持续赋能专用计算，芯易荟EDA技术市场双突破

一个时代有一个时代的架构。

PC时代以CPU为王，智能手机时代多媒体与图形渲染需求增加，CPU和GPU的重要性逐渐平衡。而到了如今的智能汽车和云计算时代，AI计算需求大增，通用处理器演进遇到了瓶颈，芯片功耗和成本急剧上升，同时单核性能极限，多核架构性能提升也变得越来越慢。

那么，面向AI时代的计算架构将是怎样的呢？

2017年，图灵奖获得者John Hennessy与David Patterson在其“计算机体系架构的黄金年代”主题演讲中指出，由于目前通用计算的性能瓶颈，需要面向不同应用场景开发针对性优化的架构，他们给出的解决方案是DSA——即特定领域架构，一种针对特定领域定制的架构设计的方法论，能够用于加速某些应用程序，实现更好的性能和性价比。

尤其是在当前摩尔定律放缓的势头下，DSA更是成为一种持续提升处理器性能的重要技术理念。很多公司开启了DSA的实践，推出了针对特定领域应用的DSA处理器，包括NPU、TPU、DPU、DSP等各种“XPU”应运而生，尽管这些芯片类别和适用领域都有所不同，但其作为专门为AI任务和特定领域需求而生的新芯片，都有着比通用计算功耗低、计算性能高、成本更低等诸多优势，有望在AI时代发挥更大的价值。

市场发展趋势在为DSA处理器应用场景提供了更多可能性的同时，也对芯片研发的效率提出了更高的挑战。

另一方面，处理器设计生成趋势和芯片SoC设计趋势的不断演进，也给传统工具提出了新要求，带来了新挑战。但是，处理器设计方法在几十年前，经历了输入层次不断提高，从手工版图输入，到原理图，再到RTL（寄存器传输语言）输入层次的提升以后，近三十年受限于工具技术的限制，陷入了停滞。

另外，SoC芯片项目设计流程已经演化到了Top integration流程，不仅是物理IP，数字功能模块也更多的采用调用现成IP进行整合的方式。当前应用多样化催生了专用处理器的需求，但IPSoC的流程却无法满足一款定制芯片的快速上市。其中一种可能的解决方案就是快速IP生成和迭代，快速生成可用的功能模块，既不牺牲IPSoC流程的便捷高效，也能满足DSA的市场需求。

在技术演进和市场趋势下，传统EDA工具存在费人、费时、费钱且风险大等诸多问题。因此，芯易荟在去年推出了一款赋能专用计算、具有颠覆性创新的EDA软件工具——FARMStudio，旨在快速生成专用处理器，成倍提升处理器设计效率，帮助客户加速产品迭代。

近日，在IIC上海（国际集成电路展览会暨研讨会）期间，芯易荟再次接受了半导体行业观察等媒体的采访，围绕一年来其产品应用进展、技术迭代和优化等方面进行了总结分享，以及在当前行业发展现状和趋势下，芯易荟如何更好地顺应需求，赋能客户，引领行业。

FARMStudio，价值优势凸显

先简要回顾一下芯易荟的FARMStudio EDA工具，这是一款以C语言描述，基于RISC-V基础指令集的专用处理器生成工具，针对密集计算和复杂数据处理的应用场景，赋能工程师自由探索计算架构，优化PPA，快速收敛至最佳设计。

该工具可广泛应用于定制针对视觉、AI、通信、音频、DPU、工业控制等领域的处理器解决方案助力芯片设计公司高效自研IP。内嵌面向丰富应用场景的DSA设计范式，便于客户快速集成、优化和验证DSA处理器，突破传统IP能效上限并以更低的成本适应算法与产品的持续迭代。

据芯易荟研发副总裁张卫航介绍，FARMStudio工具具有几大特征：

·  全球首创的基于C语言定制指令的软硬件一体化设计方法学；
·  基于RISC-V基础指令分钟级自动生成DSA处理器和配套工具链的敏捷化设计；
·  基于X86、仿真器、RTL、FPGA为一体的多层级验证平台；
·  高度自动化、高度定制化，达到最佳PPA。



FARMStudio基于C语言定制指令的创新型技术，使得用C语言进行定制指令犹如写一个C函数一样方便。即使是一个没有深入处理器设计技术的软件设计人员，想要用FARMStudio来进行处理器设计，达到软硬件协同优化和多层次验证也成为了可能。

