多元新興應用(AI、5G等)崛起，使得IC不僅要高效能，同時還要小體積、低功耗，這也使得IC設計的複雜度與時間大增。要達到這些條件，IC設計時所需的運算資源是過去的數倍，面對高運算、成本效益的考量，加上為了加快IC設計時程，半導體產業開始結合雲端技術，將雲作為IC設計平台，雲端技術用來輔助IC開發的契機也因而湧現。
台積電推雲端聯盟引領IC設計上雲風潮
台積電在2018年宣布首度在開放創新平台(Open Innovation Platform, OIP)上提供「虛擬設計環境(Virtual Design Environment, VDE)，協助客戶靈活運用雲端運算環境，充分使用台積電的OIP設計基礎建設，安全地在雲端進行晶片設計。
OIP VDE是台積電與OIP上最新成立的「雲端聯盟」的創始成員合作，包括亞馬遜雲端服務(AWS)、益華電腦(Cadence)、微軟Azure(Microsoft Azure)以及新思科技(Synopsys)的合作成果，在雲端提供RTL-to-GDSII的數位設計以及schematic capture-to-GDSII的客製化設計能力。
OIP VDE裡的數位設計以及客製化設計流程，皆於雲端運算的環境上，結合製程技術檔(Process Technology File)、製程設計套件(Process Design Kit, PDK)、基礎矽智財(Foundation IP)，以及設計參考流程(Reference Flows)等的OIP晶片設計輔助資料檔，並通過了充分的測試。
同時，為了降低客戶首度採用雲端的門檻，並且確保客戶獲得充分的技術支援，Cadence與Synopsys將扮演單一窗口的角色，協助客戶架設VDE並且提供第一線的支援。
台積電技術發展副總經理侯永清表示，雲端無所不在，並且會全面影響未來晶片設計的進行。台積電是第一家與設計生態環境夥伴與雲端服務公司合作提供雲端設計解決方案的專業積體電路製造服務公司。OIP VDE提供客戶彈性、安全，透過矽晶認證的雲端設計解決方案，能夠幫助他們按照需求有效地擴充運算設備，進而加速下一代系統晶片的上市時間。
而台積電在2018年推出OIP雲端聯盟後，也持續擴增其規模，添加更多合作夥伴，像是明導國際(Mentor)便成為新的聯盟生力軍，拓展此一平台生態系統的規模。
台積電指出，Mentor已成功通過台積電的認證成為雲端聯盟的新成員，其於雲端保護矽智財的程序皆符合台積電的標準。此外，台積電驗證了Mentor Calibre實體驗證電子設計自動化解決方案，能夠有效地藉由雲端運算的擴展性加速完成晶片實體驗證。
侯永清指出，自從台積電率先成立雲端聯盟後，已經看到越來越多的晶片設計業者採用雲端解決方案。因此，我們更進一步擴大雲端聯盟的規模，並且深化夥伴關係。看到不同規模的客戶在利用台積電的先進製程進行設計時，藉由雲端運算來提高生產力。目前已經有客戶採用雲端聯盟的解決方案完成7奈米的產品設計定案。此外，台積電也利用雲端來進行5奈米的開發，以更快速地提供記憶體、標準元件庫、以及電子設計自動化設計基礎架構給客戶，幫助客戶取得競爭優勢，更快的將產品上市，並且達到更高的品質。
降成本/高運算需求增雲端方案趁勢起
晶片設計日趨複雜是推動雲端設計的主要動力之一。Cadence雲端業務開發副總裁Craig Johnson指出(圖1)，每種應用領域各有其需要解決的獨特問題。此外也有一些是關於改用先進製程節點、提升產能以及符合嚴苛時程要求等共通挑戰。像是5G這樣的領域追求對於整合極限的突破，因此從事此類設計的公司最為積極採用先進製程技術。這些業者需要製程所能提供的性能及處理能力，相應而來的問題是最新製程節點通常需要成熟時間，而在此過渡時期可能出現意料之外的狀況。至於AI設計的應用在於提供高度客製化的高性能晶圓，因此數量上持續成長，這為過去視為合併至多功能裝置的半導體產業帶來新的機會。
