疾跑的国产EDA：如何越过芯片验证关山？
作者 | ZeR0
编辑 | 漠影
“你验完了没有？”“芯片还存不存在bug？”
这是芯片验证团队经常直面的两个灵魂问题，这样的问题，实际上也是对EDA验证能力的拷问。
5月10日，在南京EDA公司芯华章举办的研讨会上，多位芯片资深从业者对验证EDA的痛点和**之径进行了深入交流。中兴微电子有线**部部长贺志强谈道，随着集成电路规模、复杂度提升，芯片的“一版成功”已是最低要求。芯片验证不仅要质量，还要在有挑战的时间窗内完成。
市场竞争加剧，正进一步压缩芯片研发周期。燧原科技资深架构师鲍敏祺对此感受深刻，以前做大芯片流片大约需要一年半，现在则可能得缩短至一年。
也就是说，芯片工程师要在更短时间内，做更多门级的验证工作。芯片规模变大后，整个验证亦从单点功能升级到整个**级、场景级的需求。
这些挑战，正推动着验证EDA工具加速进化。
EDA（电子设计自动化）软件被誉为“芯片之母”，是整个集成电路产业链“金字塔尖”般的存在。芯片工程师正是借助EDA工具，才得以完成单芯片集成了千亿颗晶体管的复杂电路设计。
“没有好的EDA软件，我们不可能制造出好的芯片。”合肥市微电子研究院院长**宁说。EDA工具的使用，能极大避免芯片电路设计和布局的错误，而高成功率，便意味着更少的损失。
芯片流片费用高到惊人——低端芯片流片一次花费数十万元，先进制程更是上亿。对于一些中小企业来说，如果流片失败两三次，它们就可能面临破产。这要求芯片验证环节，必须万无一失。
但在贺志强看来，如何度量质量与效率，仍要打一个问号。其中既有主观的数据，又有客观的数据，在各种数据之间如何佐证不同的流程、不同的方法，不同的工具之间又如何关联，这是留给验证的问题，亦是给EDA厂商的问题。
EDA集体面对的挑战，也是国产EDA企业突围的机会所在。
一、国产EDA风起：起点高、包袱轻、贴近客户
国内外动荡的贸易背景，加速了国内芯片产业对国产EDA的迫切需求。尽管国际三巨头占据了主要的EDA市场，但随着技术的飞跃发展，创新产品和新兴初创公司仍不断涌现，国产EDA企业正面对一个前所未有的市场机遇。
据我国半导体行业协会（CSIA）统计，2020年我国EDA行业市场规模约93.1亿元，同比增长27.7%，其中我国本土EDA工具市场份额约为12%。
▲2015-2025年我国EDA行业市场规模统计及预测（图源：概伦电子IPO文件，数据来源：CSIA）
合肥市微电子研究院院长**宁谈道，国内EDA公司在全流程工具方面与国际巨头差距尚存，但在许多点工具方面已与国际水平相当，甚至领先于国际水平。
“国产EDA公司拥有高技术起点和贴近本地市场的优势，能够基于客户的痛点进行开发，将经验与解决方案集成到工具当中。”中兴微电子有线**部部长贺志强分析说。
起步较晚，使得国产EDA缺乏长期的技术、生态积累及工程经验，却也带来“包袱较轻”的优势，因而得以轻装上阵，去**一些传统EDA难解的问题。
其中，能检测芯片各项指标、及时发现**的验证环节，俨然是EDA亟待优化的重点方向之一。
在**宁看来，下一代EDA工具的挑战主要来自三方面：（1）新工艺节点不断涌现，带来物理验证和可测性设计方面的挑战；（2）不断攀升的设计规模，导致高阶综合功能验证和物理验证等运行时长更长；（3）从片上**到**对接带来的设计方法学和验证方法学的**性变化。
与此同时，人工智能、5G通信、智能汽车等新应用领域正快速发展，对芯片性能的要求越来越高，功耗、成本的要求趋于分化，导致芯片设计验证的成本随之急剧上升。
