在IC设计中,电路仿真是指用数学方法来模拟电路的工作行为,是电路功能与性能验证的最核心手段。自70年代电路仿真器被发明以来,一直是EDA领域的核心关键产品,更是EDA市场的兵家必争之地。但因电路仿真的技术复杂,算法复杂度高,技术突破极其困难,市场一直都被国际EDA三巨头公司牢牢占据。
近年来,随着工艺的发展和设计复杂度的增加,IC电路规模越来越大,SPICE仿真工具遇到了前所未有的挑战,也给本土EDA带来了破局的机遇,领头羊华大九天自2009年创立伊始就瞄准了电路仿真这颗“EDA皇冠上的珍珠”。立志要攻克电路仿真的核心技术,让中国的仿真器能够与国际巨头同台竞争。经过4-5年的技术积淀、团队攻坚,华大九天初步奠定了自主仿真器的核心架构和技术引擎基础。2016年,华大九天创新地发明了智能矩阵求解技术(Smart Matrix Solver),一举突破了超大规模电路仿真验证性能和容量的瓶颈,相比市场主流产品取得了3倍以上的性能优势。七年磨一剑,华大九天自主创新的仿真器Empyrean ALPS终于破茧成蝶。在半导体工艺发展到16nm/7nm之后,传统的设计仿真验证形态已无法满足客户的实际设计需求,华大九天再次提出基于GPU-CPU异构硬件系统开发新的SPICE算法。2018年华大九天正式推出业界首款异构并行仿真系统Empyrean ALPS-GT,基于大算力异构平台和独创的异构智能矩阵求解技术SMS-GT,极大地提升了电路仿真的性能,保持100% True SPICE精度,性能相比CPU架构的SPICE提升了10+倍。ALPS-GT的推出,解决了FastSPICE及引入FastSPICE技术的SPICE精度不够,而传统SPICE及并行SPICE性能和容量又不够的问题。华大九天的仿真器与国际巨头仿真器相比到底性能如何?近日,国外著名媒体EDA论坛DeepChip发表了IC工程师亲测的几款主流仿真器性能对比,华大九天ALPS仿真器与知名EDA巨头的FineSim/PrimeSim/Spectre-X对比,可达2.7-38.4倍提速!性能卓越,深受IC设计者喜爱!
实际上,华大九天ALPS仿真器已经连续数年荣登DeepChip论坛特定领域最佳仿真器的殊荣,DeepChip论坛的模拟IC设计工程师中有不少使用过ALPS的仿真器,他们对ALPS的表现都很满意,DeepChip网站刊登了来自工程师们的反馈。
2022年DeepChip基于工程师们的反馈,将基于CPU-GPU平台的异构仿真系统Empyrean ALPS-GT和Mentor AFS-XT、AFS 和Cadence Spectre APS进行对比的报告进行了汇总,工程师们的结论是:ALPS在保持相同精度的情况下,Empyrean ALPS-GT 相比Mentor AFS-XT 仿真器有1.5倍的提速效果、相比Mentor AFS仿真器有3倍的提速效果、相比Cadence Spectre APS仿真器有3倍的提速效果。即使在没有使用GPU加速的情况下,ALPS仿真器在速度上仍然超越了CDNS/SNPS仿真器。在保持精度的情况下:Empyrean ALPS相比Spectre系列的仿真器平均快了1.5-4倍。而相较于HSPICE仿真器则达到2倍的提速效果。也就是说ALPS在确保精度正确的情况下,显然是这四款中最快的仿真器。
在模拟工程师所共同关注的仿真器领域,DeepChip特别转载了一位业内资深IC设计者的来信。该博友这两年一直高度关注DeepChip论坛中仿真器领域的博文。鉴于其在IC项目中的实际应用需求,和众多DeepChip的忠实工程师博友一样,特别希望能找到一款高性能的仿真工具,来加强设计迭代的效率、有效缩减设计周期。在研究了各类仿真器后,其在设计项目中应用并记录了业内常用的几款仿真器的使用效果。其来信分享了在先进工艺下的工程经验,也为论坛的其他工程师带来一些最新的业内实例参考。在基于5nm先进工艺设计的高速混合信号芯片设计中,通过比对,该博友最终选择使用了ALPS仿真器。设计包括了高速分频器模块,仿真采用标准SPICE输入/输出。从几款仿真器的实际应用中总体来看,ALPS精度正确,且对前仿和后仿都具有一定加速性能,特别是ALPS后仿真的容量也很可观。