整體而言，雲端已受到越來越多的關注，已有許多企業正在評估研擬雲端策略。雲端資源吸引人之處在於能夠利用幾乎無限的運算資源，大幅提高產能並且加快產出時間，而毋須購入以約4年作為最大限度使用投資回報率的衡量標準。此外，企業可以選擇將其IT焦點從硬體的管理轉移到應用程式的管理。這些任務的區分可更趨明確，提升支出效益。
Cadence台灣區總經理宋栢安(圖2)則說，如今IC設計開始朝雲端發展，有幾個重要因素。首先是上述提到的，晶片設計愈來愈複雜的情形。隨著AI、5G和物聯網(IoT)等新興應用崛起，晶片的設計複雜度、難度明顯增加，而在難度大增的情況下，IC設計和分析所需的運算能力也越來越多。另一個原因則是為了因應短期而大量的設計需求，比如說當IC設計公司接到的案子是要在一個月內完成，但沒有這麼強大的系統因應晶片設計時所需的大量驗證與運算時，便可以租用雲端方案，採用雲端業者的高運算系統進行IC設計。
像是新創晶片設計公司 SiFive已採用OIP VDE平台完成28奈米製程的單晶片設計。此設計架構由SiFive與Cadence於微軟Azure運算雲端平台上聯手完成，搭載SiFive自行開發的64位元多核開放原始碼指令集架構(Multi-Core RISC-V CPU)製成的Freedom Unleashed系列首款高階處理器U540，可運行RISC-V Linux系統與應用。
微軟大型企業商務事業群總經理卞志祥(圖3)則表示，IC設計、晶圓代工和封測等業者，會採用雲端的原因，除了因應愈加複雜的設計及短期、大量的供貨需求外，另一個關鍵就是降低投資成本。舉例來說，若IC設計業者同時接到三個以上重要客戶投產，原有的運算設備不夠因應這麼大量且急迫的需求時，通常解決情況有兩種。一種就是棄單，也就是將量較小或較不用重要的案子往後挪，延個幾星期或是幾個月再出單，但這方式通常不太可能，一來會影響商譽，二來也會影響產品Time to market的時間；而第二種方式，便是添購運算設備。
卞志祥說明，以往IC設計或是晶圓代工業者，在R&D的投資金額中，有20~25%是在購買EDA工具。在邁入先進製程前，購買伺服器、儲存設備等硬體裝置的量和金額，大約是購買EDA工具的四分之一或三分之一。然而，到了7奈米、5奈米等先進製程階段，運算量會有非常明顯的增加，要承受或是支援這麼龐大的運算，意味著所有硬體(包含伺服器、儲存或網路系統等)的投資都要提升，但這也會衍伸出兩大難題。
第一是在接到大量的案子後，即便業者馬上添購伺服器、運算/儲存設備，但從購買產品到出貨，加上設備安裝，中間也要數周甚至1~2個月的時間，這樣一來，原先接到的大單，可能也因產能無法即時跟上而告吹。第二，即便運算設備來得及時，安裝也很快，可以因應客戶需求。然而，當這些短期、大量的案子結束之後，新添購的運算、儲存設備或伺服器日後可能就再也用不到或是使用機率極少(因接大單的機會很少)；在硬體設備無法物盡其用的情況下，等於是多增加了一筆設備支出費用，徒增成本。
也因此，雲端設計開始受到IC設計、晶圓代工和封測業者的重視。除了可以滿足高速運算需求，因應複雜的設計外、確保Time to market的時程外，更重要是可以減少硬體設備的投資花費，並彈性的調整產品設計時程。
EDA/雲端業者策略紛出加快市場布局
