萌芽於1980年代、自21世紀伊始逐漸成長茁壯的雲端運算(cloud computing)技術,在包括亞馬遜(Amazon)、Google等網際網路巨擘以及老牌軟體大廠微軟(Microsoft)推波助瀾之下,持續擴張其勢力範圍,各種以雲端為基礎的服務不僅已經滲透到一般大眾的日常生活、催生了新產業與應用,雲端技術也正在改變不同傳統產業與應用市場的遊戲規則,包括電子製造產業以及半導體產業。

不過,儘管大眾使用者可能已經很習慣將個人的智慧型手機或PC內的照片等檔案「丟」到雲端、以節省裝置內部儲存空間也方便與親友共享,眾多企業也開始利用以雲端為基礎的IT環境來提升營運效率、節省成本;但對於保護智慧財產權(IP)重於一切的電子業者與IC廠商來說,採用這類基礎設施需要更審慎的評估,得確保其安全性以避免任何機密外洩的風險。因此儘管早已經有供應商推出將電子設計自動化(EDA)工具放在雲端的解決方案,大多數業者對於「在雲端進行設計」仍抱持觀望態度。

「EDA上雲端」已成明顯趨勢

究竟為何需要讓EDA上雲端?其一是因為對許多新創公司或是中小型電子/IC設計業者來說,若要採購設計流程所需的全套工具軟體會是一筆沉重的負擔、利用率可能也不高;其次是當設計案變得越來越複雜,例如高達數十層電路板的系統或是動輒百萬閘級晶片,驗證與模擬等步驟對於設計業者自有的運算設備能力會是一大考驗,而為那些並非經常性的大型設計案擴充資料中心似乎不是划算的投資,此時雲端方案就會是兼具成本效益與彈性的選項。

大約在1990年代末期與2000年初,EDA業者就已經想到為客戶在設計需求高峰時刻透過雲端方案提供更多運算資源,透過銷售虛擬私人網路(VPN)的概念,讓客戶能在進行軟/硬體模擬時加強馬力。而大約在10年前,市場上也出現了幾家推出雲端EDA工具方案的小型業者,例如一家總部位於新加坡的新創公司Plunify,就是藉由雲端運算提供FPGA元件設計與驗證平台,以「用多少付多少」的使用時數或運算單位計費方法,在協助工程師加快設計流程同時,也能讓小型設計業者減輕成本負擔;還有一家名為OneSpin的美國業者,則是透過雲端提供形式驗證(formal verification)平台,並且強調其安全性。

至於在今年6月舉行的年度設計自動化大會(DAC 2018)上浮現的一個明顯趨勢,是EDA供應商本身開始加大宣傳雲端工具服務的力道,包括益華電腦(Cadence)、Mentor (現隸屬於Siemens旗下)等業者都發表了雲端產品,讓客戶能利用雲端的強大資源,支援運算量繁重的硬體模擬(emulation)流程;例如Cadence的Palladium Cloud是能讓客戶在需要進行硬體模擬時購買閘極容量,Mentor的Veloce Stato平台則是讓客戶能透過亞馬遜(Amazon)的雲端服務Amazon Web Services (AWS)直接按需求取得硬體模擬資源。

雲端EDA:逐步建立市場信任度

然而儘管將EDA工具放上雲端已是一個明顯趨勢,EDA供應商對於推展此項業務的態度十分謹慎。如Cadence在8月中旬於台灣舉行的年度使用者大會CDNLive Taiwan 2018上,特別邀請到合作夥伴AWS的資訊科技/半導體全球業務開發主管David Pellerin發表以「應用於物聯網、AI與半導體設計的雲端EDA創新」(Innovation in Cloud-based EDA for IoT, AI and Semiconductor Design)為題的演說,為現場超過700位IC設計工程師聽眾講解EDA工具與雲端結合可帶來的優勢;不過Cadence全球副總裁/亞太區總裁石豐瑜在會後接受EE Times Taiwan採訪時表示,雲端方案目前對營收的貢獻度還很低,該公司現階段也不會把所有工具放上雲端,會看客戶需求,而安全性仍是多數IC設計業者考量雲端方案時的最大顧慮。

Mentor執行長Walden C. (Wally) Rhines在8月底於台灣舉行的年度技術論壇Mentor Forum 2018接受EE Times Taiwan採訪時則表示,雖然該公司發展雲端方案已經有一段時間,在6月的DAC也正式推出與AWS合作的雲端版Veloce Stato硬體模擬平台,但雲端方案還不那麼受客戶歡迎,一開始的主要原因是客戶憂慮安全性,不過現在多數人已經逐漸建立對雲端技術的信任,所以安全應該已經不是最大的問題;而因為多數大型IC設計客戶都有自己的資料中心,較不會需要雲端EDA方案,中小型業者或新創公司雖然會有需求,但因為目前雲端方案在價格上與一般方案差不多,「以為上雲端可以省很多錢的客戶可能會很失望。」

