近期蘋果公司第一批采用自研芯片M1（Apple Silicon）的電腦開售，在市場(chǎng)上引起極大關(guān)注。M1芯片如此成功的重要原因之一，在于蘋果公司早在構(gòu)建產(chǎn)品之初就通過軟硬件結(jié)合的工作方式，共同開發(fā)出完全適用于M1的硬件產(chǎn)品和軟件生態(tài)。

這種軟硬件結(jié)合的芯片設(shè)計(jì)方法，讓M1芯片使用臺(tái)積電5納米工藝集成了160億個(gè)晶體管、配備8核中央處理器、8核圖形處理器以及16核架構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引擎，能夠以更佳的性能服務(wù)于終端應(yīng)用。 跨領(lǐng)域聯(lián)合方法學(xué)不僅能夠指導(dǎo)芯片設(shè)計(jì)工藝的不斷演進(jìn)，更是整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈合作的技術(shù)基石，引領(lǐng)著半導(dǎo)體行業(yè)的創(chuàng)新和進(jìn)步。

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DTCO方法學(xué)：先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)下的設(shè)計(jì)利器

芯片是硬件產(chǎn)業(yè)，也是軟件產(chǎn)業(yè)，同時(shí)涉及上游的高精度設(shè)計(jì)、中游的工藝制造以及下游的應(yīng)用場(chǎng)景。工藝節(jié)點(diǎn)從微米級(jí)別向納米級(jí)別不斷前進(jìn)，工藝復(fù)雜度的提升使得工廠無法按照傳統(tǒng)提供連續(xù)工藝參數(shù)空間，特別是FinFET工藝，針對(duì)器件的特征尺寸做了嚴(yán)格的限制。在工藝開發(fā)初期，如何選定這些特征尺寸，除了依據(jù)制造工藝本身的能力限制以外，需要將設(shè)計(jì)需求的輸入納入考慮范圍。

反觀設(shè)計(jì)端，在進(jìn)行下一代產(chǎn)品規(guī)劃時(shí)，摩爾定律曲線早就不再完美匹配實(shí)際工藝能力，使得設(shè)計(jì)端必須和工藝研發(fā)緊密配合，協(xié)同優(yōu)化，共同尋找新一代工藝及設(shè)計(jì)目標(biāo)。

這種設(shè)計(jì)和工藝共同協(xié)作的過程，我們稱之為Design Technology Co-optimization （DTCO，設(shè)計(jì)工藝協(xié)同開發(fā)）。新思科技（Synopsys）是最早宣布開發(fā)并落地DTCO方法學(xué)的 EDA公司，為彌補(bǔ)設(shè)計(jì)和工藝開發(fā)之間的鴻溝提供先進(jìn)的DTCO工具、方法和流程，促進(jìn)和加快現(xiàn)有技術(shù)的迭代升級(jí)，以滿足物聯(lián)網(wǎng)、智能駕駛、機(jī)器人技術(shù)等新產(chǎn)品和應(yīng)用市場(chǎng)的嚴(yán)格要求。

由于新思科技擁有業(yè)界唯一完整覆蓋設(shè)計(jì)和制造流程的工具集，因此新思科技的DTCO解決方案涵蓋了從材料探索到模塊級(jí)物理實(shí)現(xiàn)的整個(gè)過程，在晶圓生產(chǎn)之前的早期探路階段就能夠有效評(píng)估并縮小范圍選擇出新的晶體管架構(gòu)、材料和其他工藝創(chuàng)新技術(shù)，確保單元庫、IP、后端設(shè)計(jì)與工藝產(chǎn)線的特性能夠緊密吻合，從而以較低的成本實(shí)現(xiàn)更快的工藝開發(fā)。

▲新思科技DTCO流程示意圖

工藝節(jié)點(diǎn)的不斷演進(jìn)給半導(dǎo)體行業(yè)帶來諸多挑戰(zhàn)，最大的挑戰(zhàn)在于需要考慮所有可能的選擇時(shí)如何及時(shí)收斂到最佳的晶體管架構(gòu)。以IBM為例，新思科技的DTCO解決方案根據(jù)從典型構(gòu)件（如CPU內(nèi)核）中提取的指標(biāo)有效地選擇最佳的晶體管架構(gòu)和工藝選項(xiàng)，從布線能力、功耗、時(shí)序和面積等方面對(duì)晶體管和單元級(jí)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，從而以更低的成本實(shí)現(xiàn)更快的工藝開發(fā)。