IC設計走向雲端已成大勢所趨，為此，EDA供應商也開始強化其市場布局。Johnson表示，先進節點涉及較高電晶體密度、新設計規則以及電力管理，使得設計與驗證程序整體複雜度提高，因此雲端是最理想的輔助方案，運算和工具的輔助有時可以加速部分製程步驟的完成。為此，Cadence將雲端模型視為另一種協助顧客邁向成功之路的方式，且已經在雲端部署模型、進行雲端使用與建立合作夥伴生態系統。
Johnson指出，針對半導體開發需求，Cadence已推出雲端產品組合，包含由Cadence管理以及由顧客管理的環境，協助電子產品開發人員利用雲端的規模靈活性妥善處理複雜度急遽增加的設計任務，藉由新的產品組合，顧客得以提升產能、規模靈活性、安全與彈性，現在僅需數分鐘或數小時即可取得靈活的運算資源，毋須等待數月或數週，因此能夠在開發程序中達成更好的整體生產能力。
Cadence所推出雲端產品內容包括：
．自行建立並維護雲端環境的顧客現在可以利用Cadence雲端護照模型(Cloud Passport)，輕鬆存取Cadence雲端就緒工具及雲端式授權伺服器，享有高度可靠性。
．Cadence提供雲端代管設計(Cloud-Hosted Design)解決方案：這是建立在亞馬遜網路服務或微軟Azure上的EDA優化代管雲端環境，支援顧客的尖峰或整體設計環境。
．Palladium雲端解決方案：這是一套完全管理的模擬解決方案，可以搭配其他Cadence雲端服務產品同時布署，以減輕顧客的安裝及操作負擔。
Johnson指出，因應各種顧客的不同需要，Cadence雲端服務分為顧客管理與Cadence管理兩大類別。在管理解決方案方面，提供兩種軟體模式及一種硬體模式；就軟體部分而言，雲端代管設計解決方案最適合用於完整專案或整體設計環境，若顧客想要自行管理雲端環境，該公司也備有雲端護照模型，為這些顧客提供已經通過Google Cloud、Azure和AWS使用測試的雲端增強軟體。此外，顧客也可以利用合作夥伴網路，尋求有關設置與管理雲端環境的協助，稱之為「雲端護照合作夥伴計畫」。至於硬體部分，由於模擬需要用到Cadence自身的硬體，因此該公司是直接對顧客提供Palladium Cloud。
宋栢安補充說明，簡而言之，雲端護照的方案意指，客戶在購買或租用EDA工具後，可選擇像過往一樣，將EDA工具放在自身的運算設備中(Local)，或是將EDA工具放在雲端業者所提供的高速運算平台中。在此種服務模式下，益華依舊維持過往的商業模式，也就是單純的提供EDA工具，顧客若要進行雲端設計，須再與雲端業者租用雲端空間，再將EDA工具傳至雲端進行設計，只是在EDA上傳雲端的過程中，不須再經過Cadence的認證或許可等。
宋栢安進一步解釋，若是客戶覺得要進行雲端設計，必須同時跟兩間廠商(EDA業者和雲端業者)接洽太過麻煩，此時就可以參考Cadence的Cloud-Hosted Design服務。此種方式就是由Cadence去跟雲端業者洽談一個包裹式(Package)的解決方案，最終提供客戶整體雲端設計環境，省去客戶與雲端業者接洽的時間。
Johnson說明，雲端實際上並非單一物品或單一模型，實則為各種樣態的交付及相關商業模式，有些顧客希望自行設置並管理雲端環境，也有些顧客是希望取得實施合作夥伴或直接來自Cadence的協助，Cadence會依據情況與顧客研議，找出最適合的使用模式和授權模式。部分雲端商業模型的特徵，包括提升授權數量的可得性、縮短授權效期並提供鼓勵尖峰運算使用的價格。Cadence備有age多種授權選項，協助顧客達成希冀成果。顧客部署偏好各不相同，因此每種狀況也各有適合的商業模式。
