大模型應(yīng)用：激發(fā)芯片設(shè)計新紀(jì)元

2023 年，生成式 AI 如同當(dāng)紅炸子雞，吸引著全球的目光。當(dāng)前，圍繞這一領(lǐng)域的競爭愈發(fā)白熱化，全球陷入百模大戰(zhàn)，并朝著千模大戰(zhàn)奮進(jìn)。在這場潮流中，AI 芯片成為支撐引擎，為大模型應(yīng)用提供強(qiáng)有力的支持。蓬勃發(fā)展的大模型應(yīng)用所帶來的特殊性需求，正推動芯片設(shè)計行業(yè)邁向新紀(jì)元。眾多頂級的半導(dǎo)體廠商紛紛為大模型應(yīng)用而專門構(gòu)建 AI 芯片，其高算力、高帶寬、動輒千億的晶體管數(shù)量成為大芯片的標(biāo)配。

芯片設(shè)計復(fù)雜度，邁向新高峰

在人工智能領(lǐng)域，大模型應(yīng)用的興起，讓芯片的發(fā)展來到了一個新高度。大模型應(yīng)用需要處理大規(guī)模的數(shù)據(jù)，以 OpenAI 的 ChatGPT 從第一代大約 50 億個參數(shù)，發(fā)展到 GPT4.0 大約將超過 1T 的參數(shù)，對算力的高需求不必多說。此外，HBM 作為一種高性能內(nèi)存解決方案被各大芯片廠商引入。與此同時，先進(jìn)封裝技術(shù)如 CoWoS 成為 GPU 的主流選擇，先進(jìn)封裝技術(shù)與 HBM 是一對無法忽視的組合，通過多芯片堆疊提高了芯片之間的通信速度和能效，為大模型應(yīng)用提供強(qiáng)有力的支持。

Chiplet 技術(shù)被認(rèn)為是后摩爾時代繼續(xù)提高算力密度的重要技術(shù)之一，也獲得了大模型 AI 芯片的青睞。Chiplet 技術(shù)將芯片分割成更小的模塊，使得芯片可以采用異構(gòu)設(shè)計，即不同的模塊可以由不同制造商提供，這為芯片設(shè)計帶來更大的靈活性和創(chuàng)新空間。Chiplet 技術(shù)正在改變半導(dǎo)體行業(yè)，其應(yīng)用前景潛力無限。根據(jù)研究機(jī)構(gòu) Omdia 報告，2024 年采用 Chiplet 的處理器芯片的全球市場規(guī)模將達(dá) 58 億美元，到 2035 年將達(dá)到 570 億美元。

大模型應(yīng)用背后的芯片設(shè)計顯示了一個明顯的趨勢：芯片不再是簡單的集成電路，而是一個多維交織的產(chǎn)物，包含著全新的架構(gòu)設(shè)計、創(chuàng)新的互聯(lián)方式以及先進(jìn)封裝技術(shù)等等。

然而，芯片設(shè)計行業(yè)的挑戰(zhàn)并不僅限于大模型應(yīng)用的迅速發(fā)展。智能手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、自動駕駛汽車等應(yīng)用市場的發(fā)展，各個領(lǐng)域?qū)π酒囊笤絹碓礁?，因此，半?dǎo)體設(shè)計和制造商必須利用更精密和復(fù)雜的設(shè)計方法來滿足這些新的需求。

在消費電子領(lǐng)域，許多移動和手持設(shè)備對低功耗的要求十分迫切。為了實現(xiàn)低功耗設(shè)計目標(biāo)，芯片設(shè)計商不得不采用先進(jìn)的低功耗技術(shù)，包括電源關(guān)斷技術(shù)（PSO）、多供電電壓（MSV）以及動態(tài)電壓頻率縮放（DVFS）等技術(shù)。

在汽車行業(yè)，為了滿足現(xiàn)代汽車“電動化，網(wǎng)聯(lián)化，智能化，共享化”四化發(fā)展的需求，汽車中所需的處理器日益強(qiáng)大，對安全性的要求也越來越高。然而，高性能處理器也帶來了更高的安全風(fēng)險。因此，必須對這些處理器的設(shè)計和實施進(jìn)行更嚴(yán)格的測試和驗證。

