IC设计业的变与不变

2020-09-25 14:00:43 来源: 半导体行业观察

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IC设计工作的未来是什么？AI会取代IC设计人员吗？这些是我最近参加的许多技术会议上反复提出的问题。每个有效的AI算法的基础都是由一群智能IC设计人员设计的电子芯片。具有讽刺意味的是，IC设计人员可能正在设计可能替代其工作的技术。如果属实，这是一个令人生畏的前景。但是，通过检查IC设计的过去和现在，我们可以认识到，今天的IC设计已经不是过去。综上所述，我们还可以意识到IC设计工作不太可能消失。但是，他们肯定会发生较大变化。

自动化，效率低下和需求

首先，行业中需要识别三种模式：自动化，效率低下和需求。首先，当今的IC设计人员正在使用大量的自动化技术。当今机器的仿真能力直接继承自昨天的竞争性IC解决方案。也就是说，过去的IC设计工作现在是自动化的。自动化的趋势使IC设计人员能够在综合体系中向上发展。现在，我们能够提供非常复杂的解决方案，因为我们正在利用创新的自动化技术。

其次，仍有许多IC效率低下问题尚未解决。例如，在RF设计中，通信还不是全双工的，天线仍然不在芯片内。如果这项技术得到发展，通信速度将提高一倍，RF模块将变得更小。诸如此类的技术问题仍然需要不断的创新和关注。

第三，自动化和低效率模式的结合产生了对聪明的IC设计人员解决未解决问题的巨大需求。我们已经知道如何设计20dBm PA，那么为什么不让机器为我们完成这项任务呢？自动化的过程为设计团队排查新问题留下了更多的时间和资源。对设计人员的需求将保持稳定，直到不再存在RF和IC效率低下的情况为止。此外，随着自动化技术的发展，由于消除了劳动密集型的工作，该领域的IC设计人员将拥有更多有趣的头脑风暴解决方案。从本质上讲，随着突破的出现，IC设计工作将不断被重新定义，这种转变也将延续到未来。

向过去学习

为了了解设计的发展轨迹，我采访了Silicon Labs的两位资深IC设计师。我们谈到了他们对IC设计的最早记忆，并仅凭回忆和观点而不是依靠随附的文档讨论了他们对行业未来的看法。

我与之交谈的第一位设计师是Silicon Labs的研究员。他分享的第一个见解是他设计的第一个电路是差分运算放大器和20阶开关电容滤波器。整个模拟芯片大约为30 mm2，规模为5,000个晶体管。相比之下，当今的芯片带有数以万计的运算放大器和滤波器，晶体管的数量可能在数亿个以上。当然，仅几十年来，我们就朝着更复杂的设计迈进了一步。我的同事还描述了设计师在刚开始他的职业生涯时可以使用的技术，并说了如何在带有绿色屏幕的Tektronix图形终端上完成布局，这实际上是一个很大的存储范围。终端没有颜色，但是设计人员使用了一层金属和一层多晶硅来进行布线。今天，设计人员可以访问许多层以进行布线以创建设备。如今，在布局中使用无色显示器听起来像是种“自杀”行为。

我听到另一位工程师的类似观点，他详细介绍了他在Tektronix显示器上的经验，解释了该显示器如何消耗约1kW，高约4'，具有永久图形的绿屏以及2个用于XY输入的指轮。指轮装置工作得很好，并且监视器由一条140kbps电缆驱动，该电缆被绑在地板上，从计算机中心室穿过大厅。他还告诉我，设计师过去常常在文本编辑器上键入网表。他们将从白板设计开始，为节点编号，然后输入网表进行仿真。当前，我们只能设计片上系统（SoC）IC，因为我们具有图形用户界面，使我们能够在模拟域中放置和检查数千个晶体管，而不必担心节点号或网表输入错误。

1980年代中期的另一个古老而有趣的IC传统是在芯片级。由于设计人员没有Layout vs Schematic Software（LVS），因此他们必须共同制作合理规模的纸张打印输出来创建网。该纸模拟包括两个或三个大约3'宽的打印输出，这些打印输出粘贴在地板或多个桌子上，以覆盖各个芯片的宽度。他们会从顶级网表逐个验证到每个区块网的每个引脚的连接性，然后用彩色铅笔标记每个网的“点亮”状态。尽管在当时的技术看来，这似乎是一个不错的解决方案，但它却不必要地重复和累人。

有趣的是，自动化和AI并不是IC设计的新知识，而是植根于过去。正如我们所看到的，IC设计人员一直依靠自动化来使流程的任务强度降低，但是现在系统比以往任何时候都更加复杂。但是，某些过程仍然只能由人的头脑来完成，例如模拟设计。模拟设计是确定设备尺寸并使用特定设备配置实现模拟功能的直观过程。尽管计算机可以帮助您进行数学运算和估算电路的工作点，但人的思维却更擅长直观，智能的设计。现在的问题是，人工智能的最新发展是否使机器足够智能以取代IC设计人员？

