智能系统设计 EDA工具面临新挑战

不久前，Cadence公司举办的CDNLive 2019大会将智能系统设计 （Intelligent System Design）战略设置为主题，智能系统设计的趋势涉及到芯片相关的软硬件设计，而要真正实现从芯片到系统的复杂设计和落地，EDA工具是基础，其中，面临很大挑战的是EM的3D仿真。

Cadence系统仿真事业部资深软件工程总监Jian Liu认为，对于大规模系统而言，EM的3D仿真首要解决的挑战是保证模型运算结果的精确度，此外还有仿真成本效益以及设计工具链资源的无缝对接。

“就芯片设计而言，制程工艺演进到3D结构，物理距离的缩短会导致内部的电场耦合越来越强，这就需要真正的3D电子场来仿真，以避免电路之间的串扰。电子场仿真可以在信号传播的时候既自身无损又不干扰别人。”Jian Liu表示，“就系统设计而言，比如5G采用了微波，过去长波中可以忽略的小问题现在会放大产生很大的影响，另外高密度的天线耦合等，都需要很精确的3D电子仿真。”

Cadence多物理系统分析事业部产品总监Jerry Zhao表示，像汽车这类大规模的中心系统，不仅仅是电子场，也是多物理部件的耦合，其复杂度大大增加，并且高速并行的大规模数据传输也带来高频串扰的问题。这些都需要高速的软件工具来更精确地分析、模拟，然后优化。

一个典型的例子是112G SerDes的长距离信号传输。由于人工智能、机器学习和5G通信等应用对数据中心的以太网端口带宽提出了更高的要求，400G乃至800G以太网端口将成为主流，112G SerDes也将成为主流配置。去年底，Cadence曾发布长距离7nm 112G SerDes的IP，而目前FPGA中的顶配也都是112G SerDes。

Jian Liu表示，要保证信号在112G速率上没有误差的长距离传输——即所谓黄金标准——系统设计需要真正的整体的3D分析，但目前的3D建模工具都无法保证模型运算结果的精确度。因为目前主要的EM仿真受限于速度和处理能力制，会简化或将结构切分成更小的片段，以适应本地运行的计算资源，这种为了提高仿真效率而人为对结构进行剪切的伪3D方法会带来仿真精度降低的风险。

这实际上是一个成本效益的问题。硅基板、刚柔板和多Die堆叠的3D封装的高度复杂结构必须在3D环境精确建模，才能实现3D结构设计的优化和高速信号的稳定传输。因此，互连结构的优化必须进行数十次复杂结构的场提取和仿真，而为了满足这类工作负荷需求，传统的EM仿真程序必须运行在大型、昂贵的高性能服务器上，成本较高。

Cadence在今年4月份推出的Clarity 3D Solver解决了上述痛点。据Jian Liu介绍，作为Cadence系统分析战略的首款产品，Clarity 3D Solver的EM仿真性能比传统产品提高了10倍，提供了无限制的处理能力，改变了以往分析工具只能进行点分析的瓶颈，实现了分析与构建的集成，并且其仿真精度能够够达到黄金标准。

“Clarity的创新在于真正的大规模并行计算 。通过分解难以解决的大规模复杂问题，降低算法复杂度——一个革命性的算法——同时无损，并通过容错来保证可靠性。”Jian Liu说，“Clarity采用独特的分布式自适应网格结构，内存要求比传统3D场求解器显著降低，能够充分利用成本效益更高的云计算和本地分布式计算，使得仿真任务支持调用数以百计的CPU进行求解，而不再需要大型的、专用的、昂贵的服务器。”

Clarity的这一特性为那些拥有桌面电脑、高性能计算或云计算资源的工程师提供了优化计算资源预算的选择，使得他们更容易地解决芯片、封装、PCB、接插件和电缆设计等复杂的3D结构设计中的EM挑战。Jerry Zhao表示，除了接受CloudBurst云平台——支持功能验证、电路仿真、库特性和验收工具——的支持，作为Cadence产品家族的一员，Clarity不仅可以读取所有标准芯片和IC封装平台的设计数据，也可以更容易地对接Cadence其他工具的资源，包括与Virtuoso、Cadence SiP和Allergro实现平台集成（在Allegro和Virtuoso环境下设计三维结构，在分析工具中优化后导回设计工具中，而无需重新绘制。）；与Cadence Sigrity 3DWorkbench同时使用，可以将电缆和接插件等机械结构与系统设计结合，并将机电互连结构建模为单一的整体模型。

总的来看，Clarity 3D Solver体现了Cadence系统分析战略的特质，也反映出在大规模系统设计中，EDA工具作为基础设施所要解决的那些关键性问题的趋势。值得留意的是，Cadence已经成立了系统分析事业部，专门针对IC、封装、PCB和全系统设计中的问题提供解决方案，这意味着该公司的服务正在从芯片走向系统，这是一个更大的市场。