计算架构变革，国产EDA抢滩专用计算

来源:半导体行业观察发布时间:2023-04-20808浏览

一个时代有一个时代的架构。

PC时代以CPU为王，智能手机时代，多媒体与图形渲染需求增加，CPU和GPU的重要性逐渐平衡。而到了如今的智能汽车和云计算时代，AI计算需求大增，通用处理器演进遇到了瓶颈，芯片功耗和成本急剧上升，同时单核性能极限，多核架构性能提升也变得越来越慢。

因此，面向AI时代的计算架构呼之欲出。

2017年，图灵奖获得者John Hennessy与David Patterson在其“计算机体系架构的黄金年代”主题演讲中指出，由于目前通用计算的性能瓶颈，需要面向不同应用场景开发针对性优化的架构，他们给出的解决方案是DSA。

所谓DSA（domain specific architecture，特定领域架构），是一种针对特定领域定制的可编程处理器，能够用于加速某些应用程序，实现更好的性能和性价比。

尤其是在当前摩尔定律放缓的趋势下，DSA更是成为一种持续提升处理器性能的重要技术理念，即采用可编程的专用集成电路去加速特定的高强度的处理器负载，比如加速图形渲染、加速AI神经网络的前向推理计算、提高巨量网络数据的吞吐等。

可以简单理解为，以CPU为代表的通用计算芯片架构，已经无法很好地匹配和满足当前的市场需求，所以在AI、云计算、自动驾驶等各类新技术和应用层出不穷的同时，“通不如精”成为处理器架构的演进趋势，智能计算需求激增的背后，是从传统的通用芯片向专用领域处理器芯片的转变。

基于这个趋势，很多公司开启了DSA的实践，推出了针对特定领域应用的DSA处理器，于是包括NPU、TPU、DPU、DSP等在内的各种“XPU”应运而生，尽管这些芯片类别不同，适用领域有所差异，但其作为专门为AI任务和特定领域需求而生的新芯片，它们都有着比通用计算功耗低、计算性能高、成本更低等优势。

不难判断，定制化和异构化DSA作为整个系统的算力中坚，将成为未来处理器架构的趋势，有望在下一代计算平台中发挥更大的价值。

DSA大行其道，EDA亟待革新

不难理解，DSA的目标就是提升计算的能效比，更好地满足特定领域SoC设计的差异化、能效比以及推向市场的时效性。

然而，AI时代在为DSA处理器应用场景提供了更多可能性的同时，也对芯片研发的效率提出了更高的挑战。

在DSA芯片公司实际的开发过程中，传统的EDA工具存在费人、费时、费钱且风险大等问题。尤其在芯片行业如此“卷”的后摩尔时代，在专用处理器规模指数式上升和面市时间快速缩短的双重压力下，如何快速生成专用处理器，成倍提升处理器设计效率，加速产品迭代已然成为市场制胜的关键。

这也对EDA工具提出了新的要求。对此，芯易荟通过对行业需求的深刻理解以及专业知识和经验的长期累计，推出了一款赋能专用计算、具有颠覆性创新的EDA软件工具——FARMStudio。

据芯易荟联合创始人徐勇介绍，FARMStudio是一款以C语言描述，基于RISC-V基础指令集的专用处理器生成工具，针对密集计算和复杂数据处理的应用场景，赋能工程师自由探索计算架构，优化PPA，快速收敛至最佳设计。

该工具基于FARM设计方法学，参考DSA设计范式，可方便的针对不同应用，进行不同架构下处理器的性能探索，用户仅需在软件中输入基础核、超级指令、预置模板三项数据，便可分钟级自动生成符合使用者功能、性能描述的处理器硬件及软件工具链，并提供相关FPGA开发验证平台。RTOS、相关数学库及应用层软件包也可一并交付，可最大程度缩短产品上市时间，提高竞争力。

作为自动生成专用处理器的EDA平台，FARMStudio拥有诸多优势：

加速进程：分钟级自动生成DSA处理器和配套工具链，可最大程度缩短产品上市时间，提高竞争力；
FARM多层级验证：用C语言实现快速芯片设计，并全方位保障C to RTL的正确性和一致性；
灵活高效：探索“左移”、决策“右移”，让架构探索和硬件设计更灵活，获取最符合特定需求的DSA处理器；
自主可控：FARMStudio拥有完整的技术储备和开放的生态圈，实现国产化、自主可控。
资源复用：自定义指令和预制指令资源复用

如徐勇所言，随着芯片规模和芯片制造成本的指数级上升，芯片项目的决策不能等到芯片开发生产完成后再去做，而是需要在预研阶段就能根据应用需求做好软硬件划分和验证，去实际评估最终能否达到性能需求。

相较于传统设计流程中的决策往往伴随着较大的不确定性，芯易荟升级设计流程，基于FARMStudio的设计并行化，通过将“软硬协同、设计优化、验证”等流程左移，以及该工具分钟级的快速响应，以此来帮助客户降低决策风险，加快客户研发速度。

而之所以能够取得上述颠覆性优势的原因，徐勇在接受半导体行业观察采访时表示，首先我们是以创新为出发点，迫切的想要进行创新；此外，公司研发团队实力强，由40多年行业经验的科学家领头，团队硕士及以上学历人才占比达80%，且非常了解行业痛点和发展趋势。

在此基础上，芯易荟通过思维方法的整合，进行深度技术创新融合，实现了一系列技术的突破：

基于RISC-V基础指令，无需微架构知识，自主可控
基于C语言，软硬件设计语言统一，全球首创
分钟级自动生成DSA处理器和配套工具链
高性能编译器，支持自动VLIW，自动流水线排布
多层次验证环境，指令级别验证在X86平台实现，世界唯一
周期精确仿真器，仿真速度达到MHz级别，业界最快
FPGA云开发测试环境，即插即用
嵌入式OS，自动配置

