通过云计算改变中国芯片设计环境

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通过云计算改变中国芯片设计环境

半导体行业观察 2021-08-06

2019年11月21日

中国集成电路设计业2019年会 (ICCAD 2019)

摩尔精英发布《芯片设计云计算白皮书1.0》

内容所涉及的验证和最佳实践基于

Amazon Web Services （AWS）相关云计算服务

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一、IT/CAD 环境的演变之路

从初级阶段Stage0.0，逐步“走向深蓝”，最后迈向成熟的Stage5.0阶段，云计算平台是一个最为合适的承载体。Stage5.0可以通过云技术来构建一个弹性十足的设计平台来满足芯片设计数据安全，设计效率和成本优化的需求。

网络架构

网络从传统的两层架构到三层架构，通过构建中间安全隔离层，完全解决了数据隔离和复制粘贴等数据安全问题。加上合理高效的数据传输工具，确保设计数据在不同工作区域安全高效地传输。

计算集群

计算节点从单个服务器到计算集群，最终到动态弹性计算集群。动态资源调度应用通过云上与云下资源的合理分布，实现私有云、混合云和公有云之间的资源动态调动，使得计算资源能得到充分地利用，从而提高设计效率和实现成本优化管理。

工具/IP/PDK

工具/IP/PDK从本地化部署发展到中央部署集中管理的方式。在云平台上利用镜像管理，工具/ IP/ PDK可按需取用，自动安装和配置，并按照项目、用量和用时等来核算成本。

用“分时租赁”的方式来降低创新门槛，推动工具、IP和PDK的良性发展，并通过云平台提供一个安全的、可控可追溯的、多租户的共享平台，使得一些敏感数据，例如：IP和PDK等，可以“安全上传，永不落地”。

项目数据

项目数据从本地化分散管理，到集中化管理，最后到标准数据库管理。在云平台上，利用弹性管理技术，按用量用时核算成本，可以有效地降低一次性的投资，“让中国没有难做的芯片”。

设计流程

从点工具集合，到工具脚本链接和数据流自动处理，再到全封装的标准作业流程，整个设计过程变得更加智能化，可视化。设计流程在云平台上统一维护，极大的提高了设计效率和降低了运维和购买成本。

设计环境

从设计人员手工环境配置，到统一标准的环境配置，再到使用工具生成设计环境，不仅使得同一个项目组成员使用统一的设计环境，减少人为出错，而且对于同一个设计人员还实现了多个项目环境之间的自动切换。

项目管理

从线下表格加项目会议，到专业项目管理工具配合项目成员协同管理，再到利用项目数据来进行项目管理的应用。最终使得项目状态和进度能够实时自动更新，所有问题能被及时发现并通知相关人员，从而保证项目的进度。

多站点协同

多站点协同研发一直是芯片设计的一个特征场景，在云平台上，统一的计算中心，无穷的弹性算力和存储空间，使得无论是在世界的哪一个角落，都可以在同一个平台进行统一的研发工作。

信息安全

从IaaS层、到PaaS层、再到SaaS层，每个层次需要高效的安全策略和安全应用，最终实现安全隔离、数据加密传输、安全审计、数据多镜像保存的研发作业环境。

用户管理

用户的集中化管理以及自助式服务，将通过敏捷IT运维实现标准化和中央化管控，并使得资源能快速就位，通过资源监控和日志管理做到可追溯和可核算。

二、小三层架构：私有化设计管理平台助力企业快速发展

IT基础架构，承载着每个行业关于IT的软硬件基础资源、工具应用及数据安全的需求。国内的半导体发展还处于初期阶段，在IT基础架构的管理方法论上还存在一定的差距，成熟的IT基础架构管理运维方法论和标准能更好地支撑整体行业的发展需要。

目前比较经典的本地IT架构图。此架构基于三层网络安全原理进行了区域隔离，对计算与存储进行了集群管理，并对应用进行了标准部署。

三、大三层架构：SaaS化设计管理平台推动行业快速发展

整个IT/CAD管理体系将通过2个管理平台（DMP：设计管理平台，CMP：云管理平台）和1个虚拟化资源池（VRP）对设计项目所需的各种资源进行管理分配并使得成本最优化，同时对不同层次的资源使用不同的安全管理策略从而保证设计项目数据安全。

IaaS层

从IT基础架构上云的路径上来说，混合云将会是未来主要的半导体上云的方式：基础算力采用传统的私有化部署方式，弹性算力可以利用云端算力来优化成本结构。对于研发人员来说，可以做到透明的作业智能调度，由作业调度工具来分配计算作业分发到本地集群或是云端集群。简单说就是将HPC区扩展到云端，甚至可以是多云。