於是雲端EDA似乎一直是以緩慢的速度拓展其市場版圖,直到10月初,晶圓代工龍頭台積電(TSMC)發出的一項最新訊息,有可能改變這樣的局勢──台積電是在美國矽谷舉行的開放創新平台(Open Innovation Platform,OIP)生態環境論壇上宣佈,與包括雲端服務供應商AWS、微軟(Microsoft) Azure,還有EDA供應商Cadence、新思科技(Synopsys)成立第五大OIP聯盟,也就是雲端聯盟(Cloud Alliance),提供以雲端架構為基礎的「虛擬設計環境」(Virtual Design Environment;VDE),內含經過台積電認證的IC設計後段流程RTL-to-GDSII數位設計以及schematic capture-to-GDSII的客製化設計能力,協助客戶安全且靈活的在雲端進行IC設計。

台積電加持 雲端EDA發展前景可期

根據台積電發佈的新聞訊息,位於雲端的OIP VDE數位設計以及客製化設計流程,結合了製程技術檔(process technology file)、製程設計套件(Process design kit;PDK)、基礎矽智財(foundation IP)以及設計參考流程(reference flows)等OIP晶片設計輔助資料,並通過了充分的測試程序;為了降低客戶首度採用雲端方案的門檻並提供足夠技術支援,Cadence與Synopsys將扮演在第一線直接服務客戶的角色,各自經營位於AWS與微軟Azure的「虛擬店面」,協助客戶架設VDE。

在官方新聞稿中,台積電技術發展副總經理侯永清表示:「雲端無所不在,並且會全面影響未來晶片設計的進行;」而台積電是第一家與夥伴合作提供雲端設計解決方案的晶圓代工業者,「OIP VDE能提供客戶彈性、安全,透過矽晶認證的雲端設計解決方案,幫助他們按照需求有效地擴充運算設備,進而加速下一代系統晶片的上市時間。」他也指出,台積電「對於整個雲端的趨勢感到振奮,我們不只在公司內部採用雲端處理先進製程設計上所需的大量高速運算…我們提供的雲端解決方案除了可以執行系統晶片設計所需的大量批次化運算,更確保了例如客製化晶片佈局等高度互動性的設計工作能夠在雲端上順暢地執行。」

由Cadence以及Synopsys個別經營的台積電OIP VDE虛擬店面都已經上線,其中Cadence的Cloud-Hosted Design Solution已有成功的設計定案完成,是與微軟以及台積電的IP聯盟夥伴SiFive合作,由分別位於印度與美國的設計團隊共同在微軟Azure上的VDE完成64位元多核心RISC-V架構CPU設計,可用於執行RISC-V的Linux作業系統和相關應用程式。

此外Synopsys為台積電OIP VDE提供的雲端解決方案(Synopsys Cloud Solution)也已上線,適用AWS以及微軟Azure的雲端環境;Synopsys表示,該公司的雲端解決方案運用了PrimeTime時序分析、簽核、StarRC萃取等工具的擴充性,也運用了IC Validator簽核實體驗證、HSPICE、CustomSim與FineSim電路模擬、SiliconSmart特性分析、VCS功能驗證、VC Formal形式驗證以及Z01X故障模擬(fault simulation)等等功能加速設計週期。Synopsys並與AWS合作以雲端解決方案完成台積電7奈米製程PCIe 5.0高速DesignWare PHY矽智財的產品設計定案。

台積電預期,其他EDA供應商最終也將加入OIP雲端聯盟,並將前段設計流程也納入雲端解決方案中;為了測試雲端服務的能力,台積電也正在利用此服務設計5奈米製程(N5) SRAM。該公司設計基礎架構行銷事業部資深協理Suk Lee在10月初台積電公佈雲端聯盟成立訊息後接受EE Times美國版編輯採訪時表示:「我們還沒測試所有可能的組合,但考量到我們的PDK已經通過認證,我們對此服務信心十足;」他並透露,該公司主管是在雲端服務發表的六個月前才同意建立此一服務:「我們在雲端進行了N5 SRAM的開發,這說明了我們對於使用此服務的自在程度。」

在雲端設計IC可能比在你家設計更安全?

