雖然支付處理、業務流程與合作和大數據分析等各種服務都仰賴雲端運算技術，但晶片設計產業卻較慢才開始採用這項技術。至今，在雲端中實現晶片設計的優勢仍未明朗。
現今半導體產業，面臨嚴格的品質要求、苛刻的上市時程以及高昂的成本等諸多挑戰；因此，應用創新的、雲端導向電子設計自動化(EDA)正是半導體產業亟需的解決方案，它能夠幫助半導體產業跨越這些挑戰並蓬勃發展。隨著摩爾定律(Moore’s law)的優勢開始衰退，這篇文章中將仔細探討在公共雲端進行半導體設計及驗證，如何能成為創新的推手。EDA躍上雲端顯然不僅是一個趨勢；對於半導體產業運算需求在短期內大幅增加，並且設計和驗證週期持續縮短的產業來說，開闢了一條持續前進的道路。
晶片設計者登上雲端
即使在幾年前，人們對於雲端在矽晶圓開發中所扮演的角色，仍是憂喜參半，畢竟摩爾定律主導了這個產業50多年的發展和創新。然而，正如科技諮詢顧問公司埃森哲(Accenture)在其《藉由即時服務模式推動半導體增長》(Driving Semiconductor Growth Through As-a-Service Models)報告中指出，摩爾定律的步伐正在減緩，反之卻要面對晶片開發成本飆升、競爭來自非傳統領域，但客戶卻要求指數級成長的能力和功能來支持物聯網(IoT)、人工智慧(AI)以及即將來臨的量子運算等新應用。
無庸置疑地，運算能力已成為半導體公司能否完成設計、更快將產品推向市場的關鍵。因此，公司為能取得設計及驗證系統單晶片(SoC)所需的資源，雲端運算成為一個可行的選擇。其中，關鍵性的IC設計及驗證流程，現在已可在雲端中使用。2020年底，埃森哲發表一份報告，《半導體產業的雲端勢在必行》(The cloud imperative for the semiconductor industry)，認為雲端是加快未來創新步伐的關鍵，並且具有安全性增強和自動化功能的完善雲端解決方案，其可提供的好處，已經超越本地系統(On-site System)。
晶片設計雲端化
接下來可以詳細分析，是哪些關鍵市場因素，驅使更多晶片設計者移轉到雲端；而基於雲端的解決方案，又如何能成為創新的推手。
更快獲得結果
隨著晶片變得越來越複雜、體積越來越大，面對日益增加的上市時間壓力，晶片設計和驗證資源遭遇瓶頸。與此同時，工程師的工作量也持續增加。工程師需要處理的事情增加，可用資源卻減少。與在本地資料中心進行EDA解決方案相比，雲端技術的利用開闢了更多的運算資源，可以加速基礎晶片設計和驗證過程。另一個好處是增加彈性，促使晶片設計能夠根據需求，迅速地擴大或縮小規模。
以元件庫特徵化(Library Characterization)為例，這是一項高度平行化的任務，需要大量運算資源。元件庫特徵化的資源規畫極為困難。例如，在雲端運算前，晶片設計公司需要先針對這些工作負載量，在自有的高效能資料中心投入許多資源。然而，根據需求模式，這些系統不是被過度使用，就是未被充分利用；或是也可能需要先對工作負載量進行排序，進而導致延遲。相反地，雲端運算可以在需要時，按照需求量，盡可能獲取最多的運算資源，將元件庫特徵化等任務的周轉時間(Turnaround Time, TAT)從數週縮短到數天。廠商如亞馬遜網路服務(AWS)的客戶已經能夠將他們的元件庫特徵化工作負載量擴增到120,000多個平行作業，部分原因是AWS和新思科技之間具有合作關係。
時程短、資源耗費大的任務，非常適合遷移到雲端。無需自行支出繁重的成本來建置基礎設施，設計人員就可以靈活地利用運算資源。若有需要，在數據可分區的前提下，也可以將運算密集型任務分解成更小的任務，並利用雲端的大規模、分散式的處理和儲存空間，來解決每個小任務。除此之外，在分散處理時，時序分析(Timing Analysis)、物理驗證和功能驗證之類的工作流程，也得以完善地擴充。例如透過形式驗證，可以將設計本地化，並對獨立的部分執行驗證。
提高產品品質
