本文主要摘自 Lanza techVentures公司Lucio Lanza （Managing Director）為《電路與系統(tǒng)簡史》撰寫的一章。是一篇關(guān)于設(shè)計(jì)自動化（Design Automation）的文章，它并不是一篇詳盡的歷史，而是更像一套明信片，其中描繪了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中的這個微小卻又很有意義的部分的發(fā)展演化，也包含了一些對于它的未來發(fā)展的遐想。

本書由時任IEEE CASS 主席、意大利Pavia大學(xué)教授Franco Maloberti主編，經(jīng)我的學(xué)生們翻譯，由清華大學(xué)出版社出版，看官可以自行購買。

1.   摩爾定律與設(shè)計(jì)自動化

半導(dǎo)體行業(yè)認(rèn)識、景仰戈登摩爾（Gordon Moore）已經(jīng)長達(dá)50多年年之久了，當(dāng)時是他指出了一個如此令人難以置信的趨勢和機(jī)會。Moore博士注意到芯片的復(fù)雜度是呈指數(shù)增長的，他認(rèn)為，這也就是這個行業(yè)在可預(yù)見的未來的增長特征。

如果Gordon Moore的觀點(diǎn)成為現(xiàn)實(shí)，那么隨之產(chǎn)生的一個推論就是，這一行業(yè)的其他領(lǐng)域也不得不以同樣快的速度變化與適應(yīng)。這也就是設(shè)計(jì)自動化面臨的情況。

在某種意義上，我們可以說有一個摩爾定律的推論。設(shè)計(jì)自動化這門學(xué)科需要為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)提供設(shè)計(jì)下一代芯片的方法和工具。下一代芯片的復(fù)雜度可能是它前一代的兩倍，而我們需要用大致相同的時間，花費(fèi)大致相同的成本設(shè)計(jì)它。設(shè)計(jì)自動化這一行業(yè)的發(fā)展過程，就是不斷面對工藝上的挑戰(zhàn)并改進(jìn)工藝的過程。離開了設(shè)計(jì)者，工藝是沒什么價值的。只有依靠設(shè)計(jì)人員，工藝才能實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。這就是設(shè)計(jì)自動化。

我們今天所設(shè)計(jì)出的SoC的復(fù)雜度在80年代簡直是不可想象的。在那時，人們根本無法想到怎么能在幾個月內(nèi)設(shè)計(jì)數(shù)以十億計(jì)的硅晶體管。行業(yè)中的先驅(qū)者Aryeh Finegold – Daisy Systems做出了重要的貢獻(xiàn)，他使得先進(jìn)工藝的使用成為了可能。

Aryeh Finegold, Daisy Systems

2.  用于設(shè)計(jì)ASIC的強(qiáng)大的IC設(shè)計(jì)工具的出現(xiàn)

早年，設(shè)計(jì)自動化（Design Automation）也被稱為CAE，即計(jì)算機(jī)輔助工程（computer aided engineering）。CAE系統(tǒng)就是配備了專門用于IC設(shè)計(jì)的硬件和軟件的計(jì)算機(jī)。Daisy Systems和Valid Logic是當(dāng)時的三大廠商之二，它們出售專有的硬件/軟件系統(tǒng)。第三家是Mentor Graphics，它開發(fā)一些在Apollo工作站上專用的軟件。

這些廠商都對這一新領(lǐng)域的形成做出了重要貢獻(xiàn)。若要完全解釋清楚在EDA發(fā)展的早期這些貢獻(xiàn)的意義有多么重大，我們需要一篇更加完整的EDA歷史，而且，它不僅僅關(guān)乎軟件。它同時也是新一代的專用圖形系統(tǒng)，是一個由硬件和軟件組成的復(fù)雜混合體，正式有了它們的助力，設(shè)計(jì)自動化才得以成功發(fā)展起來。這也就是新技術(shù)和新想法通常的發(fā)展方式。

