拥抱芯片设计“范式转换”，国产EDA软件正涌现“最佳实践”

集微网消息，2019年，两大计算机体系结构宗师约翰·轩尼诗与戴卫·帕特森在《ACM通讯》联袂撰文，预言随着摩尔定律和丹纳德法则（Dennard scaling）的式微，领域专用架构的“寒武纪大爆发”即将到来：“更高抽象层次的领域专用语言和架构...将会带来计算机体系结构新的黄金时代。”

近年来，诸多英杰在不同产业环节各展所长，响应着宏大愿景的召唤，共同推动这一“范式切换”的系统工程，其中的佼佼者如Jim Keller，甚至同时在芯片设计和芯片制造领域进行着面向未来的颠覆式创新探索（Tenstorrent和Atomic Semi）。

值得注意的是，从ASIC、SoC到方兴未艾的领域专用架构（DSA），处理器微体系结构大体遵循着一代产品对应一代商业模式、一代开发方法，其演进也无不建立在对前一代痛点和瓶颈的深刻洞察之上，并在推进旧范式的边际收益和接受新范式的边际成本越过某个敏感点后，迎来创新的加速扩散。牧本次雄博士曾梳理总结的通用化和定制化循环，亦即牧本周期（Makimoto’s Wave），正是反映了设计工具和方法学的成本效益变化。

当前，微处理器尤其是先进制程产品的设计复杂性和开发成本已经达到十分惊人的水平，一款先进制程通用处理器研发，动辄需要投入上百人年、耗资上亿美元，以至于成为极少数行业巨头的游戏，下游用户多样化场景的定制需求难以得到满足，创新架构的尝试也往往被如此之高的门槛所抑制。

与此同时，随着数字化、智能化浪潮的纵向、横向推进，芯片设计所需面向的应用领域和场景却越来越多样化、细粒化，演进节奏也大大加快，因此必须根据特定的专用领域需求，对处理器芯片进行深度定制，通过软硬件协同设计符合芯片性能、功耗、面积（PPA）指标，并且同时满足开发周期、开发成本的严苛约束。

戴卫·帕特森就曾在其“敏捷硬件设计宣言”中，介绍了名为Rocket Chip Generator的设计平台，设计语言支持面向对象编程，可实现有别于传统瀑布流开发模式的敏捷设计，即在生成器中通过参数配置，自动完成处理器核、缓存、I/O和完整SoC的系统划分、功能设计和RTL生成，并可依托FPGA高效且低成本地完成性能仿真验证优化，迭代为特定设计目标和约束而定制的不同芯片架构，尽管无法支持更为复杂VLIW等多发射流水线实现，但任然是极富意义的探索。

从目前学界与产业界的实践看，理想的新一代DSA处理器设计工具，至少需要具备三方面特性：

•降低设计门槛，使熟悉领域knowhow的人员能够用高级语言开展芯片设计；

•有效压缩从设计到上市的周期，降低开发成本和开发风险；

•确保具备足够的设计质量，不逊色传统方法的PPA表现。

这样的设计挑战，也恰恰是新一代EDA设计工具的机遇所在，而对于中国本土EDA产业而言，更具有一重在赛道切换中与传统巨头齐头并进，或至少规避“卡脖子”风险的现实价值。

令人振奋的是，中国EDA产业新秀芯易荟（ChipEasy），日前正式发布了其基于C语言的领域专用处理器生成工具—FARMStudio，标志着本土厂商在这一领域取得重大突破。

根据芯易荟提供的资料，FARMStudio是其FARM（Flexible Advanced RISC Machine）设计方法学的关键要素，开发者在完成应用层软件及算法分析后，可以通过配置的方式组合 基础核与指令级/数据级并行的超级指令、DSP/AI/CV等预置模板，通过FARMStudio自动生成DSA软硬件。

从理念到落地，FARMStudio带来了八项主要的技术突破，包括：

•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；

对照上文提及的新一代设计工具三大价值坐标，芯易荟联合创始人徐勇先生向集微网进一步诠释了FARMStudio的优越性。他以SLAM（同时定位与地图构建）这一面向新兴应用场景的芯片品类为例，指出如果依照传统开发模式、使用传统开发工具，在企业资源全部到位的情况下，至少也需要组建一支由RTL工程师、验证工程师等数十人规模的硬件研发团队，项目要推进到获得PPA结果，设计周期也至少需要四到五个月时间，相比之下，使用FARMStudio则可通过替代人力和缩短周期，为芯片设计公司带来90%以上的资源节约。

较HDL语言抽象层次更高的C语言，无疑为FARMStudio带来了软硬件联合建模的便利性，也大大降低了拥有领域knowhow的专业人员参与DSA芯片设计的门槛，不过正如长期以来对高阶综合 (HLS)的诟病，也有观点担忧易用性的代价是在产品PPA表现上难以做到充分优化，出现性能损失。