在诸多突破性技术和优势的加持下，FARMStudio工具内嵌面向丰富应用场景的DSA设计范式，便于客户快速集成、优化和验证DSA处理器，可广泛应用于定制针对视觉、AI、通信、音频、DPU、工业控制等领域的处理器解决方案，助力芯片设计公司突破传统IP能效上限，并以更低的成本适应算法与产品的持续迭代。

对此，芯易荟市场总监徐明以DSP和NPU两个典型应用方向为例，展现了使用FARM方法学研发DSA处理器的优势和灵活性。

其中，DSP作为目前芯片市场比较典型的处理器，特别适合快速地实现各种数字信号的处理和运算，己成为AI、计算机视觉、音频等领域的关键核心。在研发DSP方面，FARM方法学具有较大优势，使用FARMStudio工具，通过非标数据类型、个性化小数标定以及提炼典型应用场景的算法需求，聚焦不同应用方向提供灵活的可选组件来加速DSP的设计、开发及验证流程。这其中也包括专用的加速指令，依托于强大的编译器可以显著提升性能和资源利用率。

徐明表示，相较于传统的DSP IP，使用FARMStudio平台能以更少的面积和功耗，更小的code size，获得更极致的性能，以满足数字化时代处理密集型应用的数据计算需求。

此外，通过FARM方法学研发NPU同样存在诸多优势，包括应用需求驱动NPU设计、不同架构范式适配复杂应用需求、支持非标数据类型、支持内存架构定制等，进而可以在帮助NPU芯片追求极致性能的同时，大幅缩减人力和时间成本。

“综合来看，FARM方法学灵活高效，降低数量级级别处理器开发成本；颠覆功能，突破传统处理器IP能力边界；自主可控，多种合作方式解决客户处理器需求。”徐明总结道。

伴随技术创新而来的，还有芯易荟对其商业模式的思考和重新定义。

据介绍，FARMStudio工具分为企业版和个人版两种类型，企业版支持软件工具链、仿真器、SDK/OS、RTL下载、专家技术支持等功能；个人版则在企业版基础上减少了RTL下载功能，专家技术支持调整为在线技术支持。

“相较于其他EDA/IP厂商动辄几百上千万的授权费用以及1%-2%甚至更高比例的版税，FARMStudio企业版采用1+1的定价模式，即EDA授权费100万人民币每年+1%的ASP版税；更是发布个人版，仅需每年299人民币，但不可用于商业用途。”徐勇补充道。

对于推出个人版的原因，徐勇强调，EDA核心是用户使用量，个人版一方面可以提高用户使用量，解锁个人对行业的了解，为生态培养贡献力量；另一方面，可以借此来加速收集用户反馈，为自身软件的后续更新迭代做基础。

综合来看，作为一款以C语言描述，基于RISC-V基础指令集的专用处理器生成工具，FARMStudio知识产权自主，助力客户高效积累自研IP是其核心竞争力所在。借此优势，FARMStudio得以降低工程师使用门槛，提升工程师技能树能级，自由探索架构，分钟级优化硬件，进而成倍提高芯片设计效率，为中国半导体事业添砖加瓦。

计算架构黄金年代，国产EDA迎来拐点

众所周知，随着芯片设计的复杂程度不断提升，EDA已经渗透到芯片设计生产的各个环节，EDA与产业链结合愈加紧密，已经成为提高设计效率、加速技术进步的关键推手。

同时EDA杠杆效应显著，根据SEMI数据，2021年全球EDA市场规模仅为132亿美元，却撬动着数千亿美元的集成电路产业，以及背后数十万亿规模的数字经济，其属性和重要性可见一斑。

近年来，受地缘政治关系的影响，我国在包括EDA在内的多个半导体领域面临关键核心技术卡脖子的危机。因此，如何尽快打破垄断，实现相关领域的“自主可控”成为全社会的广泛共识。

2021年，工信部出台的《“十四五”软件和信息技术服务业发展规划》中提出要重点突破工业软件，EDA作为工业软件的皇冠明珠，是短板所在，也是未来重点发力方向。

在此背景下，国产EDA厂商正卯足力气、加紧追赶，芯易荟也是在这个过程中成立并逐步壮大，在专用计算领域实现技术突破，解决了行业客户在芯片实际开发过程中的一系列复杂挑战和难题，颠覆了国外巨头对EDA领域的长期垄断。

FARMStudio工具目前已由国内外多家IC厂商进行实践测试及使用，应用市场涵盖手机、安防、汽车、通信、消费电子、工业控制等诸多领域，正在发展成为我国自主研发集成电路产业生态的重要部分。

徐勇表示，近年来，随着更多政策加码，相关技术正日益成熟，国产EDA企业正迎来发展的黄金期。我们也十分期待看到EDA产业日益加剧的市场竞争中，催生更多、更先进的国产EDA工具，共同助推中国集成电路产业的进一步发展。

作为芯片设计行业的赋能者，芯易荟自主研发专用处理器设计与验证自动化的前瞻性技术，提供处理器开发的一站式平台，针对丰富的应用场景，自动产生最佳匹配的软硬件协同方案，为中国乃至全球范围日益增长的芯片设计需求提供新型设计方法学、工具软件和最佳实践。

正如在文章开头John Hennessy和David Patterson提到的，计算机架构正在迎来一个新的黄金时代。

对于芯易荟来说，这也是他们的一个机会。

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今天是《半导体行业观察》为您分享的第3377期内容，欢迎关注。

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