仿真，解決復(fù)雜芯片驗證挑戰(zhàn)的先鋒

隨著各類應(yīng)用對芯片提出了新需求，芯片設(shè)計的復(fù)雜性正在以前所未有的速度遞增，這不僅引發(fā)了試錯成本的急劇膨脹，也給驗證工作帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

晶體管數(shù)量的急劇攀升，新架構(gòu)新設(shè)計的引入，設(shè)計師面臨的驗證場景越加豐富，考慮的影響因素也持續(xù)擴(kuò)大。例如，新興的 Chiplet 設(shè)計方法帶來了全新的驗證和調(diào)試挑戰(zhàn)：設(shè)計師必須保證各模塊在組合后能夠無縫協(xié)作，一旦出現(xiàn)了錯誤，需要在問題調(diào)試時準(zhǔn)確定位問題源頭。

在最終決定流片前，進(jìn)行全方位的功能驗證和性能評估，消弭所有潛在的瑕疵和隱患，是避免在后期生產(chǎn)階段承受巨額損失的決定性因素。在應(yīng)對這種日益增長的驗證復(fù)雜性的戰(zhàn)斗中，仿真器的角色正在被賦予越來越重大的價值和期待。

仿真器作為驗證芯片設(shè)計功能和性能的工具，為芯片設(shè)計人員提供了模擬電路運行的虛擬環(huán)境，幫助預(yù)測和解決潛在問題，避免錯誤進(jìn)入實際制造流程，從而節(jié)省時間和成本。仿真器，將成為解決復(fù)雜芯片設(shè)計諸多挑戰(zhàn)的先鋒。

隨著新技術(shù)的涌現(xiàn)，為了滿足不斷增長的驗證需求，仿真工具需要提供高效的仿真性能，積極探索和引入新技術(shù)，如硬件加速和機(jī)器學(xué)習(xí)，從而提高驗證的效率和準(zhǔn)確性。此外，仿真工具還需要具備良好的可擴(kuò)展性，能夠處理大規(guī)模設(shè)計，支持并行計算和分布式仿真。

迎接新技術(shù)挑戰(zhàn)，仿真實現(xiàn)再進(jìn)化

提到仿真，就不得不說一下 EDA 行業(yè)的巨頭 Cadence。從上世紀(jì) 80 年代中后期開始，Cadence 就創(chuàng)造性地推出了 Verilog 語言，為數(shù)字電路設(shè)計師提供了一種描述和驗證電路行為的標(biāo)準(zhǔn)語言，極大地提高了設(shè)計的效率和準(zhǔn)確性。Cadence 甚至將 Verilog 語言免費提供給業(yè)界使用，進(jìn)一步推動了數(shù)字電路設(shè)計的進(jìn)步。

而如今，Cadence 的 Xcelium Logic Simulator 仿真器可望成為復(fù)雜芯片驗證的一大得力助手。這款仿真器不僅擁有卓越的高性能和大容量，還支持多種語言類型，包括 SystemVerilog、VHDL、SystemC、e、UVM 和 IEEE UPF 標(biāo)準(zhǔn)。通過充分利用約束信息、約束性能分析和調(diào)試功能，Xcelium 仿真器在 IP 層面的驗證實現(xiàn)了顯著的速度提升，為新一代芯片設(shè)計注入了強(qiáng)大動力。

Xcelium Logic Simulator 利用其并行和增量構(gòu)建技術(shù)，顯著減少構(gòu)建時間、降低編譯內(nèi)存占用和減少設(shè)計所需的存儲空間。此外，Xcelium 擁有市場上領(lǐng)先的一站式前端編譯器，覆蓋軟件至硬件仿真的整個驗證流程。再者，Xcelium 運用的多核引擎，為時間消耗長的測試項目帶來速度提升。其先進(jìn)的保存/恢復(fù)技術(shù)，使其能支持?jǐn)?shù)字和實數(shù)仿真，以及模擬混合信號仿真。Xcelium 更配備了動態(tài)測試加載、約束求解器優(yōu)化和多線程并行處理等功能，提升仿真效率。