IC的設(shè)計(jì)曾經(jīng)都是在那些實(shí)力強(qiáng)大的半導(dǎo)體公司的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）團(tuán)隊(duì)中完成的，這些團(tuán)隊(duì)里有著大量技藝精湛的設(shè)計(jì)人員，他們擅長這些復(fù)雜的邏輯和物理設(shè)計(jì)、庫和過程開發(fā)、封裝以及其他一些專業(yè)方面。當(dāng)時，為了應(yīng)對設(shè)計(jì)領(lǐng)域中日益增長的挑戰(zhàn)，這些企業(yè)內(nèi)部也在進(jìn)行著新設(shè)計(jì)工具的開發(fā)。想要以外部的工具取代內(nèi)部的工具從來都不是一件容易的事情，尤其是這些公司內(nèi)部還都掌握著很多專業(yè)知識。

專用集成電路（ASICs，applicationspecific ICs）的出現(xiàn)改變了這一情形。雖然ASIC并非與IC完全不同，但它的設(shè)計(jì)者們已經(jīng)與IC的完全不同了。這群新的設(shè)計(jì)者們并不需要了解IC的物理版圖、加工工藝，或者說，事實(shí)上他們根本不需了解任何非數(shù)字層面的東西。這是一群工作在系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)境中，致力于下一代產(chǎn)品的設(shè)計(jì)者，他們也在追逐著摩爾定律的浪潮。要使一個系統(tǒng)搭乘上摩爾定律的浪潮，就需要使其能夠在不大幅改變設(shè)計(jì)者們的專業(yè)技能的情況下，使用新的技術(shù)。

設(shè)計(jì)自動化行業(yè)認(rèn)識到了這一點(diǎn)，并創(chuàng)造了一些半定制和定制（semi-custom andcustom）方法，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)師們不需要達(dá)到CAD工程師那樣的理解水平就能設(shè)計(jì)硅片。這樣，摩爾定律對于一個更大的群體都有意義了。

通過支持ASIC設(shè)計(jì)，CAE工作站和EDA系統(tǒng)得到了迅速擴(kuò)張，這是因?yàn)椋啾饶切┕杵镜膬?nèi)部CAD團(tuán)隊(duì)，它的體量更大、需求更容易滿足。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者遠(yuǎn)比那些內(nèi)部CAD團(tuán)隊(duì)更加開放。

很多設(shè)計(jì)自動化領(lǐng)域的[敏感詞]人物當(dāng)時都在Daisy Systems公司工作，其中包括Harvey Jones（后來成為了Synopsys的CEO）、Tony Zingale（Clarify公司和Mercury Interactive公司的前CEO，最近任Jive Software公司的總經(jīng)理）等。他們在Daisy的時候就看到了系統(tǒng)和ASIC設(shè)計(jì)領(lǐng)域背后蘊(yùn)藏的能量，并將其轉(zhuǎn)化為了巨大的市場增長。

DaisySystems workstation (left). Harvey Jones (center). Tony Zingale (right).

3.  不斷提高的抽象化水平使IC設(shè)計(jì)能夠延續(xù)

新產(chǎn)品的挑戰(zhàn)帶來了抽象水平的提升，而更高的抽象水平成為了設(shè)計(jì)者們應(yīng)對指數(shù)型增長的工藝復(fù)雜度的途徑。早期的IC設(shè)計(jì)是勞動密集型的——物理設(shè)計(jì)人員需要處理每一個晶體管，甚至是那些組成邏輯門（如NAND、NOR以及其他邏輯功能等）的晶體管。IC領(lǐng)域是受到崇敬的，在基本的多邊形層面“手工填充（hand packing）”出一個設(shè)計(jì)就是當(dāng)時的工作方法。

