【文章作者】David Hwang     芯華章科技產(chǎn)品與業(yè)務(wù)規(guī)劃總監(jiān)

　　車規(guī)芯片屬于半導(dǎo)體芯片的一個分支。目前芯片設(shè)計驗證遇到的很大一個瓶頸就是人才短缺，對車規(guī)芯片來說也是如此。據(jù)統(tǒng)計，2020年的IC設(shè)計從業(yè)者約20萬人，但是企業(yè)對人才需求量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過這個數(shù)目，導(dǎo)致在今年幾乎每家半導(dǎo)體設(shè)計公司都在抱怨急需的設(shè)計驗證人員難招。

　　芯片人才短缺一方面在于傳統(tǒng)人才培養(yǎng)模式的不足，在這方面我們很高興地看到國家已經(jīng)布局，而且開展了一系列的EDA的產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項目；另一方面人才短缺很大程度是由于國外EDA工具的壟斷性和封閉性造成的，這種保守和封閉性讓國內(nèi)普通的開發(fā)者很難廣泛接觸，更談不上二次開發(fā)。

　　車規(guī)芯片是一個復(fù)雜的軟硬件系統(tǒng)。車載芯片互聯(lián)從傳統(tǒng)簡單的傳感器通過CAN，MOSE，F(xiàn)lexRay總線互聯(lián)，逐漸轉(zhuǎn)變成復(fù)雜的車用以太網(wǎng)（Automotive Ethernet）互聯(lián)；傳輸?shù)臄?shù)據(jù)也從以往的調(diào)試診斷信息，提升到音視頻娛樂信息（Infotainment），重要任務(wù)（Mission Critical）數(shù)據(jù)信息。隨著數(shù)據(jù)量不斷增大，數(shù)據(jù)內(nèi)容和延遲確定性愈加重要，車規(guī)芯片內(nèi)部的軟件也因此愈加復(fù)雜。

　　車規(guī)芯片也是一個芯片領(lǐng)域比較特殊的種類，尤其是它對功能安全有嚴(yán)格的要求。車規(guī)芯片的功能安全完整性等級（ASIL）劃分要求芯片在設(shè)計過程中有一系列的嚴(yán)苛檢測和覆蓋率報告。傳統(tǒng)的芯片設(shè)計驗證方法學(xué)很難有效地應(yīng)付功能安全領(lǐng)域復(fù)雜的需求，這個挑戰(zhàn)也正在促使設(shè)計方法的變革。先進(jìn)的設(shè)計理念可以讓效率大幅提升，加速設(shè)計周期，提高芯片安全等級。

　　要擺脫目前車規(guī)芯片困境，包括對國外半導(dǎo)體廠商、EDA工具的依賴，國內(nèi)芯片人才短缺、設(shè)計理念落后等制約，就必須強(qiáng)調(diào)EDA理念，工具，和方法學(xué)變革。

　　為此，我們對加速車規(guī)芯片設(shè)計提出三點建議：

　　1. EDA理念變革

　　大部分傳統(tǒng)的EDA工具不向公眾開放中間層接口，普通用戶無法二次開發(fā)，長期以來導(dǎo)致產(chǎn)品生態(tài)封閉，用戶群體狹窄。芯華章強(qiáng)調(diào)利用EDA 2.0技術(shù)和理念，采用芯片設(shè)計平臺服務(wù)（EDaaS（Electronic Design as a Service））模式：工具有機(jī)嵌入云原生服務(wù)，同時提供全方位開放的接口，并廣泛地適配到設(shè)計驗證各項的流程中。工具接口開放化，工具本身平臺化，由此可以讓芯片設(shè)計和驗證更加自動化智能化；同時EDA 2.0也能夠讓更多人通過EDaaS參與到芯片設(shè)計中，并快速高效地完成工作；依托EDA 2.0技術(shù)是解決芯片人才瓶頸最有效的方式之一，我們希望在將來看到有更多的嵌入式工程師，系統(tǒng)工程師，甚至軟件工程師都可以利用EDA 2.0技術(shù)，高效地參與芯片設(shè)計研發(fā)。

　　2. EDA工具變革

　　EDA工具為功能安全提供數(shù)據(jù)支撐，尤其是ISO26262認(rèn)證所需的定量分析：失效模式影響與診斷分析 （Failure Mode Effect and Diagnostic Analysis，簡稱FMEDA）。在設(shè)計車規(guī)芯片時，F(xiàn)MEDA常用的手段就是對芯片進(jìn)行有意的故障注入（intentional fault injection），然后再分析錯誤注入引起的功能故障概率（失效率），以此評定車規(guī)芯片的安全完整性等級。

　　因此，EDA工具需要能夠產(chǎn)生各種故障模型（fault model）的測試激勵。由于芯片中需要注入的錯誤數(shù)量巨大，種類繁多，傳統(tǒng)仿真工具在做大規(guī)模測試時往往性能低下，耗費內(nèi)存巨大，而且仿真時間冗長。這是因為傳統(tǒng)仿真工具引擎是專注功能驗證，它對于故障注入來說，內(nèi)存和CPU開銷都是巨大的。