而复杂且费时费力的调试工程，又是关键验证工作的重中之重。
二、无法替代的调试工作
在典型的芯片设计过程，验证占据了约70%的工作量，其中的调试（debug）就占了40%。
验证包含的原型验证、硬件**、软件**、形式验证等环节都需要调试。调试在其中穿针引线、综合资料，然后加以分析，进而达到有效的诊断。
“在整个设计验证的流程中，debug是不可欠缺、无法替代的。”芯华章科技研发副总裁林扬淳记得，即便是非调试的场景，客户也常常利用调试工具来检视和理解整个设计。
但据其调研，调试产品的供需存在着极大落差。
原因有三。一是缺乏创新，人工智能、机器学习和云计算已是不可逆的趋势，而市面上的产品却甚少掌握，顶多只是“沾点皮毛”。
二是资料的碎片化、凌乱甚至矛盾。点、步骤之间常常需要转换，不仅耗时，更容易出错。“造成如此现象最根本的原因，就是缺乏整体性的规划，仅凭商业并购，将不同公司的工具拼凑在一起造成的。”林扬淳强调。
兼容性会直接影响芯片工程师的体验，这是验证过程中经常遇到的问题。中兴微电子有线**部部长贺志强对此进一步拆解，它既包括不同EDA厂商的工具的兼容性，也包括同一家厂商工具的不同验证手段的兼容性。后者相对来说没有太高的技术壁垒，但前者很难做到统一。
三是设计日新月异，规模和复杂度不断增加，对调试产品的性能要求也不断提高。
好的调试**，不仅能确保项目的成功，更可以有效提高SoC芯片的设计和验证效率，降低芯片设计成本，这将对芯片工程师大有裨益。
三、走向下一代设计验证工具
为了适应接踵而至的挑战，**宁认为下一代EDA设计验证工具会呈现两大趋势：智能化与上云。
EDA智能化，涉及广义上一切减少人力投入的改进，包括高度并行化的EDA计算、求解空间探索、设计自动化、数据模型化及机器学习等。
新一代EDA将大幅减少芯片架构探索、设计验证布局布线等工作中的人力占比，把设计经验和数据吸收到EDA工具中，形成智能化的EDA设计。
另一个趋势是上云。随着芯片设计复杂度提升，芯片设计公司将面临计算资源需求激增、EDA峰值性能需求难以满足、工艺数据迁移耗费成本巨大、多项目并行发生的资源抢夺以及办公地点**带来的效率影响等问题，进而影响芯片研发周期及成本。
芯片设计如能上云，则可以平滑多项目并行带来的资源抢夺问题，降低EDA购买成本和维护费用，保障企业研发生产效率，摆脱物理环境束缚，并有助于支持EDA在教育领域的应用。
当前，云平台的模式还在探索和发展的初期，它不是简单地将现有EDA放到云计算平台上，而需采用适合于云平台的EDA软件架构、高可靠的安全保证，并要解决其付费模式和使用模式的创新问题。现在已经有混合云、全云等灵活的方式，来满足芯片设计公司的各种需求。
电子科技大学电子科学与工程学院副教授黄乐天一直在做大规模**级集成电路设计，他重点提到要增强EDA工具间的融合问题：
首先是加强软件提前介入验证的能力，在早期提供方便的虚拟原型验证环境，使得芯片设计之初即可实现对整体功能进行全面验证。“目前来看，虚拟原型的验证环境各家做的都还不够好，设计方法推广的也还不够多。”黄乐天说。
其次是在虚拟原型验证的基础上，找到能快速验证大规模设计的方法学，尤其要加强验证各IP间、各子**间交互设计的一些方法，并加强芯片设计和其他外围**的一些交互验证。
他希望将**、形式化验证、原型验证、调试工具等形成一个完整的整体平台，或是成系列的一个整体验证方法学，将各环节的验证有机协同，相互补充，来极大减少验证的投入。