在此次合作中，新思科技的完整工具集讓DTCO得以發(fā)揮最大作用：采用新思科技Proteus掩模合成和Sentaurus光刻技術(shù)開發(fā)新的圖形技術(shù)，通過QuantumATK對(duì)新材料進(jìn)行建模，使用Sentaurus TCAD和Process Explorer評(píng)估并優(yōu)化新的器件結(jié)構(gòu)、工藝和工藝集成方案，并通過Mystic提取緊湊的模型。并結(jié)合這些流程產(chǎn)生的設(shè)計(jì)規(guī)則生成用于電路仿真的PDK和進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)單元庫設(shè)計(jì)，最終使用基于IC Compiler II、StarRC、PrimeTime和IC Validator的融合技術(shù)物理實(shí)現(xiàn)整個(gè)流程執(zhí)行PPA評(píng)估。通過模擬-優(yōu)化工藝或版圖-仿真迭代，實(shí)現(xiàn)工藝和和設(shè)計(jì)的協(xié)同優(yōu)化，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

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Shift Left方法學(xué)：并行開發(fā)勢(shì)在必行

在后摩爾定律時(shí)代，AI、智能駕駛、5G為代表的創(chuàng)新應(yīng)用領(lǐng)域?qū)π酒男枨蟛粩嗯噬?，集成?a target="_blank">微處理器、模擬IP核、數(shù)字IP核和存儲(chǔ)器（或片外存儲(chǔ)控制接口)）等多種IP核的SoC（系統(tǒng)級(jí)芯片，System on Chip）成為主流，隨之而來的挑戰(zhàn)是驗(yàn)證復(fù)雜度呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)的增長(zhǎng)。

新思科技提出開發(fā)左移（Shift Left）的開發(fā)理念，為芯片設(shè)計(jì)開發(fā)提供了完整而強(qiáng)大的工具鏈、齊備而成熟穩(wěn)定的IP，通過IP復(fù)用、驗(yàn)證左移的方式，把驗(yàn)證及軟件開發(fā)工作時(shí)間提前（即時(shí)間坐標(biāo)軸上左移），幫助企業(yè)從最初產(chǎn)品定義期開始驗(yàn)證項(xiàng)目流程管理的順暢性、合理性，讓整體步驟前移，從而加速設(shè)計(jì)進(jìn)程、縮短設(shè)計(jì)時(shí)間并提高設(shè)計(jì)成功率。

新思科技推出的基于虛擬原型技術(shù)的虛擬開發(fā)平臺(tái)（VDK)可實(shí)現(xiàn)芯片、電路及元器件等電子控制單元（ECU）的虛擬仿真，將物理開發(fā)升級(jí)到仿真環(huán)境的智能開發(fā)，這樣能夠?qū)④浖_發(fā)和測(cè)試開發(fā)左移到系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，實(shí)現(xiàn)軟硬件并行開發(fā)。同時(shí)，新思科技正在積極投入架構(gòu)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行PPA評(píng)估的極致左移流程和工具，將以往只能在實(shí)現(xiàn)階段進(jìn)行的設(shè)計(jì)物理參數(shù)優(yōu)化工作，左移到架構(gòu)設(shè)計(jì)階段，實(shí)現(xiàn)軟硬件協(xié)同優(yōu)化。

根據(jù)項(xiàng)目復(fù)雜度不同，新思科技的左移方法學(xué)，可以把開發(fā)進(jìn)度提前3到9個(gè)月不等，在大型SoC開發(fā)中節(jié)省3到9個(gè)月可能決定著一款產(chǎn)品在市場(chǎng)上是否能搶到時(shí)間窗口。以新思科技的HAPS-80為例，作為加快軟件開發(fā)和系統(tǒng)驗(yàn)證的最佳解決方案，其成功協(xié)助平頭哥在兩周內(nèi)完成玄鐵910處理器SoC原型設(shè)計(jì)，并交付給軟件團(tuán)隊(duì)，為玄鐵910處理器的早日面市提供了極大保障。 軟件定義芯片的觀念不斷深入人心，變革正在發(fā)生。

新思科技的左移方法學(xué)已經(jīng)從芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域推廣到更多的終端應(yīng)用開發(fā)，如智能汽車行業(yè)。自動(dòng)駕駛是汽車行業(yè)的未來發(fā)展方向，需要采用大量的電子軟硬件。在左移方法學(xué)的指導(dǎo)下，新思科技針對(duì)智能汽車領(lǐng)域提出Triple Shift Left理論，憑借一系列汽車級(jí)IP核、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證解決方案及軟件，能夠提前12-18個(gè)月發(fā)現(xiàn)開發(fā)問題，協(xié)助解決汽車行業(yè)中的功能安全、安全性與可靠性挑戰(zhàn)，重新定義智能汽車的研發(fā)流程，大幅提升研發(fā)效率，進(jìn)一步加速汽車產(chǎn)業(yè)邁向智能化時(shí)代。

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SLM方法學(xué)：重塑產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈的價(jià)值