在公有云计算平台上，将网络、存储和服务器用虚拟技术形成一个资源池，用户根据需求通过自助服务得到这些虚拟资源，这些资源按使用时间收费。对计算资源使用按秒计费，从而达到成本优化的目的。在云计算平台上可以通过水平扩展，使得用户可以在更短的时间内运行更多计算服务器（license 足够的前提下），缩短设计时间，提高设计效率，例如：由于完成每个芯片设计任务的时间是相同的，通过动态地将集群规模扩容到24倍或更多，从而可以在两个小时内完成48小时的RTL验证。

PaaS层

PaaS（平台即服务）作为IaaS层和SaaS层之间的一种服务，在IT/CAD管理体系里主要通过CMP（云管理平台）对IaaS层里的各种硬件资源进行管理。并通过计算集群管理软件对计算资源进行优化，为SaaS中的各种应用程序和数据库提供运行环境。

云管理平台（CMP）是伴随着云计算的深入发展和加速落地而出现的资源整合平台，是云时代充分发挥云计算特性优势，大幅提升生产力、应对新增混合云多云资源管理问题的平台工具。CMP旨在管理云计算所需的资源与环境，充分发挥云计算低成本、弹性、易用、高可靠性、按需服务等特点，同时在提升IT资源利用率的基础上，实现资源的统一视图管理，最终实现云平台的自助服务。IT/CAD环境下的CMP，提供对公有云、私有云和混合云整合管理，提高IT的运维效率，实现云上资源的实时监控，控制云上资源的合理分配同时降低云计算成本，实时预警保障SaaS中应用高可用的环境。

SaaS层

在IT/CAD管理体系中，SaaS层主要包括了芯片设计中所需要的各种应用程序以及数据库。根据不同的设计类型通过设计环境管理模块配置统一设计环境并调用设计流程的自动化脚本完成设计项目，这一层是整个ITCAD管理体系最为核心的部分。

DMP（设计管理平台）会集成SaaS层中的所有应用程序并对所有数据库进行有效管理，使得整个设计项目能够方便高效地进行。

四、技术拓扑

本地网络和公有云网络可以构成混合云架构，通过云上弹性的、即取即得的海量资源，与云下资源互相连通，实现动态的设计环境管理架构。

以上实例定义了混合云架构下的各个职能区域，例如线下的内网服务区以及线上的安全登陆服务区、作业统一提交平台、基础服务区、计算池、存储池和副本系统。通过安全有效的网络策略，以及专属数据管理通道，将本地和云端资源安全有效地整合到一起，为设计服务。

五、弹性计算：大并发计算提高设计质量

弹性策略，即弹性伸缩（Auto Scaling，AS）提供高效管理计算资源的策略。弹性策略在整个CMP，乃至云计算中担任非常重要的角色，是高效且低成本使用云资源的关键所在。弹性策略的实现方法可以是通过商业化作业调度工具（例如IBM LSF）或者是第三方开发方式，定制自动扩容和缩容策略，动态地按照作业负载情况，自动实现计算集群的自动扩展和缩减。而扩展计算节点所需要的所有镜像、安装配置文件，都事先在存储中进行了预设保存。所有的扩容和缩容操作都是无缝进行，保证业务平稳顺利运行。智能的Auto Scaling是能够较好地控制云端算力的成本和效率的。

除了实例和集群数量的伸缩调节外，弹性策略还能根据任务类型（计算密集型任务、IO密集型任务等），从CPU、内存、存储等多维度弹性调配适合该任务类型的资源，真正做到资源的弹性使用和效率最大化。

六、摩尔芯片设计云生态

基于目前主流的公有云架构，摩尔精英正在搭建一个芯片设计云平台，主要做下面3件事：

第一，IP的托管，交易，追踪；

如果IP在云端，将能精确地控制IP的使用，IP销售方式可以从原来的一次性收费变成零/低首付、延迟分批收费。这种新的共享模式通过云提供一个安全可控、可追溯的、多租户的共享平台，IP 和 PDK 可以各自成“云”，使得数据“安全上传，永不落地”，杜绝泄露风险。

第二，芯片设计流程的加速和自动化；

今天芯片公司对设计上云不积极的原因之一是设计流程的自动化程度不够高，需要大量人工，限制了云端无限弹性算力发挥的空间。我们针对芯片设计的需求搭建了软硬件、文件、工具的平台支撑层，这一层里面包括了CAD Flow, Reference Design, EDA, PDK等。