而对于硬件敏捷设计和流程规范，张卫航指出，敏捷设计在软件设计行业取得了巨大的成功，目前硬件设计上的敏捷化趋势也非常明显。RISC-V发明人之一在2016年一篇文章中对RISC-V硬件设计的敏捷原则进行了总结：改进工具和生成器胜过对设计实例的改进；快速相应变化和随时提供不完善但可制造的完整设计；最后一点是对团队的要求，相信硬件设计敏捷化是提高硬件工程项目效率，面对未来复杂变化的应用的最有效途径。

从行业现状来看，随着芯片规模和制造成本的快速上升，芯片项目的决策往往不能等到芯片开发完成，最好是能够在预研阶段就能根据应用需求做好软硬件划分和验证，去实际评估最终能否达到性能需求。

因此，相较于传统设计流程中的决策往往伴随着较大的不确定性，芯易荟的FARMStudio升级了设计流程，基于其并行化设计、超级指令定制和迭代工作流程，通过将“软硬协同、设计优化、验证”等流程左移，以及该工具分钟级的快速响应，以此来帮助客户降低决策风险，加快客户研发速度。



芯易荟CEO汪达钧强调，面对传统处理器设计模式存在的难点和挑战，需要进行设计方法学上的创新，通过改变设计模式以及设计语言来解决软硬件衔接等痛点。FARMStudio工具的推出，让这一理念得以实现与突破。

据悉，FARMStudio推行的FARM设计方法学就是把运算效率和设计效率有机结合，即将上层软件到底层硬件的每一步的算法设计全部融合，真正实现处理器软件和硬件的一体化设计，让算法、软件、硬件、验证工程师能够在同一个开发环境里根据应用需求快速定制开发产品。

FARMStudio，技术市场“双突破”

自2023年4月FARMStudio工具推出以来，已经取得了一系列进展和突破。

张卫航从技术角度向笔者表示：“FARMStudio作为一个新兴工具，会持续进行新功能的优化和投入。”

在优化方面，FARMStudio核心部件上增加了一些更优秀的功能，比如“DIO”功能，即核间直接通信，能更好的实现单核扩展到多核之间的信号通信功能。

当前，随着同构多核逐渐发展，通过核的堆叠提升计算性能遇到严重挑战。异构多核凭借可大幅提升计算效能、降低产品开发门槛、差异化创新以及生态构建等优势已成为解决计算与效能瓶颈的主流技术之一。

也是为了顺应这一趋势，芯易荟在FARMStudio设计工具中增加多核设计模式，提供“异构多核处理器及子系统定制”服务。针对计算密集型应用领域，芯易荟可适配不同应用场景、不同性能需求定制异构处理器，设计定制指令集，此外系统还支持各类主流多核系统核间交互机制。凭借FARMStudio的这些强大功能，芯易荟可为客户提供异构多核子系统设计、集成、原型交付等多种服务。

作为突破技术之一，芯易荟未来计划把多核设计、DIO通信技术整合到FARMStudio中，支持用户描述多核配置，核间互连实现，共享内存空间等参数。工具自动进行多核心软硬件包生成，并支持一键应用异构编译，一键多核应用部署等功能。

同时，芯易荟还推出异构多核心设计验证平台（FTOS）：

·  指令定制调用的异构多核核心直连模块（DIO)
·  简洁高效的多核配置描述方案
·  基于X86 C的多核功能开发验证支持系统
·  基于FARMC自动生成的多核虚拟仿真器（SystemC based）
·  支持异构多核自动生成与部署的RTL/FPGA 验证系统



综合来看，作为一个EDA工具来说，FARMStudio不仅提供了一个处理器的生成工具，能生成处理器IP包，更重要的是会扩展到面对整个应用的开发调试功能上。据了解，这个全新的多层次开发及验证平台也会很快在后续的FARMStudio版本中进行整合，提供给用户进行使用。

这个平台的一大特点是它提供了一个全自动化的运行和结果比对环境。作为应用开发者，可以随时在不同的DUT平台进行切换，查看应用在不同层级之间的行为。也可以直接将应用丢给这个平台，让其直接在不同的平台进行结果比对，报告出不同平台出来的运行和分析结果。

云虚拟FPGA，新升级！

另一方面，随着市场需求的不断提升，易用性成为客户非常注重的关键因素。

对此，升级“云虚拟FPGA”功能，让验证更便捷，成为FARMStudio工具的另一大突破点。



张卫航表示，“FPGA的部署对应用开发工程师和架构工程师来说不够便利，仍需采购部署板卡及配置各种外设等多种操作。芯易荟推出的‘云虚拟FPGA’功能将更加友好，用户在设计好处理器以后，可以直接在我们的平台上直接进行应用开发及板级验证。”