例如在此款高速芯片的后仿真中,在保持“高”精度级别设置,没有进行RC约简的情况下, ALPS能得到相比Cadence Spectre-X的2.9倍提速,相比Synopsys FineSim得到12倍提速,相比Synopsys PrimeSim得到1.9倍提速,对比了仿真结果,Empyrean ALPS是唯一能在3小时内完成此款芯片后仿真的仿真器,显然ALPS是以上所有仿真器中的最优选!这意味着设计师可以基于完全精确的RCC数据,每天开展至少超五次的电路设计迭代。该博友表示,这样的设计效率对IC从业者的工作非常有帮助!如果使用ALPS仿真器的GPU加速版本,这样的效率提升还能再提升3倍!也就是说在保持后仿真精度的情况下,Empyrean ALPS GPU相比下表内Synopsys与Cadence的几款仿真器有平均8.6-38.4倍的提速效果。以下是在“高”精度的设置下,应用各仿真器的具体运行时间:
鉴于这样仿真效率,该博友在工程上首选具备了卓越仿真效率的ALPS仿真器系列。其表示在5nm先进工艺的高速芯片后仿真中,在精度满足的情况下,充分体验到了ALPS的超群性能。由于ALPS的后仿真中性能优异,网表提取相对便捷,他表示会持续使用ALPS仿真器。
在另外一位博友的来信中,他反馈在5nm先进工艺的IC设计中,经过性能比对,最终选择了华大九天ALPS系列仿真器用于项目设计。其选取一个大约包含1万个晶体管器件、90万个电阻以及60万个电容的模块作为参照电路。仿真结果表明,在使用多线程并行仿真后,在相同的仿真精度的设置下,ALPS仿真器的速度是Cadence Spectre-X的2.7倍;是Synopsys PrimeSim的7.3倍;是Synopsys FineSim的12倍!总的来看ALPS在确保精度正确的情况下,较排名第二位的仿真器足有超一倍的速度提升!而Synopsys PrimeSim因仿真结果的误差值,甚至没有得到正确的仿真结果。
所以该博友在日常工作中,通常使用ALPS及ALPS-GPU来对模拟电路进行仿真,其尤其称赞到ALPS系列仿真器内置的“智能矩阵解算器”技术。在支持高效电路版图后仿真的同时,也能适配不同电路设计类型以及不同的制造工艺节点,使工程师开展电路联调变得高效与便捷。他认为ALPS以及ALPS-GPU仿真器是其模拟电路分析的最佳选择,并且由于ALPS良好的平台兼容性,可以在Cadence的整体模拟设计系统中无缝连接与切换。该博友已经在大力向其公司的其他同事推荐ALPS和ALPS-GPU仿真器。本次来信也是将他自己的心得与体会向更多业内工程师朋友进行分享。DeepChip论坛是国际知名的EDA工具开发/使用线上交流论坛,至今已拥有近30年的历史。包括IBM, Apple,TI,三星,华为等在内的诸多国际著名半导体企业都是DeepChip论坛的资深企业会员,并定期为其投稿。在2017年,DeepChip论坛共上线了约120篇技术文章,平均每篇文章拥有约22000次阅读次数,在业界持续发挥影响力。
华大九天ALPS仿真器曾连续三年被该论坛评为“全球最佳电路仿真产品”,早在2018年的DAC 会议上,华大九天电路仿真器ALPS就被《DeepChip》评选为 “Best of 2018”,这是我国自主研发的电路仿真器第一次站上了世界舞台的中央。《DeepChip》主编John Cooley在评论中写道:SPICE领域的战争已沉寂多年,Cadence一直是这个市场的主力军……,直到2018年一个重大的转折出现,华大九天的ALPS产品成为众多用户心中的最佳仿真器。在随后的2019年和2020年,华大九天仿真器ALPS和ALPS-GT再接再厉,连续获得《DeepChip》2019和2020年度仿真领域全球最佳,成为我国唯一一家获此殊荣的EDA提供商。在国内,华大九天仿真器也获得各种好评,入选《2022年工业软件优秀产品名单》。
近几年,随着国家和资本的支持,本土EDA蓬勃发展,相信不久的将来,本土EDA将异军突起,成为助力本土半导体腾飞的主力!
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