芯片上“雲”的動力_風聞

“雲計算解放終端的思想，將改變整個產業的思維方式，因為這一思想徹底擺脱了摩爾定律的束縛！”

—— 郭濤，中國互聯網協會專家委員

雲計算是與信息技術、軟件、互聯網相關的一種服務，它的核心概念是以互聯網為中心，在網站上提供快速且安全的雲計算服務與數據存儲，讓每一個使用互聯網的人都可以使用網絡上的龐大計算資源與數據中心。 雲計算概念可以追溯到二十世紀60年代，2006年8月9日Google首席執行官埃裏克·施密特（Eric Schmidt）在搜索引擎大會上正式介紹了這個新模式術語，此後一年亞馬遜、微軟和IBM開始大力宣傳和推動，成就了互聯網的第三次革命，它的出現使得整個社會的工作方式和商業模式發生了巨大的改變。 近年來，雲計算成為了信息技術產業發展的戰略重點，各個行業的龍頭企業都在通過雲計算完成企業本身的數字化轉型。以微軟為代表的各個信息技術企業紛紛推出了雲計算解決方案，例如：office 365，salesforce等，雲計算已經在各行各業掀起了變革浪潮，半導體行業作為當今最為熱門的行業，自然也不會錯過這個變革“利器”。 摩爾精英從2018年開始關注“芯片設計上雲”並和AWS、Azure、紫光雲等各大雲廠商合作嘗試了多種“芯片設計上雲”的方案，並於2019年和2020年分別出版了《芯片設計雲計算白皮書 1.0》、《中國芯⽚設計雲技術⽩⽪書2.0》。 白皮書發佈以後，收到了很多行內人士的關注和積極反饋，也引起了很多同行關於“芯片設計上雲”的的熱烈討論。我們將根據這些年的研究成果和支持用户的經驗，在2021年通過一系列芯片設計上雲和安全的文章對一些大家都關心的熱點問題進行闡述，希望能拋磚引玉，和行業內所有同仁一起推動“芯片設計上雲”，讓中國芯片行業插上騰飛的翅膀。

芯片上雲的動力

相比較其它行業，比如：金融、遊戲，政務等，半導體行業上雲步伐要慢很多。這種現象除了和半導體行業上下游較長有關以外，還和此行業相對封閉和保守也有很大關係。 隨着設計工藝快速發展和芯片功能複雜度提高，作為半導體行業最為關鍵的一環，芯片設計對設計環境的效率和安全的要求也越來越高。“芯片設計”環境的各個要素（詳見圖一：設計環境五要素）必須提供最好的支持來支撐芯片設計的這種需求。

圖一：設計環境五要素來源：2020年8月，摩爾精英和微軟（中國）聯合發佈《芯片設計雲技術白皮書2.0》 目前國內半導體行業如火如荼，新的芯片設計公司如雨後春筍般出現，在這個欣欣向榮發展的背後，我們也看到了這些芯片設計公司面臨的諸多問題，主要包括： 芯片設計環境啓動門檻高

EDA 工具繁多，版本眾多，許可昂貴IP 市場龐大，很難找到性價比最優的 IPFoundry 的 PDK 及服務很難獲取很難獲取 EDA 工具、IP、PDK、IT/CAD 的專業技術支持安全、高效的 EDA 系統架構搭建困難複雜的設計環境運維困難

項目設計的峯值資源需求

項目週期內非線性的算力需求和成本優化的需求很難兼顧項目後期存儲需求暴漲用户申請和管理資源流程複雜傳統算力和存儲資源採購和配置週期較長機房的物理條件（電力、製冷、空間等）限制

項目多站點協同需求

快速整合分佈在全球的專業人才多站點協同研發的模式統一、標準化的中央集成EDA 環境頻繁的站點間數據同步複雜的災備策略

這些問題往往會影響芯片設計效率從而增加芯片產品上市時間，對於很多startup的芯片公司來説，這可能會影響整個公司的成敗。因此，如何解決上面的問題，為芯片設計提供一個高效安全的設計環境成為芯片設計公司必須首先考慮的問題。

