【ANSYS半導(dǎo)體事業(yè)部全球總經(jīng)理：仿真技術(shù)布局未來芯片SignOff】上月在上海召開的“2018ANSYS技術(shù)大會(huì)”上，三天內(nèi)匯集近百場(chǎng)精彩演講和領(lǐng)先業(yè)界實(shí)例分享,來自國(guó)內(nèi)外1400余名業(yè)界精英共赴知識(shí)盛宴，感受數(shù)字轉(zhuǎn)型時(shí)代仿真的力量。ANSYS半導(dǎo)體事業(yè)部總經(jīng)理JohnLee接受了半導(dǎo)體行業(yè)觀察的媒體專訪，分享了以下精彩獨(dú)到的觀點(diǎn)：

專業(yè)化（Specialization）趨勢(shì)將繼續(xù)加速

要想服務(wù)好一個(gè)行業(yè)，首先需要理解該行業(yè)的本質(zhì)，捕捉到最微妙的變化，并預(yù)判未來趨勢(shì)。John認(rèn)為，專業(yè)化(Specialization)是他過去三年看到的顯著趨勢(shì)，圍繞AI、自動(dòng)駕駛、5G等新應(yīng)用，移動(dòng)、高性能計(jì)算等傳統(tǒng)領(lǐng)域均有巨大機(jī)會(huì)，并且該趨勢(shì)在未來幾年還將繼續(xù)加速。

過去，大量芯片出貨集中在CPU、GPU等通用處理器市場(chǎng)，但現(xiàn)在更精細(xì)專業(yè)化分工的芯片市場(chǎng)涌現(xiàn)大量的新機(jī)會(huì)，例如區(qū)塊鏈和加密貨幣，比特大陸的異軍突起就是一個(gè)絕佳的實(shí)例。如果說五年以前，臺(tái)積電會(huì)預(yù)留可觀的先進(jìn)工藝產(chǎn)能來生產(chǎn)加密貨幣芯片，不會(huì)有人相信；但今天，加密貨幣市場(chǎng)的起伏及對(duì)預(yù)期營(yíng)收的影響，已頻頻出現(xiàn)在臺(tái)積電的法說會(huì)中。

再放眼人工智能領(lǐng)域，中國(guó)本土AI芯片設(shè)計(jì)公司被資本熱捧；在美國(guó)，AI應(yīng)用更是占據(jù)了芯片設(shè)計(jì)Start-up的主力。John預(yù)測(cè)，CPU/GPU市場(chǎng)將繼續(xù)由Intel和NVIDIA這樣的巨頭壟斷，但在專用芯片領(lǐng)域，中小公司將看到非常廣闊的市場(chǎng)空間。

這種專業(yè)化趨勢(shì)不僅僅來源于芯片廠商的自主選擇，同時(shí)也由各大系統(tǒng)和終端服務(wù)商驅(qū)動(dòng)。亞馬遜在定制自己的芯片，但并非為了對(duì)外銷售，而是用于包括AWS在內(nèi)的產(chǎn)品和服務(wù)。即使該款芯片只能Amazon自用，但AWS處理的數(shù)據(jù)量和對(duì)應(yīng)的硬件后臺(tái)是如此巨大，如果相比通用處理器芯片，只要定制芯片能獲得25-30%的更優(yōu)性能，前期巨大的NRE投入也是值得的。

EDA巨頭間的合縱連橫，比你想象的還要有趣

過去三十年，EDA領(lǐng)域一直在上演“大魚吃小魚”的養(yǎng)成游戲，曾有人戲稱，幾大EDA巨頭把市面上能夠并購(gòu)的中小公司全數(shù)收入囊中，以致近年來出現(xiàn)了并購(gòu)"標(biāo)的"荒；而致力于分?jǐn)偣?yīng)商風(fēng)險(xiǎn)的芯片設(shè)計(jì)巨頭們，又努力維護(hù)著幾大EDA廠商共存的微妙平衡。

ANSYS創(chuàng)立于1963年，是全球最大的工程仿真軟件公司，產(chǎn)品應(yīng)用在航空、航天、電子、車輛、船舶等眾多行業(yè)；2011年，ANSYS以3.1億美元現(xiàn)金收購(gòu)仿真軟件提供商ApacheDesignSolution，這筆收購(gòu)可謂快、狠、準(zhǔn)，加深了其在功耗效率、電源完整性、噪聲、可靠性和ESD規(guī)劃等工具方面的優(yōu)勢(shì)。

下面是一張簡(jiǎn)表，整理了EDA頭部玩家的部分財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)和對(duì)話中涉及的部分工具(不代表其全產(chǎn)品線，由于Mentor被西門子收購(gòu)并表，此處暫略）