宋栢安也指出，事實上，IC設計走向雲端發展，對於EDA業者而言，目前商業模式並沒有太大的變化；對於Cadence而言，客戶要在雲端或是自行建造的系統中運行EDA工具都沒問題，EDA業者目前仍是以供應EDA工具為主要營收方式。只是，隨著晶片設計複雜度漸增，加上目前有很多跨國企業，為了設計上的方便，開始採用雲端的設計方案(因為到任何地方都能進行設計)；為此，Cadence也須跟著與時俱進，推出相關解決方案。對Cadence而言，IC設計方式越來越方便，又能滿足短期、大量的生產需求，客戶的使用體驗增加後，便有意願購買更多的EDA工具，不僅會帶來營收上的好處，也有利於未來雲端生態系統的發展。
另一方面，除了EDA供應商之外，雲端業者也積極拓展與半導體產業的合作，進一步擴展雲端IC設計的生態系統。
卞志祥表示，IC設計、晶圓代工和封測等業者，對於高速運算的需求將持續增加。以晶圓代工業者為例，目前最大的核心商機是提供先進製程，然而，每個先進製程的躍進，皆伴隨著IC設計的變革，IC設計的邏輯、技術或是限制條件都會有明顯的改變。為此，晶圓代工便需要有大量的運算能力以強化其競爭力，一來是達到先進製程的設計，二來是提升良率，加快產品Time to market的時間。
卞志祥進一步說明，此外，隨著AI、5G、IoT等新興應用發展越來越快速，IC設計的時間和以前相比，也跟著縮短許多；過往可能兩年設計一顆IC，現在是一年到一年半就要設計完成，否則會跟不上應用變化。當大家都在比快的時候，對於運算的需求就會明顯增加，所以，IC設計結合雲端的趨勢也因而成形。
簡而言之，在半導體產業紛紛追求7奈米、甚至5奈米的先進製程，盼能提供更快速、低耗能的晶片與裝置之時，傳統的伺服器架構與規模很難支援如此大量的計算與暫儲空間，所以各大IC設計商、晶圓代工業者、EDA供應商等開始朝雲端發展。
有鑑於此，微軟與合作夥伴也針對半導體與智慧製造高度需求的高效能運算(High Performance Computing)，發表了HB/HC Series虛擬機器，探討如何利用HB系列虛擬機器與最新高效能運算服務，在19個小時內快速完成兩次7奈米製程的實體驗證，大幅縮短了IC設計廠商的上市時間，新型態的驗證節省了一倍的時間成本，透過Azure的高效運算，大幅提升產能，供應商將能更迅速地回應客戶的要求。
像是Mentor、AMD與微軟Azure和台積電攜手合作，在AMD EPYC處理器上以10小時內完成7奈米晶片的實體驗證。AMD的工程師透過使用台積電認證的Mentor, a Siemens Business Calibre nmDRC平台，在約10小時內完成了其7奈米晶片設計「Radeon Instinct Vega20」的實體驗證；此平台是在採用了由AMD EPYC處理器驅動的HB系列虛擬主機的微軟Azure雲端平台上執行。透過在微軟Azure雲端平台上執行台積電7奈米Calibre設計套件，儘管AMD的晶片中包含了高達132億個電晶體，也成功地在19小時內完成了兩次實體驗證，大幅縮短一般實體驗證所需時間。
IC設計上雲潮流起
綜上所述，AI、5G等創新技術和應用的興起，增加了晶片開發時程與複雜度，而為了解決此一困境，實現體積更小、效能更高且還具備低功耗的高性能晶片，需要更大量的運算資源和儲存空間。也因此，晶片開發結合雲端技術的趨勢開始湧現，半導體產業開始尋求以雲端作為IC設計平台，不僅可以實現高效運算，同時還能降低成本支出並保有設計時程彈性，IC設計邁向雲端儼然成為未來半導體產業的新潮流。