半導體行業和其他行業一樣，正處在“數字化轉型”的浪潮中，加之中國半導體行業所面臨的歷史機遇與挑戰，通過“芯片設計上雲”的方式，獲得更多、更集中、更專業的資源和技術，降低芯片團隊的起步門檻，縮短產品上市週期，加速產品迭代，從而加快中國半導體行業的追趕之路，無疑是最為有效的方式。 對傳統芯片行業來説，芯片上雲的步伐是緩慢的、遲疑的；雖然歐美頂級半導體公司在2016就開始做戰略部署“芯片設計上雲”，Cadence、Synoposys、Mentor等EDA廠商也在努力推動他們的雲方案，眾多的芯片設計公司熱情並不高漲。但是2019年開始，變化開始明顯起來，越來越多的成功案例在諸多媒體中開始聚焦。例如：TSMC 2019年6月在微軟的Azure雲上在 10 小時內驗證了 AMD EPYC 上的大尺寸 Radeon Instinct Vega20 集成電路設計；AMD在微軟的Azure雲上19個小時內完成了台積電7nm工藝的大型電路的2次物理驗證。Startup的“上雲”成功也在年度的DAC（Design Automation Conference，www.dac.com ）大會被提及，讀者可以在附錄參考更多詳細案例介紹。 相比較而言，國內的“芯片設計上雲”還在非常初期階段，但是越來越多的行業人士已經認識到了“芯片設計上雲”是解決傳統環境下諸多“病症”的最佳“良方”；是急速提高效率、解決彈性地平衡解決需求和計算資源供、資產減負、優化成本、提高公司各區域項目協同合作等行之有效的解決方案。 芯片上雲最有吸引力的幾點優勢

彈性算力：無疑芯片上雲的最大好處之一是在於的雲的高彈性能力。我們引自cadence發佈的下圖來闡述。

圖二：雲的高彈性能力説明

（來源：Cadence官方發佈）

大家知道，芯片客户的需求永遠是動態的，而傳統數據中心的提供的資源是相對固定的，預算模型不能提前精確預估研發部門高峯期所需的資源，在流片前的籤核（signoff)期間的需求有時會增加一倍以上，如果要擴容，則要經過相當長的時間和流程，而導致流片時間延長；而反之在非高峯期則計算資源處於閒置狀態，導致實際生產效率低下。

雲全面自動化的高彈性能力不僅突破了傳統機房的侷限性，而且能提供豐富的、包括最新硬件配置的算例，其迭代更新的速度傳統數據中心無法匹及。

下圖説明，通過線下+公有云的混合雲模式，當項目需求高峯期的到來的時候，線下數據中心來受制於擴容侷限性的時候，通過擴展部署雲彈性方案，可以輕鬆解決需求問題。

圖三：混合雲模式下，項目需求和線下數據中心的容量數值對比來源：2020年8月，摩爾精英和微軟（中國）聯合發佈《芯片設計雲技術白皮書2.0》

雲的高彈性優勢可以總結為：

高效的申請和管理資源流程，快速完成計算和存儲資源的擴容和回收公有云可以提供各種計算和存儲資源，用户可以選擇性價比最高的資源，即開即所用公有云理論“無限”資源可以大大算短芯片設計週期“彈性算力”快速無感的擴展計算集羣，及時釋放閒置資源優化成本公有云豐富的硬件資源和服務，提供了芯片設計利用AI和ML技術的可能

圖四：計算集羣彈性管理示意圖來源：2020年8月，摩爾精英和微軟（中國）聯合發佈《芯片設計雲技術白皮書2.0》

芯片設計雲 SaaS：

相信業界對SaaS已經耳熟能詳了，針對芯片行業的SaaS其目的和明顯優勢在於：

圖五：EDA 雲計算平台來源：2020年8月，摩爾精英和微軟（中國）聯合發佈《芯片設計雲技術白皮書2.0》

引入 IP 供應商、EDA 供應商和 Foundry 提供豐富的資源及技術支持提供標準管理IT基礎架構、EDA工具、IP、PDK的工具自助搭建和維護IT基礎架構提供標準數據結構管理工具提供各種資源監控和調度功能，實現可視化提供更加有彈性的收費模式，例如：按時收費