　　因此，故障注入需要EDA公司設(shè)計一種特殊的仿真器引擎，從而提高故障注入仿真效率；此外，芯片故障注入測試需要仿真器能夠處理更多的故障，且盡可能多地并發(fā)執(zhí)行。由于通常芯片內(nèi)部部分邏輯具有規(guī)則性和對稱性，通過形式化方式能夠發(fā)現(xiàn)一些規(guī)則，從而大規(guī)模減少不必要的注入的數(shù)量。一旦測試用例的數(shù)量減少了，仿真所需的總時間就可以減小了，這也可以從另一方面提升仿真器的效率。

　　仿真器只是EDA工具變革的一個典型的例子。其他的工具，如形式驗證，也可以針對功能安全做很多增強(qiáng)和優(yōu)化，包括自動探測安全路徑、自動檢測關(guān)鍵路徑上的可應(yīng)用的錯誤模型：包含固定開路故障（stuck at fault），瞬態(tài)故障（transient fault），遷移故障（transition fault），橋接故障（bridge fault）等。這些技術(shù)將大大提升車規(guī)芯片的驗證效率。

　　3. 設(shè)計方法學(xué)變革

　　車規(guī)芯片不同于消費電子芯片之處，在于安全性和可靠性特殊要求。車規(guī)芯片在設(shè)計之初要做很周密的架構(gòu)探索，這些前期工作的目的就是為了首先確保安全性，其次達(dá)到ISO26262 認(rèn)證的要求。車規(guī)芯片為了要保證在嚴(yán)苛環(huán)境下設(shè)計的安全性，常常會使用一些特殊的邏輯功能：比如在數(shù)據(jù)流中的采用硬件CRC校驗，在片內(nèi)SRAM和Flash memory中采用單比特奇偶（parity）校驗，數(shù)據(jù)讀取ECC校驗，以及芯片電源電壓檢測；在控制密集型邏輯上采用冗余邏輯，如多個CPU同時處理單一任務(wù)，輸出結(jié)果比對，雙看門狗（watchdogs）系統(tǒng)，時鐘電路備份機(jī)制等。要設(shè)計這些安全措施相關(guān)的邏輯單元，就需要在設(shè)計初期驗證它的必要性，可靠性，和完整性。

　　根據(jù)實際經(jīng)驗，我們推薦在設(shè)計之初盡早引入芯片功能的虛擬模型。這種基于虛擬模型的開發(fā)能夠讓設(shè)計師和架構(gòu)師盡早分析優(yōu)化系統(tǒng)，探索不同構(gòu)架在安全性能上的優(yōu)勢。一方面設(shè)計工程師，在沒有SoC真實環(huán)境的條件下，可以用這些模型驗證對復(fù)雜設(shè)計做前期分析，做出功耗性能面積最優(yōu)的判斷；另一方面，驗證工程師利用虛擬模型可以盡早開發(fā)白盒測試環(huán)境，也可以提前進(jìn)行復(fù)雜系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同測試，甚至可以將模型編譯在通用控制器里，放在ECU系統(tǒng)中進(jìn)行實際現(xiàn)場測試。

　　虛擬模型擁有諸多優(yōu)勢，但它的前提就是需要工程師廣泛意識到它的重要性，并在設(shè)計驗證中積極探索利用好它，同時EDA廠商也應(yīng)該積極和各種芯片IP廠商合作，開發(fā)更多豐富靈活的虛擬模型，并構(gòu)建利于產(chǎn)業(yè)積極發(fā)展的生態(tài)圈。驗證測試左移（shift-left）是當(dāng)前復(fù)雜芯片設(shè)計領(lǐng)域的倡導(dǎo)的趨勢，而在車規(guī)芯片上，我們認(rèn)為虛擬模型是一個驗證測試左移完美的助力點。

　　總結(jié)

　　在過去的20年里我們深深地意識到技術(shù)發(fā)展給芯片行業(yè)帶來的變革，但同時我們也越來越迫切的需要更強(qiáng)的技術(shù)創(chuàng)新，來滿足我們?nèi)找姘l(fā)展的芯片行業(yè)需求，解決我們面臨的各種挑戰(zhàn)。我們深信依托EDA 2.0帶來的EDA工具變革，可以解決人才技術(shù)瓶頸問題；改進(jìn)工具能夠更好地提高設(shè)計驗證效率；廣泛使用虛擬模型將會提高架構(gòu)探索質(zhì)量、提升車規(guī)芯片安全性。我們希望和各個行業(yè)的同仁積極探索交流，共同發(fā)展進(jìn)步，為我們國家芯片，包括車規(guī)芯片的發(fā)展，做出貢獻(xiàn)！