有了半導體產業龍頭廠商台積電的加持,雲端EDA的發展前景看來更為樂觀;但即使如此,對於從未接觸雲端方案的IC設計者來說恐怕仍會擔心,若要跟上「老大」的腳步,是否會需要花費額外的時間精力(當然還有成本)來學習全新的設計流程與介面?要使用台積電的OIP VDE,一開始需要聘請台積電的合作伙伴之一,根據需求以及授權協議來建立客製化網站;而Cadence與Synopsys在為客戶建置設計環境方面都有豐富的經驗,能提供充分的技術支援,AWS與Microsoft也都對自家雲端環境介面的易用性與安全性信心滿滿。

已經擁有台積電雲端平台使用經驗的SiFive執行長Naveed Sherwani在10月初接受EE Times美國版編輯訪問時指出,採用該雲端服務需要一些前置作業時間,包括設置由雲端服務業者託管的線上專屬空間,還有擬定、簽署保密協定(NDA)以及商業相關條款等等文件,不過使用者最終會看到雲端業務流程的高效率;Sherwani表示SiFive正朝著以雲端入口提供其IP授權與設計服務的方向發展,儘管還有一段路要走,但該公司看好其潛力;他指出,SiFive位在美國矽谷與印度Bangalore的團隊透過雲端進行設計,「在不到三個月時間就完成了整套前後段設計,創下速度上的新高紀錄。」

至於利用雲端進行設計的成本?Sherwani表示,因為SiFive在雲端上完成的設計案因為並非商業產品,他們並未評估設計成本。透過雲端EDA進行設計的成本會取決於使用者所選擇的CPU與儲存容量配置,不同的雲端服務供應商會有不同的計費模式。而針對初入雲端的使用者,微軟Azure則是針對台積電OIP VDE推出了包括免費帳號、30天內有效的200美元消費點數,以及多項Azure線上產品免費試用的方案,希望吸引更多IC設計工程師上雲端。

曾經是晶片設計工程師的微軟Azure硬體基礎工程部總經理及傑出工程師Kushagra Vaid接受EE Times Taiwan訪問時表示,隨著半導體製程邁向7奈米以下節點,越來越複雜的晶片設計案也會需要越來越大量的運算性能與儲存空間(參考圖1),但若要為此不斷擴充自家硬體基礎設施,對IC設計業者來說會是一大負擔,雲端EDA方案正可以提供兼具成本效益與彈性的解決方案。他指出,IC設計者使用建置於Azure的VDE,除了不需要額外的軟硬體設備投資,EDA工具介面也會與他們原本所使用的一樣;至於使用者會擔心的安全問題,「我們每年在安全技術上的投資達到10億美元,而且全球有數千位工程師負責維護資料安全;」多數企業恐怕還不一定能為自家資料中心的安全做到如此保障。

20181101NT31P1 圖1 晶片設計案需要的運算量與儲存容量不斷升高。(圖片來源:Microsoft Azure)

在AWS負責全球半導體業務開發、擁有IC與EDA產業界豐富資歷的Pellerin在稍早前接受EE Times美國版訪問時也指出,在過去的幾年間,隨著一線公司將更多產品以及IT架構轉移至雲端,安全性問題大部分都已經解決,而像是金融服務與製藥等產業,都已經透過AWS或其他雲端服務業者證明這個概念;他表示「我們已經來到了EDA與電腦輔助工程(CAD)的新發展階段,平台正在轉移,就是雲端。」

結合最新IT科技 IC/電子產業邁向嶄新未來

或許可以說,無論硬體設計工程師們是不是能接受,傳統設計平台的轉移將會是一個不可避免的趨勢;就像是一般消費大眾已經感受到了雲端技術所帶來的便利性與效益,隨著各種專為IC設計與電子業者量身打造的雲端環境與服務不斷精進,以及像是台積電這樣擁有龐大生態系統影響力的重量級廠商持續採用與推廣,在雲端進行IC與各種電子系統設計的習慣養成只是時間問題。

雲端環境能為複雜IC/電子系統設計案帶來的優勢,除了提供在運算性能與儲存容量方面的可擴充性,未來當設計方法導入越來越多人工智慧(AI)、機器學習(ML)等相關技術,雲端運算也會成為不可或缺的元素。試想有一天,當電子裝置的每一個組成元件、以及從元件到系統的整個設計流程都完成數位化並躍上雲端,再結合AI與物聯網等技術,能實現的不但是更高的工作效率與生產力,還有更符合終端使用者需求、更容易維護與改善的產品,也能讓設計工程師有更多的時間專注於創新。

當設計平台朝向雲端轉移,也會衍生全新的商業營運模式;例如一家誕生在台灣的業者富比庫(FootPrintKu),提供的是一種結合AI的EDA文件檔案雲端管理平台,能為電子系統設計業者根據其使用的EDA工具,建立客製化的零件規格表、電路符號或是零件3D模型,並藉由機器學習分析客戶需求,為工程師提升設計專案的執行與管理效率,同時加速產品設計流程。而產業界也開始思考,是否能將金融科技所運用的區塊鏈等技術,運用在硬體生產的連網設備上以實現更高等級的安全防護與資源共享…各種最新IT技術將為半導體產業帶來哪些新面貌?且讓我們拭目以待!