為了保持先進節點設計、具有多個功率域(Power-domains)的低功耗設計以及突破光罩限制設計的高品質結果(QoR)，在設計流程的所有階段，驗證工作的量都呈爆炸性成長。在現實世界中，內部運算資源並非無上限，設計師被要求完成不可能的任務：在上市時間和結果品質之間取得平衡。雲端憑藉近乎無限的資源，提供了執行大規模模擬、時序簽核(Timing Signoff)和物理驗證任務的能力；而這些任務可能會導致本地運算資源的短缺，或甚至整個系統的崩壞。
更低的成本
以最快的時間，將品質最好的產品推向市場，始終是設計者的目標；但盡可能以最低的成本生產晶片也同樣重要。傳統的晶片設計公司，可以使用現有的資料中心來進行EDA解決方案。即便如此，為了管理成本，他們可能仍會選擇混合的工作流程，在運算需求突增的期間，利用雲端資源來補足本地資源的短缺。而小型新創公司可能會發現，私有資料中心的成本太高，不切實際。在這些情況下，雲端可以在需要時，提供最新的運算和儲存資源，並具有高度的靈活性，即用即付(Pay-as-you-go)。
雲端的彈性也有助於降低結果成本。各家雲端的價格確實有所不同，因為一些雲端供應商允許運算服務的競標，費率受需求影響。隨著雲端供應商開發成本更低的運算資源，例如利用過剩容量的現貨實例，也許能提供更低的價格。設計公司應該把握時機，善用這些EDA解決方案。
高安全性/系統正常運行時間
半導體產業對遷移到雲端的猶豫，與對安全性和系統正常運行時間(System Uptime)的擔憂有關，這是可以理解的。採用現代雲端安全性技術、雲端原生流程(Cloud-native Processes)及技術，有助於確保在安全、受監控的雲端基礎架構上執行EDA工作。為此，EDA供應商與雲端安全供應商密切合作，調整技術，以保護EDA工作並防止資料洩漏。應用高強度的身分和存取管理，可以確保在EDA工具當中，有效管理使用者的存取權限。
雲端供應商通常在責任共擔模式(Shared Responsibility Model)下營運。其中雲端供應商承擔雲端本身，即資料中心的安全責任，而他們的客戶(如EDA公司)則承擔雲端內部的安全性。EDA產業應該要充分了解這個模式的含義。雲端供應商是否在其基礎架構和應用程式中，從頭開始建構安全性，並確保操作的安全性？EDA供應商是否使用適用於雲端環境的加密處理以及最新的監控和故障排除工具？
至於系統正常運行時間，雲端供應商正在構建大量閒置的資源，以確保其運算資源的高可用性(High Availability)和彈性(Resiliency)；例如透過高可用性集群(High Availability Clusters)，EDA應用程式可以在此集群之間交替運行，提供更好的可靠性和正常運行時間。
雲端EDA和IP產品組合
在雲端合作夥伴微軟(Microsoft)、AWS和Google雲端平台(Google Cloud Platform)的支持下，廠商如新思科技依循數個技術軸(Technology Axes)進行創新，以優化其EDA軟體。當在雲端上設計及驗證晶片，或是將軟體移轉到雲端時，這些優化的應用程式可以為設計者提供生產力、可擴展性、安全性和靈活性。總結而言，借助雲端就緒設計(Cloud-ready Design)、驗證和IP解決方案，可以獲得以下雲端晶片設計的優勢：
・更快獲得結果：
雲端EDA解決方案已在主要公共雲端平台上進行生產驗證，並得到多數半導體代工廠的認可，可與他們的元件庫和製程設計套件(PDK)配合使用。
・提高產品品質：
解決方案善用雲端大規模的可擴展性和彈性。
・更低的成本：
解決方案具有彈性和穩健性，善用雲端上成本優化的現貨實例。
需求推動進步
在半導體產業，高效能晶片的功能越來越豐富，帶來巨大的競爭壓力，驅使技術高速創新、成本持續降低。與此同時，EDA和IP供應商共同的創新需求，也提升產業內對優化的雲端解決方案的重視。這些解決方案足以支持極高的運算需求，並縮短晶片設計和驗證任務的周期時間。簡言之，隨著EDA上雲端後，IC設計日益增加的複雜度，不僅為半導體創新另闢途徑，也進而加速自身被採用的速度。這是一個良性循環，為整個產業，以及在這個萬物智慧化時代(Era of Smart Everything)當中依賴先進矽晶片的許多產業，都帶來了值得期待的結果。
(本文作者任職於新思科技)
