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十年前的?ASIC/SoC?設(shè)計(jì)跟現(xiàn)在相比，發(fā)生了哪些變化？

時(shí)間：2021-10-12 23:27:21
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[導(dǎo)讀]過(guò)去十年，我國(guó)的集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展是比較快速的，技術(shù)日新月異，數(shù)字IC從ASIC到SoC的發(fā)展，無(wú)論是ASIC或者是帶“核”的SoC，相信它們的設(shè)計(jì)技術(shù)跟流程在這十年里應(yīng)該有所變化。另一方面，經(jīng)過(guò)十年的發(fā)展，數(shù)字IC設(shè)計(jì)流程里面的流程大體相似，但是卻又有點(diǎn)區(qū)別，比如綜合策略，之前有自頂向下，自底向上，然后發(fā)展到ACS（自動(dòng)芯片綜合）技術(shù)。對(duì)于這十年來(lái)的變化發(fā)展，行業(yè)人士們有什么用的看法呢？本文整理匯總了多位知乎網(wǎng)友的觀點(diǎn)，一起來(lái)聽(tīng)下他們的解讀。

過(guò)去十年，我國(guó)的集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展是比較快速的，技術(shù)日新月異，數(shù)字IC從ASIC到SoC的發(fā)展，無(wú)論是ASIC或者是帶“核”的SoC，相信它們的設(shè)計(jì)技術(shù)跟流程在這十年里應(yīng)該有所變化。另一方面，經(jīng)過(guò)十年的發(fā)展，數(shù)字IC設(shè)計(jì)流程里面的流程大體相似，但是卻又有點(diǎn)區(qū)別，比如綜合策略，之前有自頂向下，自底向上，然后發(fā)展到ACS（自動(dòng)芯片綜合）技術(shù)。對(duì)于這十年來(lái)的變化發(fā)展，行業(yè)人士們有什么用的看法呢？本文整理匯總了多位知乎網(wǎng)友的觀點(diǎn)，一起來(lái)聽(tīng)下他們的解讀。


@馬克：


近十年最大的變化是low power design。十年前，做low power主要是省動(dòng)態(tài)功耗，各種clock gating，不用的模塊不讓它翻轉(zhuǎn)。


而近十年靜態(tài)功耗leakage成了耗電大戶，因此除了之前的各種省動(dòng)態(tài)功耗的方法外，power gating越來(lái)越成為主流的lower power處理方法。


早期的power gating多用手工的方法，用腳本往網(wǎng)表里插clamping和level shifter。


而近5，6年 cpf/upf的flow越來(lái)越成熟這些手工的工作大部分已經(jīng)由eda tool實(shí)現(xiàn)了。并且upf已經(jīng)能夠直接反標(biāo)到rtl上進(jìn)行前端的仿真，大幅減少了lower power設(shè)計(jì)的工作量。


@Wang Kellen：


我維護(hù)過(guò)1997年的ASIC代碼，我來(lái)說(shuō)說(shuō)幾點(diǎn)比較受沖擊的感受吧。


早期的時(shí)候電路設(shè)計(jì)上是非常走極端的，到處呈現(xiàn)出極簡(jiǎn)主義的特點(diǎn)。例如：


1、在芯片里大規(guī)模使用latch而不是寄存器以節(jié)省面積。


2、在非運(yùn)算功能的組合電路中大量使用偽隨機(jī)數(shù)生成器取代加法器或者減法器，比如典型的counter電路，由于本質(zhì)上我們只關(guān)心counter的計(jì)算周期以及下溢出判斷，而counter是不是從1數(shù)到16其實(shí)無(wú)所謂，于是就有了用偽隨機(jī)數(shù)生成器代替counter來(lái)計(jì)數(shù)的辦法，只要保證數(shù)字不重復(fù)地?cái)?shù)一圈，數(shù)到0就下溢出即可，電路上只需要N個(gè)寄存器加一個(gè)同或門(mén)就夠了，比加法器確實(shí)簡(jiǎn)單很多，只是用起來(lái)很折騰，配置初值要查表，比如你希望counter數(shù)個(gè)5，正常counter寫(xiě)個(gè)4的初值進(jìn)去每時(shí)鐘減1就可以了，而這種偽隨機(jī)數(shù)生成電路你要先查表，看一下數(shù)5次以后變成0的那個(gè)初值應(yīng)該是多少。


3、最不能忍的就是早期電路規(guī)模很小，所以對(duì)于地址空間的壓縮簡(jiǎn)直令人發(fā)指。那時(shí)候系統(tǒng)的地址文檔是讀寫(xiě)功能分開(kāi)的，大部分地址的讀含義和寫(xiě)含義是完全不同的，也就是說(shuō)地址利用率幾乎是達(dá)到了極致，每個(gè)地址都被用上了，只讀寄存器所在的地址一定也可以寫(xiě)，只是寫(xiě)功能分配給了另外一個(gè)只寫(xiě)寄存器。一般來(lái)說(shuō)，那時(shí)候每個(gè)功能的讀寫(xiě)特性也是高度壓縮的，如果一個(gè)功能只需要能寫(xiě)入就可以生效，那么它就一定是不可讀的，幾乎很少有同時(shí)可寫(xiě)又可讀的功能，當(dāng)時(shí)的軟件是沒(méi)辦法把一個(gè)值寫(xiě)入一個(gè)寄存器地址后又讀出來(lái)確認(rèn)是否正確的，因?yàn)槿绻總€(gè)寄存器都可以讀寫(xiě)的話地址就不夠用啦！地址段的劃分也是粒度特別的小，分給某個(gè)模塊的地址空間基本都是能用完的。