隨著半導(dǎo)體加工水平的提升，我們可以制造出更大、性能也更強(qiáng)的芯片（die），再讓設(shè)計(jì)者們處理每一個晶體管變得越來越不現(xiàn)實(shí)。如果真要在這樣的層面上開展設(shè)計(jì)工作，那么我們就需要非常非常多的工程師來做非常非常多的低層次決策，在這樣的過程中太容易產(chǎn)生差錯了，這就可能會使產(chǎn)品無法按期上市。

整個產(chǎn)業(yè)把目光轉(zhuǎn)向了抽象化（abstraction）——即在一個更高的層次上進(jìn)行設(shè)計(jì)，而把那些底層的細(xì)節(jié)都?xì)w并到庫和CAE工具中——就類似于軟件產(chǎn)業(yè)所做的事情。于是，單元庫（cell library），一種含有各種預(yù)先設(shè)計(jì)好的不同特性邏輯門的庫就誕生了，有了它，設(shè)計(jì)人員就能花更少的時間和精力設(shè)計(jì)出規(guī)模更大的電路。在這方面，我們得歸功于起領(lǐng)導(dǎo)作用的Mark Templeton，他曾是VLSI Libraries公司的總裁。VLSI Libraries這家公司就是后來的Artisan Components公司，它在知識產(chǎn)權(quán)（IP，intellectual property）方面取得了巨大成功。

半導(dǎo)體工藝?yán)^續(xù)遵循著摩爾定律不斷進(jìn)步。單元庫擁有很多優(yōu)良的性質(zhì)。它們使設(shè)計(jì)能更容易地從一個fab移植到另一個fab，也使更大的設(shè)計(jì)能夠投入市場，使得行業(yè)在面對日益復(fù)雜的工藝的挑戰(zhàn)時能更加自如。

Mark Templeton.

不過，即便如此，設(shè)計(jì)大型電路依然是一個艱巨的任務(wù)。為了達(dá)到更高的生產(chǎn)率水平，我們需要新一層次的抽象化。然而，實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)非常困難，因?yàn)樗枰屧O(shè)計(jì)方式做出改變。在那時，很多設(shè)計(jì)人員都是印刷電路設(shè)計(jì)者，他們使用晶體管-晶體管邏輯電路（TTL，transistor-transistorlogic）。為了將門的數(shù)量最小化，他們經(jīng)常在異步和自定時（self-timed）電路中使用JK觸發(fā)器（flips-flops）和RS觸發(fā)器。隨著設(shè)計(jì)的發(fā)展，這種異步設(shè)計(jì)方式變得十分容易出錯，因?yàn)槲覀兒茈y確保電路在整個工藝范圍內(nèi)都能正常工作。

一旦設(shè)計(jì)者們轉(zhuǎn)向了同步設(shè)計(jì)，用有限狀態(tài)機(jī)（FSM，finite state machine）來實(shí)現(xiàn)電路邏輯，他們就不僅擁有單元庫，還擁有了同步FSM——有了它，就可以繼續(xù)填充由不斷更新的工藝制造出的不斷擴(kuò)大的硅片。

當(dāng)設(shè)計(jì)師轉(zhuǎn)向同步時序和FSM設(shè)計(jì)后，CAE團(tuán)體就能夠用兩個關(guān)鍵性的基于計(jì)算機(jī)的工具來進(jìn)一步提升行業(yè)的生產(chǎn)率——邏輯最小化與最優(yōu)化，以及用高級結(jié)構(gòu)來進(jìn)行邏輯綜合。

在邏輯最小化、邏輯最優(yōu)化和邏輯綜合方面，通用電氣公司（General Electric）和通用電話電子公司（GTE）是先驅(qū)者。1987年GTE實(shí)驗(yàn)室做出成果（Silc  1987年從 GTE Labs 拆分），1990年被RacalRedac收購。

