用全定制芯片設(shè)計方法設(shè)計礦機芯片

作者 / 迎九 毛爍 《電子產(chǎn)品世界》編輯

摘要：在日前廈門海滄舉行的“2018集微半導(dǎo)體峰會”的“AI/5G論壇”上，礦機(區(qū)塊鏈服務(wù)器)及其芯片的黑馬——深圳比特微電子有限公司的董事長、總經(jīng)理兼CTO楊作興博士登臺，介紹了新的全定制設(shè)計方法，并稱采用該方法設(shè)計的16nm區(qū)塊鏈芯片BT1800，與競品相比，功耗和成本均降低了50%左右。該芯片用于9月19日發(fā)布的神馬M10礦機，算力指標(biāo)是33T到35T。

　　比特微的全定制芯片非常高效，希望這種設(shè)計方法學(xué)可以推廣至其他芯片設(shè)計領(lǐng)域，例如AI領(lǐng)域。

1 新的“全定制設(shè)計方法”

　　全定制設(shè)計不是新方法，其誕生于20世紀(jì)八九十年代，后來被興起的EDA工具所掩蓋。

　　其實，仍然有些公司在用全定制設(shè)計方法學(xué)，例如高通、蘋果等公司的手機芯片也許還在采用這種方法，但很少對外界說。

　　全定制有幾個特點。圖1上半部分是業(yè)內(nèi)通常采用的芯片設(shè)計流程，方法是由高級語言寫代碼，還有代工廠單元庫，綜合成門級網(wǎng)表，然后做自動布局，然后再用工具生成時鐘，之后再布線，形成GDS。

　　全定制設(shè)計有三個不同地方，如圖1下半部分。

　　第一是不用代工廠的單元庫，用自己的單元庫。為什么用自己的單元庫?因為代工廠的單元庫是面向所有客戶的，要考慮所有應(yīng)用的范圍，所以在一些局部特殊的場景下，可能在面積、功耗、速度方面不是最優(yōu)的。

　　第二邏輯綜合?，F(xiàn)在又重新回到手動寫門級網(wǎng)表的時代。

　　第三是看似最笨的一件事情，就是手動布局。很多人會覺得這比較瘋狂，因為做PCB(印制電路板)的時候，有幾塊芯片、幾百個電阻電容，對它們可以進(jìn)行手動布局;但是在芯片里，在幾千萬個單元器件的情況下，有誰會傻到用手動去布?但是有些時候不可能的事情其實是有可能的，比特微進(jìn)行了手動布局，用自己的庫手動寫門級網(wǎng)表，稱之為“全定制設(shè)計”。當(dāng)然還有比這更極端的，據(jù)說高通公司能夠做自己的PDK MODEL，是除了代工廠之外能夠自己做PDK MODEL的公司!

2 全定制的優(yōu)勢

　　比特微做了三個實驗，可以說明全定制好在哪里。

　　第一個實驗是2011年做的900MHz RFID TAG(射頻識別標(biāo)簽)芯片，它有一個重要特征：是無源的，所有的能量來自電磁波，從空中吸收電磁波。此時還不是全定制設(shè)計，楊作興博士只做了一件事：把幾千門的邏輯手動地寫下來。結(jié)果功耗優(yōu)化了5倍，功耗×面積優(yōu)化比例達(dá)到了11倍。

　　第二次實驗是在2015年(當(dāng)時做了一個28nm的BTC(比特幣)芯片。之前的APR方法做出來的功耗是513 W，友商全定制的方法達(dá)到了300 W，功耗×成本優(yōu)化比例達(dá)到了4.28倍。采用比特微的全定制方法設(shè)計后，與APR方法相比，同樣的功能、工藝下，功耗和成本減少了一半，功耗×成本優(yōu)化了11.88倍。

　　第三次實驗是在兩年后的2017年，在16nm上嘗試BTC的芯片應(yīng)用。比特微又把功耗優(yōu)化到了65 W，功耗×成本優(yōu)化比例達(dá)到了5.54倍。

3 如何實現(xiàn)全定制設(shè)計?

　　這里有四個關(guān)鍵點：單元庫，手動布局，時鐘，手動門級網(wǎng)表。

　　單元庫。比特微做的庫的功耗、面積、速度有很大優(yōu)勢。但是有些很特殊應(yīng)用環(huán)境，如果處理不好會出問題。比特微的庫從28nm到16nm，做了所有的庫。

　　手動布局。一般APR方法是做到50%~70%，在比特微全定制里最好的記錄是能做到97%。因為在比特微的設(shè)計里，每個地方都是寸土尺金，不能讓版圖里有空檔。

　　時鐘。傳統(tǒng)設(shè)計方法是SKEW越小越好，但是在全定制里是反過來——所有的寄存器不能在同一個時鐘相位工作，需按照一定的規(guī)劃錯峰執(zhí)行，這樣在功耗和速度方面會有很大的好處。

　　門級網(wǎng)表。需要前后端耦合在一起設(shè)計，其難度較大。因為傳統(tǒng)的芯片設(shè)計是邏輯設(shè)計和物理設(shè)計分開做，各部門存在一定的隔閡。例如寫代碼的人不知道最終單元器件是什么樣，不知道自己的作品最終是什么樣。后端工程師也不知道這個功能是怎么一回事。而全定制設(shè)計在寫代碼的時候要知道你所寫的器件的面積、功耗、速度是不是唯一的，如果不是唯一的，要問一下有沒有更好的選擇。在設(shè)計一個器件的時候，需要考慮你需要跟誰連，線有多長，它的速度是多少，功耗是多少，會不會不平衡等問題。

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第11期第17頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。