量級廠商持續(xù)采用與推廣，在云端進行IC與各種電子系統(tǒng)設計的習慣養(yǎng)成只是時間問題。

云端環(huán)境能為復雜IC/電子系統(tǒng)設計案帶來的優(yōu)勢，除了提供在運算性能與儲存容量方面的可擴充性，未來當設計方法導入越來越多人工智能(AI)、機器學習(ML)等相關技術，云端運算也會成為不可或缺的元素。試想有一天，當電子裝置的每一個組成組件、以及從組件到系統(tǒng)的整個設計流程都完成數(shù)字化并躍上云端，再結合AI與物聯(lián)網(wǎng)等技術，能實現(xiàn)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間專注于創(chuàng)新。

當設計平臺朝向云端轉移，也會衍生全新的商業(yè)營運模式；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(tǒng)設計業(yè)者根據(jù)其使用的EDA工具，建立客制化的零件規(guī)格表、電路符號或是零件3D模型，并藉由機器學習分析客戶需求，為工程師提升設計項目的執(zhí)行與管理效率，同時加速產(chǎn)品設計流程。而產(chǎn)業(yè)界也開始思考，是否能將金融科技所運用的區(qū)塊鏈等技術，運用在硬件生產(chǎn)的連網(wǎng)設備上以實現(xiàn)更高等級的安全防護與資源共享……各種最新IT技術將為半導體產(chǎn)業(yè)帶來哪些新面貌？且讓我們拭目以待！