更进一步来说，以Chiplet为代表的新一代集成电路的设计方法学正在迭代，其设计空间又增加了一个新维度，随着设计规模越来越大，软件结合更为紧密，新的验证方法学或验证EDA工具还有很大的改进和整合空间。
四、多重创新技术加持，芯华章的验证调试秘招
针对验证调试方面的挑战，一些国产EDA企业正为此付诸努力。2020年3月创立的芯华章便是其中的代表之一。过去两年，芯华章已发布**验证、形式验证、场景验证、FPGA原型验证**等产品。
芯华章科技研发副总裁林扬淳也分享了他们的解题思路：其昭晓Fusion Debug是一款基于创新架构的数字验证调试**，有创新性、易用性、高性能等特点，提供快速代码解析、波形查看、设计原理图探索、覆盖率数据分析等多种先进技术，能够帮助工程师简化调试任务，提高设计和验证的效率。
除了**使用外，该**还可以配合芯华章智V验证平台的所有产品混合使用。它也提供了丰富、可编程的数据接口，以供用户针对不同调试场景的多样化需求进行定制化。
据林扬淳回忆，从一开始，芯华章就花心血致力于底层框架、基础平台的研发，尤其是精简连贯一致，形成共同数据库，其中包括XCDB/XNDB/XEDB/XCovDB。XCDB存储了design HDL的信息，XNDB记录了design ****yst，XEDB压缩存储了信号波形，XCovDB则记录了覆盖率。
相比于国际主流数字波形格式，昭晓Fusion Debug采用完全自研的高性能数字波形格式XEDB。该波形格式借助创新的数据格式和架构，具备高性能、高容量、高波形压缩比等特点，在实际测试中可带来比国际主流数字波形格式超8倍的压缩率。
与其它商业波形格式相比，XEDB的读写速度快至3倍，并支持分布式架构，能够充分利用多台机器的物理资源来提升整体**的性能，实测中表现出的波形写入速度可以比单机模式提高5倍以上。
▲Fusion Debug GUI界面
在提供完整调试解决方案的同时，昭晓Fusion Debug也支持统一且高性能的编译，可供快速加载**结果和信号显示，轻松进行信号连接**和根本原因分析。根据实际项目数据，在完整的设计及原理图模块化加载中，昭晓Fusion Debug的速度比其他商用EDA工具快至5倍，能满足大规模SoC设计调试的需求，大幅提高验证效率。
林扬淳谈道，智能化是芯华章的优势之一。昭晓Fusion Debug便融合了先进的机器学习框架，以解决当前产业调试方案缺乏创新、数据库碎片化及性能局限等多重挑战，从而降低调试难度，进一步优化验证效率与*作体验。
五、结语：EDA后浪们，正走出自己的路
尽管曾错失历史发展良机，如今伴随着新兴技术的成熟、利好政策的相继落地以及资本热钱的涌入，国产EDA企业正如雨后春笋般涌现。
后摩尔时代愈发复杂的芯片设计，在给整个EDA产业提出新挑战的同时，也敞开了技术迭代的新机会窗口。无论是解决各种EDA工具固有的顽疾、更迭设计方法学，还是引入机器学习、云计算等新技术，EDA企业们可以探索的创新方向正趋于丰富。
从长远来看，国产EDA的发展，不应仅满足于成为“替代品”，更多要结合EDA多年的发展，在一些新的技术条件和需求上，抓住时间窗口。
诚然，对于国产EDA企业而言，短期内要比肩三大国际巨头尚是一种奢望。但通过对点工具的钻研，国产EDA企业已陆续输出了一些成果。随着其产品将从客户侧汇集的经验沉淀到一代又一代的工具迭代中，这些后起之秀正走出自己的路。
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