4、在硬件描述語(yǔ)言出現(xiàn)之前，電路是用門(mén)搭的，所以很多歷史悠久的產(chǎn)品都曾經(jīng)經(jīng)歷過(guò)把電路翻譯成硬件描述語(yǔ)言的過(guò)程（甚至有的一開(kāi)始入錯(cuò)VHDL的坑，等到Verilog出現(xiàn)后又重新翻譯一次），當(dāng)時(shí)的自動(dòng)綜合工具還是新鮮事物，功能也比較弱，主要還是靠工程師對(duì)電路和時(shí)序的準(zhǔn)確把握來(lái)確保代碼和綜合結(jié)果的一致性。但是因?yàn)檫@個(gè)時(shí)期的工程師對(duì)電路的理解還是更加透徹的，所以經(jīng)?？梢砸?jiàn)到一些非常規(guī)的電路被使用奇怪的表達(dá)方式設(shè)計(jì)出來(lái)。


@聰大大plus：


我一直在思考。3nm后，制程工藝的方向是什么？是換基質(zhì)嗎？還是繼續(xù)推進(jìn)？


我是比較傾向于硅基止步2nm。甚至2nm還是拖了很久（即3nm停留相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間）


那么對(duì)現(xiàn)在SOC的影響是什么？


制程工藝放緩，那只能在設(shè)計(jì)上下功夫。無(wú)論是引入npu，還是早期的ISP。其實(shí)SOC都在增加ASIC。即使是CPU，GPU都可以理解為ASIC。


未來(lái)SOC將引入更多的ASIC。


當(dāng)然十年前的ASIC跟現(xiàn)在的有些不同了?，F(xiàn)在的ASIC不單單追求定制，半定制。而是要變成可變定制。即FPGA，是英特爾發(fā)力方向。有大佬在b站科普，可以去看。


其實(shí)就是將ASIC的高效，與通用處理器的全能的結(jié)合。


當(dāng)然，F(xiàn)PGA，難做，甚至本身就是方向錯(cuò)誤（有致命缺陷）。


但SOC中，ASIC的集合會(huì)更多，這個(gè)方向不單單是可以肯定，更會(huì)是在做，特別是制程工藝推進(jìn)放緩下。npu就不說(shuō)了，非常明顯的ASIC特征。后面還會(huì)切割那些功能來(lái)做ASIC，我們拭目以待。畢竟CPU，gpu其通行計(jì)算已經(jīng)越來(lái)越不劃算了。


這就是十年前后的差異。


@頑猴溜溜：


1，20年前的原始設(shè)計(jì)，往往直接就是網(wǎng)表，壓根就沒(méi)有RTL。在工藝遷移時(shí)，直接就是門(mén)級(jí)轉(zhuǎn)換。然后跑仿真確定時(shí)序，同時(shí)做ECO修正。


2，因?yàn)樵荚O(shè)計(jì)就是網(wǎng)表，所以會(huì)有很多讓人腦洞大開(kāi)的底層實(shí)現(xiàn)。比如latch搭建控制寄存器，狀態(tài)機(jī)使用RS觸發(fā)器，關(guān)鍵電路雙沿工作，格雷碼計(jì)數(shù)器，手寫(xiě)的clock gate，以及大量的行波時(shí)鐘。


3，20年的測(cè)試向量，是根據(jù)電路功能設(shè)計(jì)的，然后截取仿真波形制作pattern。那時(shí)的fault coverage可能70%就很不錯(cuò)了。由于電路規(guī)模很小，實(shí)際的產(chǎn)品合格率還是相當(dāng)高的。有些極端的臺(tái)灣公司，甚至不作測(cè)試，直接按照110%的量出貨。


數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)和20年前相比，最大最根本的變化，在于高級(jí)EDA工具的普遍運(yùn)用，其中最最重要的是Scan。


為什么這幾條后來(lái)運(yùn)作不下去了呢？


1A，線延時(shí)所占的比重越來(lái)越大，門(mén)翻譯在時(shí)序修正上浪費(fèi)大量的時(shí)間。STA可以提高效率。


1B，由于流水線之間的不平衡，門(mén)翻譯造成大量的性能損失。RTL Synthesis可以改善。


1C，網(wǎng)表上添加功能很難。RTL可以改善。


2A，Scan技術(shù)的采用，使得latch、RS-FF、雙沿時(shí)鐘被限制使用。


2B，F(xiàn)PGA驗(yàn)證的需求，使得手寫(xiě)的clock gate、行波時(shí)鐘被限制使用。


2C，芯片越來(lái)越便宜，省面積的奇技淫巧被徹底放棄。


3A，設(shè)計(jì)測(cè)試向量，需要大量的仿真時(shí)間；而且pattern的質(zhì)量較差，還浪費(fèi)測(cè)試機(jī)臺(tái)的時(shí)間。Scan可以解決。


3B，芯片越來(lái)越大，人工pattern的coverage遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。Scan可以解決。




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