在集微网采访中，徐勇也主动谈到了对于这一议题的见解，他表示，PPA的优化的确是一个要解决的问题，从最底层看，所有的片上硬件资源，其实都可以被归入几类逻辑门单元，或许在单次迭代中，自动化方法的效果不及人工优化RTL，但FARMStudio单次迭代周期远快于人工设计（月和分钟的计量单位之差），因此完全可以通过更多轮次的迭代实现同等乃至更优的性能表现，更进一步看，高级语言相较HDL语言，在视频流等特定场景中还能够承载更深刻的设计理念，实现更高层次的并行化，也可以在PPA指标上打破外界的刻板印象。

徐勇还特别强调，FARMStudio不仅仅是设计工具，更是生成工具：“乍一听好像感觉差不多，但实际上是完全不同层面的事情”。在他看来，设计工具所起到的作用，是将人脑中已有清晰成型的构想一步步实现，而生成工具则可类比于时下火爆的ChatGPT，使用者可以在并没有明确技术方案的情况下，通过这一固化和浓缩着芯易荟技术知识的工具，实现应用需求的自动输出，无需了解微架构细节。“从我们的感觉看，这是一个非常重大的突破创新”。

产品定位上的升维，也依托于其FARM方法学对设计流程的颠覆，将快速试错、降低决策风险的理念做了充分贯彻。

尽管在大众认知里，芯片设计是个自带光环的高技术领域，但作为工业产品，从产品定义、立项设计到最终量产上市，以年为单位的漫长间隔，往往放大了面对技术和市场风险的脆弱性，使全生命周期TAM\SAM\SOM财务预测形同玄学，高度复杂的数字IC开发过程中，拖期、超支也成为家常便饭，瞬息万变的目标市场需求，更有可能导致项目“中道崩殂”，甚至对许多初创企业而言，成为难以跨越的“死亡之谷”。

徐勇就感言，“坦率的说，其实芯片行业的风险控制相对于其他行业一直做的就不太好”。IC开发通常在立项之初就锁定了大量公司人力物力资源，流程中关键节点的迭代动辄要消耗以月计的时间，企业面临相当大的决策风险。

而FARMStudio，则旨在帮助芯片公司实现设计流程的“并行化”，最大化降低决策风险，将“软硬协同”、设计优化、验证里程碑左移，生成工具如同一个“数字沙盘”，可供企业在预研论证阶段就提前排除诸多技术风险，与此同时，公司资源投入的决策则尽可能向流片节点右移，进一步缩短决策与上市的时间间隔，从而对技术趋势和市场周期的变化能够更迅速反应。

值得一提的是，与创新产品相配套，芯易荟推出的产品收费模式也堪称“惊艳”，徐勇对此的解释，也折射出公司对“客户成功”的深刻理解：“我们为什么把成本做下来，原因是我们也希望把这个工具普及，让大家都用起来。同时我们也希望通过跟客户分享利润的模式，把整个项目的风险降低。前期我们授权费很低，我们希望客户能真的走向量产，量产之后分享给我们一部分利润，其实从另外一个角度来看，也是把前期在产品研发阶段的风险，我们帮客户分担一部分。”

纵观各种面向工业控制、通信、车载雷达、计算机视觉、互联网、音频的DSA处理器实践，在基础的RISC-V标量计算单元外，承担协处理加速任务的DSP/NPU已近乎“刚需”，作为完整解决方案一部分，高性能的自有DSP/NPU IP也不可或缺。

在采访中，芯易荟市场总监徐明先生详细解读了公司自研IP特性，有别于传统IP授权模式下供应商仅提供固定规格产品线，芯易荟IP允许客户通过配置界面进行灵活调整，可更好适配其业务需求。

具体来看，其DSP IP兼具灵活易用和自主可控优势，支持非标数据类型，可个性化小数定标算法指令层级，指令颗粒度、算力规格、系统架构与应用场景强相关，内存消耗、面积、功耗，以及同等SIMD位宽下性能较竞品有明显优势；而NPU IP也不再只是同一微架构下MAC阵列数量、缓存规格的排列组合，而是支持不同的架构范式。徐明表示：“架构范式在实际应用中是各有存在的意义，一种架构实际上不可能满足所有的NPU应用，它的应用范围更广、差异性更大，相应的非标数据类型可定制，减少数据存储和交互压力，降低功耗，传统IP是做不了的，总体来讲我们就是追求差异化。”

总体而言，芯易荟所提炼的FARM方法学，在三方面树立了极为鲜明的特色：

• 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；

同样给集微网留下深刻印象的，是这家企业在新兴方向、前沿方向上敢于投入正向研发，竞逐世界一流水平的精气神，与不少习惯于跟随在位巨头“国产替代”的厂商形成了鲜明反差，更重要的是，芯易荟的探索，举手投足也显示出清晰的商业落地意识和“章法”，这恰是许多初创企业所欠缺的。

采访的最后，徐勇先生表示：“我们也在为中国EDA产业的崛起，包括中国芯片设计水平的提高，做一些我们自己应该做的事情”。集微网也坚信，这样一个个优秀团队自下而上的努力，终将汇聚成中国芯片产业向上突围的合力。（校对/萨米）