芯易荟开发的“云虚拟FPGA”除了支持云上FPGA烧写、调试，UART虚拟终端实时查看log等基础功能以外，还提供了操作系统级虚拟接口。用户在云虚拟FPGA上运行的应用软件，可以直接访问本地系统上的文件和音视频设备，可有效避免硬件调试，驱动等相关问题，最大程度提升用户开发效率。

据介绍，上述这些功能都可以在FARMStudio的FTOS系统上虚拟完成，从而支持工程师进行一站式的设计、验证并进行处理器功能及性能指标的探索。得益于“云虚拟FPGA”这一亮点功能，FARMStudio也成为从处理器设计到应用开发验证全流程设计平台，助力用户方便快捷进行软硬件协同开发，提升工作效能。

处理器IP，新进展！

除了技术上的优化迭代之外，在商务和市场层面，芯易荟在过去一年来也取得了较多进展。

芯易荟市场总监徐明表示，FARMStudio工具在去年4月份发布以后，已经有一些客户基于这个工具和我们做了联合开发。

在这个过程中，芯易荟打造了一系列通用IP产品，且不断有客户通过FARMStudio进行IP定制化设计，以及与客户联合，基于FARMStudio深度合作开发的IP。目前，芯易荟已针对工业控制领域发布E32 DSP系列IP，包括E32B（基础配置）、E32F（浮点应用）、E32AI（AI应用）等不同分支，全方面展示FARMStudio这一工具的核心优势，方便客户根据需求去做精细化的选择。

需要强调的是，这些IP都是从芯易荟FARMStudio工具直接生成的，工具和IP相辅相成。此外，对应这一系列IP，芯易荟还提供了相关的软件包、基础数学库，高级浮点数学库、支持AI的部署工具等附加功能，支持加速客户软件开发，减少代码的移植成本。

从客户的应用方向来讲，目前FARMStudio应用领域已覆盖率工业控制、多媒体、网络处理等诸多方向。对于更多应用领域的标准IP布局，徐明说：“芯易荟同时也在研发针对不同领域的其它DSP系列，如通信、AI、互联网、音频、视觉处理等多个领域，未来将有更多针对不同领域的IP系列产品陆续推出。”

综合来看，作为一款以C语言描述，基于RISC-V基础指令集的专用处理器生成工具，FARMStudio知识产权自主，助力客户高效积累自研IP是其核心竞争力所在。借此优势，FARMStudio得以降低工程师使用门槛，提升工程师技能树能级，自由探索架构，分钟级优化硬件。

如今，随着云虚拟FPGA、FTOS多层次开发及验证平台等功能的愈加完善，以及各类IP标准的推出，FARMStudio进而成倍提升芯片设计效率，加速产品迭代速度，更好为产业客户助力赋能。

对于后续FARMStudio的升级及拓展，汪达钧表示，应用层面会持续拓宽，如后续会支持TinyML等特殊算力需求的应用；同时不断加强技术深度，同时降低功耗，达到单位面积的算力最高及功耗最低的目的。

国产EDA，迎来发展黄金期

从过去几年行业态势来看，国产EDA基本完成了从0到1的补链过程，接下来如何更好地建立国产全流程EDA工具链？尤其是对于芯易荟这样的颠覆性创新EDA工具而言，怎样建立一个国产EDA的生态？

汪达钧表示，近年来我们会持续关注在生态方面的布局，其中重要的一部分是“大学计划”。芯易荟制定了一系列的大学培训计划，甚至客户在使用工具之前还会到芯易荟公司参加培训。

“我们会把工具放在一个评估环境里，让客户使用后看看能够得到什么样的结果。” 汪达钧说到，这种试用不单在客户层面，也会在学校和研究机构层面推出，从各个角度、维度来培养用户对国产EDA工具、对于芯易荟EDA工具的理解。

此外，对于知识产权的保护，芯易荟也在建立各种各样的规则。在参与全球市场竞争，争夺市场话语权的同时，也体现了芯易荟前瞻性的国际视野，促进创新研发力度，实现有关“根技术”颠覆性突破。

随着芯片设计的复杂程度不断提升，EDA已经渗透到芯片设计生产的各个环节，EDA与产业链结合愈加紧密，已经成为提高设计效率、加速技术进步的关键推手。

对于当下及未来的市场发展，芯易荟强调：“异构多核是我们比较明确的发展方向。中国芯片行业竞争激烈，FARMStudio提供给客户的赋能就是整个架构的设计支持自定义，指令集或者指令功能可以自定义，从而为客户提供差异化的竞争。未来，芯易荟将依旧坚持‘设计工具’与‘IP’两条腿走路。”

以小见大，随着芯易荟等本土EDA创新突围，结合更多产业政策加码，以及相关技术和产业链日益成熟，助推国产EDA步入发展黄金期。