盡管各大廠商之間存在競(jìng)爭(zhēng)，但受Top20半導(dǎo)體設(shè)計(jì)公司（Fabless&IDM)驅(qū)動(dòng)，EDA廠商同時(shí)保持了數(shù)據(jù)格式的高度標(biāo)準(zhǔn)化（如LEFDEF,Liberty,FSDB等）和接口開放度，以達(dá)到客戶端整體效能最優(yōu)的組合。John分享了一些非常有趣的案例，以時(shí)序分析工具為例，Synopsys的PT和Cadence的Tempus均能夠與ANSYS的功耗分析工具RedHawk-SC接口，特別的，由于ANSYS和Synopsys就PT和RedHawk-SC之間的接口簽署了合作協(xié)議，優(yōu)化后的PT接口提速了近10倍。

John特別強(qiáng)調(diào)，ANSYS能夠以相對(duì)少的雇員數(shù)，創(chuàng)造更大市值（近$15B)的原因，一方面受惠于跨多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域的巨大客戶體量（4萬+），另一方面也源自在多物理域仿真技術(shù)上的聚焦。過去一年，在ANSYS新任CEOAjeiS.Gopal的領(lǐng)導(dǎo)下，ANSYS的股價(jià)上漲了約39%。

ANSYS聚焦多物理域仿真

在ANSYS用戶大會(huì)的Keynote演講中，John強(qiáng)調(diào)了ANSYS聚焦Multi-physicsSimulationFlow的差異化競(jìng)爭(zhēng)策略。ANSYS針對(duì)SignOff,ESD,Thermal,SI/PI,Reliability,EMI和Mechanical等多物理域提出了全套解決方案。

在John看來，EDA巨頭通常會(huì)選擇“全家桶策略”，即覆蓋從RTL-in到GDS-out的芯片設(shè)計(jì)全流程，包括綜合、布局布線、仿真、Signoff，同時(shí)還提供Emulation和IP。隨著研發(fā)投入的節(jié)節(jié)攀升，目前業(yè)界只有S和C兩家巨頭還在堅(jiān)持。非常有趣的是，與當(dāng)年ANSYS收購(gòu)Apache類似，同樣被系統(tǒng)軟件商收購(gòu)的Mentor,ASiemensBusiness,也采用了聚焦優(yōu)勢(shì)點(diǎn)工具的戰(zhàn)略。

從整個(gè)行業(yè)和客戶端看來，這些彼此差異化的策略，避免了多戰(zhàn)線的慘烈競(jìng)爭(zhēng)，同時(shí)還能夠確保EDA能投入足夠資源緊密耦合晶圓廠的先進(jìn)工藝升級(jí)，也符合業(yè)態(tài)自我進(jìn)化的結(jié)果。

John表示，ANSYS深度聚焦于自己的優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域-多物理場(chǎng)聯(lián)合仿真，并謹(jǐn)慎取舍。同時(shí)，隨著設(shè)計(jì)復(fù)雜度攀升，工程師需要考慮包括功耗、電遷移、熱、機(jī)械應(yīng)力、信號(hào)完整性等多方面物理因素，需要的設(shè)計(jì)人力也急劇增加。過去，可能30人的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)足夠完成一款芯片設(shè)計(jì)；現(xiàn)在，一款復(fù)雜的芯片產(chǎn)品可能需要多達(dá)300名研發(fā)人員的全球協(xié)作。

設(shè)計(jì)復(fù)雜度的增加導(dǎo)致研發(fā)成本的攀升，包括智能手機(jī)在內(nèi)的終端產(chǎn)品的快速迭代，也讓芯片廠商更加關(guān)注“一次流片成功”。每年蘋果、三星、華為等手機(jī)廠商會(huì)定期發(fā)布自己的新產(chǎn)品，并在多項(xiàng)芯片性能指標(biāo)上激烈競(jìng)爭(zhēng)，更短的產(chǎn)品TAT和更低的容錯(cuò)率讓客戶更加重視仿真愿意為Multi-physicsSimulation買單。

7nm設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)和解決之道

設(shè)計(jì)復(fù)雜度的增加很大一部分來自集成電路工藝技術(shù)的不斷演進(jìn)，在7納米，晶圓廠的制造工藝變得異常復(fù)雜，芯片設(shè)計(jì)存在諸多挑戰(zhàn)，不僅成本大幅增加，還可能發(fā)生許多意想不到的良率問題。

Sources:ANSYS,PaoloGargini,ITRSPast,PresentandFuture,TSMC:PhysicalDesignChallengesandInnovations,ISPD2017

根據(jù)ANSYS,TSMC等聯(lián)合發(fā)表的論文，在7納米，電源網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)達(dá)到100億數(shù)量級(jí)，超低電壓設(shè)計(jì)意味著極窄的設(shè)計(jì)裕量，單次Full-chip仿真就可能產(chǎn)生1TB數(shù)據(jù)，為了覆蓋不同場(chǎng)景產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量還將乘上10倍。