如今，芯片設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，芯片性能的可靠性也不斷提升，半導(dǎo)體行業(yè)現(xiàn)在終于有機(jī)會(huì)與當(dāng)今許多其他業(yè)務(wù)領(lǐng)域一樣，能夠利用其產(chǎn)品和技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，來提高整個(gè)電子系統(tǒng)價(jià)值鏈的效率與價(jià)值。以往，在半導(dǎo)體的產(chǎn)業(yè)鏈上，從芯片設(shè)計(jì)、調(diào)試、測(cè)試、量產(chǎn)、回片等，在每個(gè)階段都有相對(duì)應(yīng)的參數(shù)和數(shù)據(jù)管理手段，這導(dǎo)致了擁有龐大數(shù)據(jù)量的半導(dǎo)體行業(yè)，無法把經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)在全產(chǎn)業(yè)鏈上做整合和反饋，數(shù)據(jù)的價(jià)值無法應(yīng)用于管理硅生命周期。

也因此，半導(dǎo)體行業(yè)的全生命周期管理方法學(xué)一直缺位。 但隨著芯片和系統(tǒng)的復(fù)雜性日益增加，性能和可靠性要求不斷升級(jí)，推動(dòng)著硅后分析、維護(hù)和優(yōu)化方面的需求不斷上升 ，這意味著需要一種新的方法來解決硅基系統(tǒng)的開發(fā)、運(yùn)行和維護(hù)問題。 新思科技近期正式推出業(yè)界首個(gè)以數(shù)據(jù)分析驅(qū)動(dòng)的硅生命周期管理（SLM）平臺(tái)，通過分析片上監(jiān)控器和傳感器數(shù)據(jù)，形成閉環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)SoC從設(shè)計(jì)階段到最終用戶部署的全生命周期優(yōu)化。

SLM平臺(tái)與新思科技市場(chǎng)領(lǐng)先的Fusion Design（融合設(shè)計(jì)）工具緊密結(jié)合，將在整個(gè)芯片生命周期提供關(guān)鍵性能、可靠性和安全性方面的深入分析。這將為SoC團(tuán)隊(duì)及其客戶帶來全新高度的視角，提升其在設(shè)備和系統(tǒng)生命周期的每個(gè)階段實(shí)現(xiàn)優(yōu)化操作的能力。

SLM解決方案基于兩個(gè)基本原則：盡可能多地收集與每個(gè)芯片相關(guān)的有用數(shù)據(jù)，并在其整個(gè)生命周期中對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以獲得用于改進(jìn)芯片和系統(tǒng)相關(guān)活動(dòng)的可操作見解。第一個(gè)原則的實(shí)現(xiàn)方式是基于已經(jīng)從測(cè)試和產(chǎn)品工程中獲得的數(shù)據(jù)，通過嵌入在每個(gè)芯片中的監(jiān)控器和傳感器深入了解芯片的運(yùn)行，并在廣泛的環(huán)境和條件下測(cè)量目標(biāo)活動(dòng)。

第二個(gè)原則是應(yīng)用目標(biāo)分析引擎對(duì)可用的芯片數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體生命周期各個(gè)階段的優(yōu)化，包括從設(shè)計(jì)實(shí)施到制造、生產(chǎn)測(cè)試、調(diào)試和現(xiàn)場(chǎng)最終運(yùn)行等全部流程，從而確保始終獲得最佳結(jié)果。 這種以數(shù)據(jù)分析驅(qū)動(dòng)的SLM方法論和平臺(tái)，可以為客戶提供巨大的潛在回報(bào)。尤其是數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)等關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域，在性能和功率方面的改進(jìn)將帶來數(shù)十億美元的潛在收益和成本節(jié)省。

無論是提倡設(shè)計(jì)工藝協(xié)同開發(fā)的DTCO、推崇并行開發(fā)的Shift Left、還是貫穿硅生命周期的數(shù)據(jù)分析驅(qū)動(dòng)的SLM平臺(tái)，新思科技所開發(fā)并推行的方法學(xué)一次次協(xié)助行業(yè)順利通過先進(jìn)工藝演進(jìn)帶來的轉(zhuǎn)折并進(jìn)入下一個(gè)發(fā)展快車道，在提升芯片設(shè)計(jì)性能和效率、不斷引領(lǐng)芯片設(shè)計(jì)開發(fā)不斷挑戰(zhàn)摩爾定律極限的同時(shí)，還有效地串聯(lián)起了芯片行業(yè)的上下游，并用軟件統(tǒng)一了產(chǎn)業(yè)鏈不同分工企業(yè)之間的對(duì)話語言，從而打造了良性的產(chǎn)業(yè)合作生態(tài)圈。 //////////

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：從DTCO、Shift Left到SLM，方法學(xué)如何促進(jìn)芯片產(chǎn)業(yè)鏈合作

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