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 右江 发表于: 2023-4-30 09:44:00|显示全部楼层|阅读模式

[2023年] 计算架构变革,国产EDA抢滩专用计算

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源自:DeepTech深科技
源自:DeepTech深科技

  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。
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  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。
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  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。
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  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。
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  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。
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  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。
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  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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