HPC開啟算力革命，EDA產業如何破局？
2023-05-24 12:21:18 EETOP在金融服務、智能制造、醫療保健以及媒體娛樂等行業的推動下，全球數據呈現爆發態勢。根據IDC Global DataSphere的研究顯示，2020年-2025年，全球數據總量將從59ZB大幅增長至175ZB。其中，中國增速最快且體量最大，預計到2025年數據總量將增至48.6ZB，全球市占比達到27.8%。 在海量的數據面前，如何更好地處理數據并挖掘其背后的意義？數據中心被賦予了更高的使命。面對日益激增的數據浪潮，傳統的堆硬件式計算服務器模式已經不堪負重，與此同時，曾經在軍事、科研等高精尖領域發揮重要價值的HPC，正在開啟一場面向各行各業的新算力革命。 01 全球正在進入HPC大周期
那么到底什么是HPC呢？HPC是英文High Performance Computing的縮寫，中文譯為高性能計算。高性能計算主要是通過多臺服務器并行計算的方式，來提升整體的計算能力和容錯能力。在此基礎上，各個節點可以共同解決一個比任何一個節點單獨完成的問題大得多的問題，從而達到“1+1>2”的效果。
未來幾年，數字化轉型、云計算和AI等應用將推動高性能計算滲透率加速提升，屆時全球將逐步進入高性能計算的大周期。根據TrendForce的預測顯示，2021年-2027年，全球HPC市場規模將從368億美元增長至 568億美元，年均復合增長率達到7.5%。
02 HPC的高速發展對底層芯片 提出了新的要求 一個完整的計算機系統，通常由硬件系統和軟件系統兩大部分組成，其中硬件是計算機系統運行的基石，而硬件由各種各樣的芯片集合組成。這意味著在高性能計算高速發展的時代，對CPU、GPU、TPU、NPU、FPGA、ASIC、SoC等高性能計算芯片，以及通信芯片、接口芯片、存儲芯片等的需求量有望持續上升。 在百億級市場的積極驅動下，各大主流芯片企業皆紛紛入局高性能計算市場并加大投入，以期望在市場紅利期分得一塊蛋糕。 對于高性能計算來說，算力是第一要素，通常需要達到每秒萬億次級的計算速度，這對系統的處理器、內存帶寬、運算方式、系統 I / O、存儲等都提出了更高的要求。如何解決構建下一代超級計算機面臨的性能、延遲、功耗及安全性問題，成為了行業關注的重點。 系統性的挑戰同樣存在于硬件層面，對于高性能計算芯片來講，面對的計算任務越是復雜，系統對其計算能力、計算速度、數據存儲和帶寬等方面的要求就越高。為了能在這場“算力革命”中獲得競爭優勢，越來越多的芯片研發企業開始采用Chiplet和多die互聯的技術將模塊化設計的思維引入半導體制造和封裝中，以獲得更高的計算密度、更多的計算接口和更高的芯片良率；同時采用DDR5 / HBM2e內存處理、PCIe Gen6 / CXL2.0 / UCIe 高速接口，以應對更高的存儲需求；此外，他們還在嘗試盡量縮短自家產品的面世時間，以獲得市場先發優勢。 03 面對挑戰，EDA如何助力 大芯片產業成功破局？ 那么，對于這些芯片企業而言，如何才能實現更大的產品競爭力，加速產品上市呢？正所謂“欲善其事，必先利其器”，因此若想在市場提高競爭力，首先要有更好的EDA工具，其次要有更多、更成熟的芯片設計模塊儲備，最后要有強有力的市場推廣渠道和生態建設能力。 就EDA工具而言，高性能計算芯片的設計呈現出異構化和系統化趨勢，傳統的EDA工具已經不能滿足市場所需。怎么理解呢？ 芯片設計異構化:在過去幾年中，新的體系結構和指令集在崛起，異構成為提升算力的重要實現手段，這種趨勢不僅體現在設計中，還體現在制造領域，用不同的工藝、不同的節點、不同廠家的IP來實現整個SoC芯片。 芯片設計系統化：一方面，在過去三十年中，半導體產業的設計和制造是分離的，而如今異構的趨勢又在某種程度上將兩者重新統一起來了，因此EDA工具必須在設計階段就考慮好如何滿足chiplet系統的驗證需求，這種上下游的協同要求EDA從設計階段延伸到系統階段，來覆蓋整個應用創新周期的驗證需求，以及需要有一個統一的流程來實現不同環節的互相驗證、互相對比，以達成某種程度上的協同；另一方面，近年來越來越多的系統廠商為了提升自身的差異化優勢，也紛紛開始投入芯片研發，這些廠商會將他們對系統的理解帶到了芯片定義中去，就勢必會牽涉到軟件和硬件的協同、多顆芯片和多個節點的協同等。 針對異構芯片的設計和驗證挑戰，Cadence擁有一系列成熟的IP、仿真速度更快、容量更大的EDA工具和智能化的驗證平臺。其中，Cadence Design IP提供了高性能、低延遲的網絡基礎設施和存儲解決方案，包括40G UltraLink D2D PHY、112G - XSR PAM4 IP、UCIe? PHY and Controller、DDR / LPDDR / HBM Phy and Controller等，芯片設計企業借助這些IP可以減少大芯片設計和迭代的總投入成本，同時縮短產品的上市時間；而Cadence Xcelium MC / ML、Verisium AI、Jasper SPV、Dynamic Duo（Palladium / Protium）等EDA工具則可以加快整體仿真速度，輔助企業實現快、準、好的硬件加速和原型驗證。 針對芯片設計系統化趨勢，Cadence System Performance Analyzer可以幫助芯片設計企業識別典型SoC的內存子系統、互連和外圍設備中的性能下降原因，同時管理和監控系統內各種啟動器的相互沖突的性能目標，分析和解決系統性能瓶頸；而Cadence Helium virtual platform可以通過驗證和調試嵌入式軟件/固件，以及在系統級芯片的純虛擬和混合配置上啟動操作系統，從而幫助芯片設計企業加速系統級芯片的開發，實現由軟件驅動的軟硬件協同驗證。 此外，針對邊緣計算的低功耗和熱需求，Cadence還提供了Palladium DPA、 Xcelium Powerplay back、Joules + Innovus power analysis and optimization等工具，從而能夠更快、更精確地實現動態功耗分析、峰值功耗估計等。針對從邊緣到云端的數據中心和IoT應用，Cadence SBSA提供了Arm System Ready架構認證解決方案。針對計算密度增加帶來的芯片規模超出光罩尺寸的問題，Cadence Integrity 3D-IC平臺可以提供更好的3D-IC設計工具，采用Chiplet和 2.5D/3D-IC 封裝來解決設計尺寸接近或超過光罩尺寸導致的良率問題。 寫在最后 NVIDIA工程師透露：“不久前，處理一個數十億門級的設計，對之進行編譯并創建一個硬件仿真模型，然后將其導入硬件仿真加速器，整個過程需要48-72小時，在采用Cadence Dynamic Duo（Palladium / Protium）后，完成同樣的過程，只需要花費4小時。” 這是一個典型的例子，而在Cadence完善的EDA和IP解決方案背后，受惠的是整個高性能計算行業。