來自通用電氣的微電子中心的Aart de Geus博士和一個工程師團(tuán)隊(duì)，利用他們在GE開發(fā)出的綜合（synthesis）技術(shù)，在1986年創(chuàng)辦了Synopsys公司。Synopsys公司以令人難以置信的方式飛快發(fā)展，如風(fēng)暴一般占領(lǐng)了市場；同時，由設(shè)計(jì)界提出的新層次的抽象化，在CAE的幫助下轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，成為了產(chǎn)業(yè)界的標(biāo)準(zhǔn)。這即是所謂的寄存器傳輸級（RTL，Register-Transfer Level）抽象化。于是設(shè)計(jì)自動化公司們意識到它們需要跟進(jìn)到RTL并努力提高設(shè)計(jì)人員的生產(chǎn)力。轉(zhuǎn)變到RTL對于設(shè)計(jì)的質(zhì)量有著巨大的影響，并讓新的技術(shù)人員不需要精通半導(dǎo)體技術(shù)就能成為高效的芯片設(shè)計(jì)師。RTL進(jìn)一步擴(kuò)展了芯片設(shè)計(jì)群體（community），就像系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具擴(kuò)展了ASIC設(shè)計(jì)群體那樣。

Synopsys公司推進(jìn)了抽象化的前沿發(fā)展，為行業(yè)做出了重大貢獻(xiàn)。如今，它的領(lǐng)導(dǎo)地位是顯而易見的，同時它的戰(zhàn)略與執(zhí)行的創(chuàng)新性也很強(qiáng)大。

雖然設(shè)計(jì)需要轉(zhuǎn)向更高層級的抽象這一點(diǎn)已經(jīng)被廣泛認(rèn)可，但是人們尚未采納某一個單一的途徑。高級綜合（High Level Synthesis）是其中一個強(qiáng)有力的競爭者，而使用IP構(gòu)件（building blocks）的設(shè)計(jì)是另一個競爭方案。面向?qū)ο蟮慕Y(jié)構(gòu)已經(jīng)被添加到了如SystemVerilog等RTL語言中，不過，它對于IC驗(yàn)證（ICverification）有著更大的影響。在寫作本文時，雖然行為級綜合（behavioralsynthesis）方面已經(jīng)有了一定進(jìn)展，用于了一些特定領(lǐng)域，但是RTL仍是主力的抽象級別。

4.  驗(yàn)證——模擬與仿真

隨著芯片復(fù)雜度的提升，原先所有的制作芯片原型的方法都變得完全無法勝任了。半導(dǎo)體工業(yè)必須要找到一種方法來描述芯片并對其進(jìn)行模擬。他們做到了。這樣的工具就稱為模擬器（simulator）。這為電子學(xué)開啟了一個新世界，而挑戰(zhàn)依然存在。

設(shè)計(jì)自動化領(lǐng)域中那些富有創(chuàng)新精神的人們一直在努力著，想要開發(fā)出驗(yàn)證工具。驗(yàn)證工具的需求呈指數(shù)增長。一家新的公司——Gateway Design Automation出現(xiàn)了，它發(fā)展得很快并且目標(biāo)明確，它推出了名為Verilog的模擬器。Gateway在1989年被Cadence公司收購。Cadence的首席執(zhí)行官Joe Costello是一個有大格局的人，他通過吸納外來的貢獻(xiàn)、整合那些有才能的人以及他們的公司，把自己的公司建設(shè)成為設(shè)計(jì)自動化行業(yè)里的龍頭企業(yè)。

此后Verilog模擬器成為了Cadence生態(tài)系統(tǒng)中的一部分，并延續(xù)了它的成功。其中，Gateway的Prabhu Goel和PhilMoorby功不可沒。

Fromleft to right: Joe Costello, Michael D’Amour, Prabhu Goel, Phil Moorby.