Xcelium 絕妙之處在于它在 Xcelium Logic Simulator 的原生引擎實現(xiàn)了一些列有益的延伸，其中包括機(jī)器學(xué)習(xí)、功能安全、多核、混合信號、功耗回放、X-Pessimism Removal 等，這六大 Apps 組合幾乎涵蓋了設(shè)計和驗證周期中的各種技術(shù)，可謂是包羅萬象。

舉例來說，在芯片設(shè)計過程中，設(shè)計驗證工程師常常要加班加點運行無數(shù)次回歸，為實現(xiàn)覆蓋率目標(biāo)耗費心神，即使在驗證方面投入非常大的人力和時間，流片時出現(xiàn)功能失效的風(fēng)險也很高。針對這一問題，Xcelium 的機(jī)器學(xué)習(xí) App（Xcelium Machine Learning）引入了 Cadence 專有的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，它不僅能加速覆蓋收斂，還可從以往的回歸運行中學(xué)習(xí)并指導(dǎo) Xcelium 隨機(jī)引擎，在實現(xiàn)相同覆蓋率的前提下大幅度減少仿真次數(shù)，最多可以減少十倍，或者是在特定的覆蓋點產(chǎn)生激勵以便發(fā)現(xiàn)更多的漏洞。通過減少仿真次數(shù)和更精準(zhǔn)的測試激勵，工程師們可以更加專注于發(fā)現(xiàn)和解決設(shè)計中的問題，而不是被重復(fù)的回歸運行所困擾。

Xcelium ML 流程

再比如，針對汽車中的功能安全，Cadence 的 Xcelium 是市面上唯一一款在主引擎中啟用并發(fā)注入的仿真器，Xcelium Safety App 能夠同時支持串行和并行故障仿真。結(jié)合 Jasper Safety、vManager Safety 和 Midas Safety Planner 等 Cadence 安全驗證全流程工具，Xcelium 能夠高效地執(zhí)行安全錯誤注入，以滿足 ISO26262 標(biāo)準(zhǔn)的要求。此外，Cadence 提供了廣泛的汽車功能安全文檔套件，涵蓋了半導(dǎo)體設(shè)計和驗證的全譜系。該套件大大減少了供應(yīng)商在每個汽車設(shè)計項目中進(jìn)行工具用例評估的工作量，并幫助他們避免昂貴的工具認(rèn)證工作。 

符合 ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)的 Cadence Xcelium 故障模擬解決方案

而對于想要走 Chiplet 路線的芯片公司，Xcelium 的多核應(yīng)用（Multi-Core App）是一個高度可擴(kuò)展的用于加速門級仿真的解決方案。它自動將芯片設(shè)計分解成若干個獨立的部分，并在服務(wù)器的并行內(nèi)核上對其進(jìn)行仿真，從而大大縮短了 SystemVerilog 設(shè)計的仿真用時，尤其適用于大規(guī)模設(shè)計。

結(jié)語

總的來說，我們正處在芯片行業(yè)的一個變革時期，創(chuàng)新和速度是成功的關(guān)鍵。新技術(shù)的快速發(fā)展和新需求的持續(xù)涌現(xiàn)，使得芯片設(shè)計的復(fù)雜度呈現(xiàn)指數(shù)級增長。而在這個過程中，如何提高生產(chǎn)效率，如何縮短產(chǎn)品上市時間，這都是設(shè)計工程師面臨的挑戰(zhàn)。仿真器的介入，將是芯片廠商們探索新技術(shù)、解決復(fù)雜芯片設(shè)計難題的得力工具。

相信在 Xcelium Logic Simulator 及多種 Apps 組合，大小型芯片公司都能夠更自信地迎接新一代芯片設(shè)計過程中的復(fù)雜性挑戰(zhàn)，快速推進(jìn)設(shè)計驗證，將創(chuàng)新產(chǎn)品迅速推向市場，朝著更高、更遠(yuǎn)的未來邁進(jìn)。