第三，SiP封装的验证，整合，量产出货；

当大量芯片开发者能够在云端协作，就会诞生大量裸片资源，通过云端自动化的仿真和验证可以快速提供合适的SiP方案，这些裸片销售也进一步帮助芯片公司、IP公司分摊研发成本，减少重复开发浪费。

七、摩尔芯云：共享IT/CAD服务

摩尔精英用近两年时间，打造了芯片设计的IT/CAD标准架构，并通过IT/CAD服务对用户设计环境进行标准化构建。今天绝大多数本土芯片公司对于该如何构建安全高效的IT/CAD环境仍然缺乏足够的知识和经验，所以我们在过去的一年半的时间里面帮助30多家芯片设计公司完成了设计环境的整体优化和提升。

这一套标准的IT/CAD架构具有很强的无缝扩展能力，可以很方便地接入云端，而不改变用户的使用习惯。云上和云下的资源构成了一个混合的、透明的设计环境，整个资源将根据用户的需求进行弹性分配，从而达到资源的高效使用和成本优化。也就是平时你可以用本地的服务器，但是当你需要更多算力的时候，或需要跟别人进行多方合作的时候，你不需要像以前那样频繁地拷贝设计数据，“混合云”形成了一个secure chamber，可以在安全级别定义框架下进行设计数据共享和设计协同。

八、CAD管理体系：设计环境的加速器

纵观国内外芯片设计发展的历史规律，CAD管理体系的成型是一个重要关口。往往在设计公司的规模和芯片迭代到达一定的规模时，就会对设计环境提出更高的要求，例如对Bug的控制能力，流程的自动化能力，资源的管理能力等等，都是属于CAD管理优化的主要目标。

CAD管理的内容：

1.了解市场和设计部门对设计工艺的要求，和各芯片生产厂商以及设计工具厂商合作制定设计流程，并验证设计流程的有效性。维护已有的设计流程及使用文档并向各设计项目团队提供培训，解决设计流程在真实设计项目中出现的问题。

2.对设计工具进行有效的管理，验证设计工具新版本或新的设计工具在设计流程中的有效性。和各设计工具厂商合作对设计团队进行工具使用培训或者工具新功能的知识更新。并能初步诊断设计工程师使用设计工具产生的各种问题。

3.结合设计流程以及项目需求，为每个项目开发和制定统一的设计平台，方便设计工程师的使用以及避免任何由于设计环境不一致而造成的设计错误。

4.将设计数据进行分类并指导IT提供相应的数据管理方案，包括数据存储策略，在线和离线备份方案，保证设计数据在整个生命周期的安全和存储设备的高效使用。

5.从整个设计公司的角度综合分析各项目对设计工具许可证的需求，并利用多个项目周期曲线的叠加，工具使用监控和设计工具许可证的规则，尽可能采购合适数量的许可证，节约设计成本。

6.根据各设计工作对计算资源的不同要求，制定计算平台的标准配置，与此同时结合各设计项目的周期和计算平台的实时监控数据，进行计算平台配置的微调，满足设计项目在不同阶段的硬件资源需求，保证项目正常高效的运转。

因此，在整个设计项目中，设计工程师根据产品说明进行硬件设计工作，CAD部门紧跟项目组对项目设计工作的各种需求进行分析，然后将这种需求转换为对设计工具和IT架构的具体需求，并和相关的设计工具厂商和IT部门合作提出相应的方案。正如以上图所示：所有需求由上至下，而所有的解决方案实施则由下至上。CAD部门在整个设计项目中扮演了非常重要的协调和指导角色。

国内的半导体正处于历史发展的最好时机，CAD管理通过与云技术实现整体化、平台化的实现，可以对整个行业起到整体支撑的作用，进一步降低设计行业的创业门槛，加快芯片研发进程。

九、重构半导体基础设施：平台化弥补差距，弯道超车

设计、CAD管理、IT基础三者构成了半导体设计研发环境的有机环境，这就好像在赛车场景中的车手、轮胎和赛道的关系，需要有效协同、平衡发展。

通过云技术的运用，实现架构共享、技术沉淀、资源集成、成本优化的生态环境，重构半导体基础设施，打造全行业的设计研发平台，实现平台化弥补差距，弯道超车。

今天是《半导体行业观察》为您分享的第2135期内容，欢迎关注。

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