在當(dāng)時，模擬面臨的挑戰(zhàn)之一是，它的運(yùn)行速度在本質(zhì)上慢于硬件。軟件模擬的速度比硬件慢了起碼10000倍，這就使大型電路的模擬變得不切實(shí)際。為了接近硬件的速度，應(yīng)用程序的運(yùn)行需要不依賴硅基。

設(shè)計(jì)自動化領(lǐng)域需要提出一些不同于模擬的東西，而這就是硬件仿真。仿真（Emulation）以兩種不同的形式出現(xiàn)——一種是現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA，fieldprogrammable gate array）仿真，其中電路被綜合或編譯到FPGA中；另一種是模擬加速（simulation acceleration），其中電路被編譯運(yùn)行在一個基于硬件的處理器上。在前一類中，領(lǐng)導(dǎo)性的公司有Quickturn Design Systems，現(xiàn)在的Cadence以及IKOS Systems的VStation、現(xiàn)在的Mentor Graphics Veloce Emulation Platform。后一類中，有IBM的專有的EVE硬件加速器，現(xiàn)在的CadencePalladium、IKOS Systems的NSIM、Daisy Systems的MegaLogician以及Zycad的LE和FE machines。

Quickturn emulation box (Source: MikeD’Amour).

在仿真的支持下，電子系統(tǒng)快速地迭代。如果沒有仿真工具，那么與前幾代兼容的新一代電子系統(tǒng)的誕生速度將會慢很多。正是我們所擁有的令人滿意的仿真能力，支撐著芯片換代的速度。

早期，仿真建立在ICE（incircuit emulation）的基礎(chǔ)上，仿真器通過一個適配器與真實(shí)世界相連。如今，我們已經(jīng)掌握了很多新的技術(shù)，包括運(yùn)行在仿真器上的高級測試平臺（high-level testbenches）等。

此外，業(yè)界也不能忘記Mike D’Amour和Phil Kaufman做出的無法估量的貢獻(xiàn)，是他們造就了仿真在今天的成功。

5.  IP市場的發(fā)展

IP（知識產(chǎn)權(quán)）是硅基系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的一個非常成功、非常有意義的進(jìn)步。硅IP的出現(xiàn)，使設(shè)計(jì)人員擁有了一些預(yù)先設(shè)計(jì)好的、有一定功能、保證能夠運(yùn)行的模塊。例如，一個算術(shù)單元就可以是一個IP，它可以被設(shè)計(jì)者們反復(fù)使用。

IP有一些基本的組件。門電路庫（Gatelibraries）中的元件在給定的工藝下保證能工作，這大大解放了設(shè)計(jì)工作者，使他們不必再考慮關(guān)于硅工藝的一些基本知識。經(jīng)硅驗(yàn)證（Silicon-proven）的IP可以被反復(fù)使用，并在每一個設(shè)計(jì)中都是相同的，這使下一代芯片的設(shè)計(jì)以及抽象水平的提高成為了可能。

ARM控股和Artisan Components——一家起初是設(shè)計(jì)各種庫的公司，各自獨(dú)立提出了一種新的生意和新的商業(yè)模式，這種商業(yè)模式成為了標(biāo)準(zhǔn)的IP商業(yè)模式，即永遠(yuǎn)將組件虛擬化。ARM于2004年收購了Artisan Components。

對于一家公司來說，決定不以物理的形式、而是以IP模塊的形式交付處理器產(chǎn)品，是極其富有創(chuàng)新性的。處理器就是IP模塊，它成了對VLSI和SoC設(shè)計(jì)者們最重要的東西，廣泛用在各種應(yīng)用中。這就是為什么我們需要有一個IP供應(yīng)商，隨著硅片性能的提升，來提供越來越強(qiáng)大的處理器及其配套設(shè)施，如編譯器、運(yùn)行庫、調(diào)試器、協(xié)議棧和總線接口等，這對整個行業(yè)是一個巨大的貢獻(xiàn)。因此，ARM控股的前首席執(zhí)行官和董事長Robin Saxby爵士所產(chǎn)生的影響，是他人難以匹敵的。當(dāng)然，Mark Templeton也是同樣。

