复杂芯片系统对嵌入式处理器的需求越来越多

随着时间的推移，设计变得越来越复杂，这是业内人士的共识。然而，需要深入调查和研究哪些方面体现了“复杂性”，哪些问题没有得到解决。上周，西门子EDA和WilsonResearch两家公司合作的芯片设计报告于二零二二年全面公布，定量分析为我们提供了一些重要意见。研究报告后，我们认为芯片设计变得更加复杂，不仅体现在芯片BCP69晶体管规模的扩大上，也体现在SOC复杂性的提高上，SOC复杂性的提高会带来一系列的变化，包括设计方法的变化和设计验证的新需求。这些新的变化和需求将推动未来几年芯片设计的变化。

多维度提高芯片复杂度？

随着人工智能、智能汽车等新应用的出现，芯片的复杂性正在慢慢提高。芯片复杂性的提高可以是一个多维度的问题。一方面可以体现在晶体管数量的增加上，另一方面也可以体现在芯片中复杂子系统的数量上。

就芯片晶体管数量而言，西门子/Wilson在研究报告中，36%以上的芯片项目达到1000万，而100万以上的芯片项目只占30%。因此，从晶体管的数量来看，芯片的复杂性确实有了很大的提高。

但是晶体管的数量并非唯一的考虑因素。举例来说，在某些芯片中，芯片上的内存(如缓存)可以占据相当大的门数，但是其整体设计的复杂性可能并不高。所以，观察芯片复杂性的另一个角度是芯片子系统的数量。每一个芯片子系统在SOC中都有其独特的功能，当芯片子系统较多时，如何使这些子系统在一起工作是一件具有挑战性的事情。所以，芯片子系统的数量也是衡量整个芯片复杂性的一个重要指标。但是，芯片子系统的数量并不容易统计算。

从芯片上嵌入式处理器的数量来看，今天74%的芯片至少有一个嵌入式处理器；超过一半的芯片项目有两个以上的嵌入式处理器，超过8个嵌入式处理器有15%的处理器。从这个角度来看，今天的芯片设计从系统的角度来看确实越来越复杂。

综上所述，我们认为芯片设计的复杂性不仅体现在晶体管的数量上，也体现在系统的复杂性上。这些复杂性的提高是由应用程序驱动的(如人工智能、智能驾驶、下一代智能设备等)。随着这些系统在未来的进一步普及，我们预计芯片系统的复杂性将进一步提高，这也将给芯片设计行业带来相应的变化。

芯片系统的复杂性正在改变芯片设计的生态。

芯片系统的复杂性对芯片设计生态的影响是多方面的。第一，在应用程序的驱动下，芯片系统的复杂性增加，整个芯片系统中高复杂度的子系统增加，从而增加了芯片所需的嵌入式处理器数量。另一方面，应用程序驱动了嵌入式处理器的需求增加；另一方面，如果嵌入式处理器成本低，设计灵活，这种复杂性会进一步提高。

从这个角度来看，RISC－V可以说，未来芯片设计复杂性的提升需求越来越多，从另一个角度来看，复杂芯片系统对嵌入式处理器的需求越来越得到满足。RISC－V这是一个开源处理指令集，任何人都可以自由使用，并且在此基础上进一步定制额外的指令集，以满足自己的需要。对强大的制造商而言，RISC－V指令集可以独立开发自己的处理器，并在自己的产品中使用；对于中小厂商，也可以选择SiFive等公司提供的。RISC－V使用处理器IP。目前，使用RISC－V嵌入式处理器/作为嵌入式处理器，对计算性能要求不高的MCU芯片的选择越来越多，其背后的主要原因是RISC－V成本及灵活处理器。而西门子／Wilson芯片设计报告进一步证实了这一观点：2022年有30%的芯片使用了RISC－V处理器，而这一数字在2020年仅为23%。在未来，我们预期RISC－V得到进一步广泛的应用，并且从另一方面也进一步赋能芯片系统复杂的提升。

除了嵌入式处理器，随着芯片系统复杂性的提高，芯片系统设计的另一个变化是如何以高效可靠的方式将这些系统连接起来，相互通信，相互访问内存。这需要越来越多的使用。NoC（network－on－chip）。NoCSOC该系统将成为越来越多的基础IP，确保芯片系统设计能更有效地扩大其复杂性和设计规模。根据市场研究公司BrainyInsights根据研究，NoC未来十年的年复合增长率可达7.9%，所以我们也预计NoC将在未来越来越多的大型高复杂芯片中使用。

所以，从IP设计的角度来看，我们认为新的嵌入式处理器（RISC－V）和片上互连（NoC）为进一步提高芯片系统的复杂性，它将成为一个重要的新观点。

芯片验证将成为首要任务

除新设计外IP，复杂芯片的验证将成为另一个挑战。如前所述，复杂芯片包括越来越多的子系统。第一，随着复杂性的提高，由于不同子系统的验证方法不一致，各子系统的验证将变得越来越具有挑战性。第二，多个复杂子系统的协同工作和验证将成为另一个芯片验证的难点。最终，芯片系统中的每一个子系统都具有异质性。举例来说，由于不同子系统的验证方法不一致，复杂芯片系统中使用的高性能模拟/混合信号模块(如内存接口)越来越多。

首先，芯片验证需要提高效率，减少所需时间。按西门子/Wilson报告显示，在2022年的芯片项目中，高达三分之二的项目没有在原来的时间交付，这也表明目前的芯片验证系统仍然需要提高复杂芯片的效率。

此外，第一次芯片流量的成功率也在下降。2022年，高达76%的项目需要两次或两次以上的流量才能实现设计目标。逻辑功能问题是芯片需要多次流量的主要原因，另一个值得注意的原因是模拟模块问题:2020年和2022年，该项目从几年前的20%跃升至40%，这也表明模拟设计的相关验证和模拟模块与其他模块的协同验证将成为未来复杂芯片验证领域需要解决的一个非常重要的问题。

展望未来，复杂芯片的验证首先需要一个更高效的验证过程，例如使用更高效的testbench描述语言(使用C++/Python等等)，以确保芯片项目能够定期交付。随着芯片系统复杂性的提高，这个问题会越来越大，因为逻辑功能仍然是芯片流失的主要问题，所以可靠的验证方法(比如emulator）提出要求，emulator为了保证复杂芯片系统的质量，有必要进一步降低成本，提高对复杂系统的支持。最终，模拟验证有望成为未来复杂芯片系统的关键环节，包括模拟验证、模拟与数字系统协同验证(如数字系统中的模拟系统建模验证等)，这对新验证方法的采用和新的EDA系统提出了新的要求，有望成为未来几年验证领域的另一个亮点。