提高生產效率的高級目標就是實現服務自動化，摩爾的理念就是充分利用雲的強大優勢結合行業經驗和專業知識逐漸打造一個從虛擬化資源池、到雲管理平台、再到無縫集成的設計管理平台（CMP+DMP），從而全面實現安全設計服務自動化。

圖六：設計管理平台（CMP+DMP）

為了便於理解，我們將Iaas、PaaS和SaaS的服務及相關平台模型和使用者的關係用下圖抽象説明。

圖七：Iaas、PaaS和SaaS的服務及相關平台模型和使用者的關係

可以看到，從Infra的IaaS，到雲平台的PaaS，再到服務級別的SaaS，客户會越來越輕鬆，效率越來越高，無需介入設計環境底層、中間層、甚至是環境的配置和維護，如網上購物，幾步點擊所需菜單，即可進行相關研發；從而有更多精力專注管理研發人員和企業數據來保護和維護知識產權的高度安全。

多站點協同中心

避免建設多個數據中心，實現成本優化搭統一、高效和安全的設計環境確保各站點工程師看到的設計環境一致減少站點間數據交換和同步，避免了數據差異造成的設計失敗簡化數據災備策略，減少重複的IT基礎建設

圖八：EDA 雲設計中心來源：2020年8月，摩爾精英和微軟（中國）聯合發佈《芯片設計雲技術白皮書2.0》

結語

除了上面提到的優勢之外，“芯片設計上雲”提供的新的收費模式，也使得傳統的EDA環境投資從資本性支出變為運營成本，對於很多startup公司來説前期支出會大大降低，從而保證了公司資金最優化。

同時，“芯片設計上雲”將會完整整合上述五大資源，這對國內IP和EDA發展來説提供了更多的發展和使用機會，對這些產品的國產化有極大的推動作用，從而加速國產半導體的生態平台基礎優化。

更能增添信心的是，雲廠商一直在以加速度發展雲平台，通過技術不斷推陳出新，其產品和服務不斷豐富和成熟，安全可靠性也越來越提高和全面；EDA和IP廠商也從商務和技術上努力支持向雲的遷移。我們深信通過雲的“所有（數據、服務）都被加密”的技術，我們芯片客户所擔心的雲安全的問題將不再是一個“大”問號！

當然，“芯片設計上雲”在初期階段也會存在不少挑戰，我們將會在後繼的文章中一一闡述。

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如想了解芯片上“雲”更多信息，可聯繫：

王漢傑（Johnny Wang）

摩爾精英 IT/CAD 及EDA雲計算服務副總裁

+86-021-51137998

[email protected]

周鳴煒（Wendy Zhou）

摩爾精英 IT/CAD及EDA雲計算事業部技術負責人

+86-021-51137998

[email protected]

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參考文獻：

《計算未來-人工智能及其社會角色》--- Harry Shum & Brad Smith

History of Cloud Computing --- https://www.educba.com/history-of-cloud-computing

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相關案例：

1. 2019年，微軟&Mentor Graphics & TSMC & AMD ，在 Azure 上驗證了 7nm 的芯片設計。

2. 2020年，Mentor 的 AMS 使用了Azure 專門針對 HPC 開發的虛擬機類型 HC44rs ，每個核心有 8GB 的內存來調用，大幅度縮短 EDA 的過程，提升效率加速產品上市。

3. 2020年，Synopsys 使用Azure 運行 IC Validator 物理驗證解決方案，在不到9小時的時間內完成了對 AMD Radeon Pro VII GPU （包括超過130億個晶體管）的驗證，大幅縮短了驗證時間。

4. 2020年，摩爾精英支持一家台灣設計服務公司在Azure上完成了全雲設計項目。

5. 2020年，摩爾精英支持一家國內知名芯片設計公司在Azure上的部署。