左：Phil Kaufman 右：Robin Saxby爵士

當(dāng)然，其他的用于通訊、圖形和存儲等方面的IP模塊也成為了SoC生態(tài)系統(tǒng)的一部分，它們使SoC的設(shè)計(jì)更像是一種裝配過程。設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可以把更多的精力集中到芯片中獨(dú)特的、差異化的部分上來。

IP的構(gòu)想就是為了將事情簡化，通過使一個復(fù)雜的SoC上的大部分結(jié)構(gòu)避免重新設(shè)計(jì)，確保了摩爾定律能繼續(xù)生效。從這個角度看，IP是設(shè)計(jì)自動化進(jìn)入半導(dǎo)體行業(yè)的重要推動者。

6.  未來的挑戰(zhàn)

毫無疑問，來自社會的需求——希望半導(dǎo)體行業(yè)提供越來越強(qiáng)大的計(jì)算性能，將會是一個持續(xù)性的挑戰(zhàn)，尤其是摩爾定律逐步面臨失效。

很多時候我們會聽到一些行業(yè)觀察家預(yù)測，說半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)、或者是其中的設(shè)計(jì)自動化部門的發(fā)展將會減速，并進(jìn)入成熟期。我們應(yīng)當(dāng)懷疑，這是否真的在發(fā)生，又或是我們只是還沒有足夠的創(chuàng)造力去看到不同的增長路徑。

今天，整個IP現(xiàn)象可以認(rèn)為是代表了半導(dǎo)體行業(yè)的增長，也代表了我們設(shè)計(jì)更加復(fù)雜的器件的能力。另外，我們?nèi)杂性S多挑戰(zhàn)需要面對！例如：

?    工藝線向2.5D和3D轉(zhuǎn)變促使產(chǎn)生新的增長點(diǎn)

?    硅需要用來支持整個SoC，而不僅僅是芯片上的硬件，也包括軟件

?    軟件生產(chǎn)率需要呈指數(shù)增長，以控制開發(fā)成本

?    不斷變化的需求、系統(tǒng)和硅片復(fù)雜度之間的相互作用，將推動產(chǎn)業(yè)制造可編程的硅片，它可以支持一些功能，如不斷演化的安全性（evolving security）

?    靈活的、可重構(gòu)的系統(tǒng)將成為現(xiàn)實(shí)

?    計(jì)算機(jī)控制各種物理變量的能力需要得到極大的擴(kuò)展

?    復(fù)雜硅片的各個層面都將變得更靈活，并且擁有學(xué)習(xí)和適應(yīng)能力

?    系統(tǒng)將會受到從機(jī)器學(xué)習(xí)到云的各種層面的技術(shù)平臺的支持

?    傳感器將能感知越來越多的現(xiàn)象以供計(jì)算機(jī)處理

?  計(jì)算能力的演進(jìn)將會帶來越來越多能造福社會的應(yīng)用，比如自動駕駛汽車和個性化醫(yī)療就是顯而易見的兩個方面

此外，真正新型的計(jì)算機(jī)將會出現(xiàn)。二十多年后，當(dāng)我們回首今天的硅和計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)時，我們很可能會驚訝于今天的我們是多么原始。革命性的學(xué)習(xí)系統(tǒng)將會誕生，它將能夠用一種直觀的方式解決人類問題，而能耗僅為現(xiàn)在的百萬分之一。這樣的智能計(jì)算機(jī)將成為現(xiàn)實(shí)。

免責(zé)聲明：本文采摘自“清華大學(xué)王志華教授”，本文僅代表作者個人觀點(diǎn)，不代表薩科微及行業(yè)觀點(diǎn)，只為轉(zhuǎn)載與分享，支持保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)，轉(zhuǎn)載請注明原出處及作者，如有侵權(quán)請聯(lián)系我們刪除。