从这里，我们可以推测出一些结果。首先，这种复杂的设计原则的自动化应该被视为一件好事，而机器则应被视为人类思维的延伸。随着计算机变得越来越智能，人类有更多时间专注于新颖概念并达到新的里程碑。此外，自动化设计过程已经发生了数十年。在1980年代，我的一位长期设计师同事介绍了Bell Labs的一些工程师如何成

功地实现了运放和开关电容滤波器的自动化设计。他们本质上使用已知的拓扑，然后使用优化方法来选择组件大小。作为一名IC设计师，我喜欢这种选择拓扑结构背后的批判性思维，而不是优化组件所费力的工作，这使我感受到了自动化的便利。

人与机器：机器的可靠性如何？

我从同事那里学到的关于1980年代的故事表明，真正需要IC设计中的人类智能。例如，其中一个故事描述了贝尔实验室内部的一组数学专家如何进行一项有关应用约束并最大程度地减少进行优化所需的模拟轨迹的项目。为此，他们进行了带隙设计，目的是最大程度地减小PVT上输出电压的变化百分比和失配，同时将PSRR和功率保持在一定范围内。他们决定将优化的参数简化为mV变化，而不是百分比变化。几周后，他们带着演示文稿返回，并为他们将可变性降低了几个数量级而感到自豪，这在最初看起来非常美妙，有些难以置信。

我们应该将这次事件的结果归因于机器还是人类？人为制造的机器与人一样会犯错。这就是为什么在任何自动化过程的顶部始终需要人类观察者的原因。例如，当今的计算速度以指数级提高，这使我们能够运行芯片的所有可能的变体来确定其是否可以工作。尽管速度很快，但在此过程中并入一个真正的人可以保证检测到问题的可能性更高，尤其是在模拟系统中。因此，我坚信我们不能仅仅依靠机器来发现问题，因为问题可能会在机器中永久存在。我们必须接受人类是不完美的，而机器自然是不完美的。

我从过去挑选的故事突出了人与机器之间的对比。但是，随着研究人员和企业家对设计流程的自动化进行更多的实验，类似的情况继续发生。与过去相比，我推测未来自动化的发展将集中在更棘手的问题上，而这些问题甚至可能不在我们的视野中。

最初，工程师构建了更简单的系统，但承担了所有分析负担。提出新的设计并建立分析模型需要大量的精力。由于无法使用模拟器和其他自动化流程，工程能力仅限于数千个晶体管。幸运的是，随着技术的进步，我们可以在数小时内测试想法，而无需建立分析模型。例如，有更多的仿真带宽可以验证十亿个晶体管SoC的功能。

另一方面，随着复杂性的增加和芯片的体积越来越大，验证和验证周期也变得更长，因此更加费力。就像我的一位同事喜欢说的那样，我们花了10％的时间来提出聪明的主意，但是我们90％的时间只是在验证所说的主意。

演变：我们对就业市场有何期待？

回顾过去到现在的轨迹，可以为未来建立一个令人兴奋的可能性。更多的自动化为创造性和批判性思维开辟了时间。也许很快，机器将能够复制设计，甚至提出新的设计思路。机器也将参与繁琐的验证过程。这将为IC设计人员提供处理“有趣和令人兴奋的问题”的机会。尽管这些愿景是理想的，但我们不应该太渴望AI在不久的将来完全接管。第一步，AI可以开始自动进行平面规划，然后进行布局。然后，AI可以慢慢地爬向核心设计功能，从而为设计师提供更多的思维空间，让他们专注于新问题。

在IC设计工作方面，团队合作和协调将变得更加重要。设计团队不断壮大，以应付庞大的现代IC规模。工程师和工程职能部门之间的通信可能会占用更多带宽。如果我们要构建我们今天梦dream以求的大型系统，那么未来的IC设计人员将需要成为协作决策者。解决合作问题也将是一个教育和文化问题。STEM学生不仅需要技巧技能，还需要专注于软性和人际关系技巧，例如沟通，创造力，想象力和团队合作精神。当人类的思维在所有领域受到激发并与其他伟大的思维一起工作时，它就有能力产生强大的力量。

一位年轻的工程系学生曾经问我是否应该转行，从硬件工程转向软件开发。年轻工程师普遍关心的是市场上是否需要他们的研究领域。我对这个难题的回应是，始终鼓励学生自己了解市场，并了解如何为成功做好准备。因为激情决定职业满意度，所以我无法说出哪个工作更好或者哪个工作的薪水更高。这个旅程非常个人化。仅凭我的经验，我可以向对IC设计感到好奇的学生保证，由于许多问题需要解决，因此对其技能的需求不会很快消失。不同之处在于，由于AI和自动化的加入，未来的问题类型可能会根本不同。但是，我非常希望我们进入一个人类与机器可以和谐协作的未来。

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