很顯然，過去傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法將很難收斂，此時(shí)亟待新的解決思路。取道Google,百度等互聯(lián)網(wǎng)公司，ANSYS提出了大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)驅(qū)動(dòng)的EDA平臺(tái)——SeaScape。John分享了一個(gè)來自NVIDIA的設(shè)計(jì)實(shí)例，通過SeaScape分析200億晶體管級(jí)電路的時(shí)序、功耗、版圖、壓降等設(shè)計(jì)仿真數(shù)據(jù)，可以在10分鐘內(nèi)得到過去花上一周時(shí)間經(jīng)過多次仿真才能得到的信息。

SeaScape的大數(shù)據(jù)平臺(tái)背后有哪些Know-how呢？為幫助我們理解芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域大數(shù)據(jù)分析的關(guān)鍵因素，John從數(shù)據(jù)類型和EDA算法兩個(gè)方面做了解釋：

在互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)成熟的大數(shù)據(jù)技術(shù)尚未在EDA行業(yè)普及，最主要的原因是不能支持晶體管、電路網(wǎng)表、功耗、電流、電壓、版圖、寄生、互連線等數(shù)據(jù)類型。此外，從最基礎(chǔ)的原理來看，EDA工具主要解決三種問題：處理時(shí)序和功耗的圖形演算；處理提取、DRC和布局布線的幾何圖形運(yùn)算；以及大規(guī)模矩陣求解運(yùn)算。將大數(shù)據(jù)技術(shù)用于半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)需要處理好底層數(shù)據(jù)支持和對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算操作的問題。

因此，ANSYS針對(duì)時(shí)序、功耗、電壓、電流、版圖和仿真求解引擎設(shè)計(jì)了SeaScape這一專用大數(shù)據(jù)系統(tǒng)（PurposeBuiltBigDataSystem），并且還支持客戶基于開放接口開發(fā)自定義搜索和分析功能。

超越SignOff以確保客戶成功

傳統(tǒng)的SignOff（簽收）流程包括DRC,LVS,TimingSignOff,PowerSignOff等，往往使用多個(gè)獨(dú)立工具，SignOff工具的輸出也是簡(jiǎn)單的“是”和“否”?！笆恰币馕吨ㄟ^約束條件簽收，“否”則意味著要修正仍存在的問題。

針對(duì)先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)下越來越窄的設(shè)計(jì)裕量，ANSYS提出了“超越SignOff”工具方法學(xué)，即不僅僅給出“是/否”判斷結(jié)果，更加著眼于如何幫助設(shè)計(jì)工程師改進(jìn)“PPAR”，即Power-Performance-Area-Reliability。

在2018DAC上，一篇來自Broadcom的論文展示了如何用RedHawk-SCSignOff工具有效減少了10%的芯片面積，John指出，正是支持大數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)算法的開放系統(tǒng)，帶來了這一顯著改進(jìn)。

EDAonCloud

中國(guó)現(xiàn)在有1000多家芯片設(shè)計(jì)企業(yè)，其中大部分為規(guī)模不足50人的中小型公司，如何更好地支持?jǐn)?shù)量如此之多的芯片設(shè)計(jì)公司，對(duì)于EDA廠商來講提出了新的需求。同時(shí)，無論大小客戶，都希望能夠擁有彈性、可擴(kuò)展的仿真計(jì)算資源。

2018DAC上，Design-on-Cloud的話題備受關(guān)注，包括Google，Microsoft，Amazon，阿里云在內(nèi)的各大云服務(wù)商探討適合IC設(shè)計(jì)環(huán)境的云方案，各大工具廠商也在積極布局EDA上云方案，Cadence，ANSYS等廠商均已有實(shí)際部署案例運(yùn)行（不過目前中國(guó)市場(chǎng)還沒有官宣的案例）。

實(shí)際上，ANSYS的不少工具從開發(fā)之初就考慮到Cloud-friendly的需求，例如Redhawk-SC是基于類似GoogleMap的大數(shù)據(jù)平臺(tái)開發(fā)，可以非常容易的部署在AWS環(huán)境中。

同時(shí)，John也指出，EDA上云的挑戰(zhàn)不僅僅來自軟硬件資源配置和工具本身的優(yōu)化，EDA-on-Cloud對(duì)傳統(tǒng)商業(yè)模式的潛在沖擊和挑戰(zhàn)也不可避免。工程師并不在乎使用的是具體哪一家的工具，他們只想要每個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中整體性能最優(yōu)的工具，這就需要將Synopsys,Cadence,Mentor,ANSYS的工具集成到同一個(gè)云端環(huán)境中并讓用戶自由切換使用，目前尚未實(shí)現(xiàn)。

然而，過去數(shù)十年半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的歷史進(jìn)程告訴我們，服務(wù)商的革新動(dòng)力來自芯片客戶，芯片設(shè)計(jì)的創(chuàng)新勢(shì)能來自終端應(yīng)用。只要永遠(yuǎn)追求更高性價(jià)比的客戶不斷推動(dòng)，誰(shuí)說這一天不會(huì)到來呢？