用全定制芯片设计方法设计矿机芯片

作者 / 迎九 毛烁 《电子产品世界》编辑

摘要：在日前厦门海沧举行的“2018集微半导体峰会”的“AI/5G论坛”上，矿机(区块链服务器)及其芯片的黑马——深圳比特微电子有限公司的董事长、总经理兼CTO杨作兴博士登台，介绍了新的全定制设计方法，并称采用该方法设计的16nm区块链芯片BT1800，与竞品相比，功耗和成本均降低了50%左右。该芯片用于9月19日发布的神马M10矿机，算力指标是33T到35T。

　　比特微的全定制芯片非常高效，希望这种设计方法学可以推广至其他芯片设计领域，例如AI领域。

1 新的“全定制设计方法”

　　全定制设计不是新方法，其诞生于20世纪八九十年代，后来被兴起的EDA工具所掩盖。

　　其实，仍然有些公司在用全定制设计方法学，例如高通、苹果等公司的手机芯片也许还在采用这种方法，但很少对外界说。

　　全定制有几个特点。图1上半部分是业内通常采用的芯片设计流程，方法是由高级语言写代码，还有代工厂单元库，综合成门级网表，然后做自动布局，然后再用工具生成时钟，之后再布线，形成GDS。

　　全定制设计有三个不同地方，如图1下半部分。

　　第一是不用代工厂的单元库，用自己的单元库。为什么用自己的单元库?因为代工厂的单元库是面向所有客户的，要考虑所有应用的范围，所以在一些局部特殊的场景下，可能在面积、功耗、速度方面不是最优的。

　　第二逻辑综合。现在又重新回到手动写门级网表的时代。

　　第三是看似最笨的一件事情，就是手动布局。很多人会觉得这比较疯狂，因为做PCB(印制电路板)的时候，有几块芯片、几百个电阻电容，对它们可以进行手动布局;但是在芯片里，在几千万个单元器件的情况下，有谁会傻到用手动去布?但是有些时候不可能的事情其实是有可能的，比特微进行了手动布局，用自己的库手动写门级网表，称之为“全定制设计”。当然还有比这更极端的，据说高通公司能够做自己的PDK MODEL，是除了代工厂之外能够自己做PDK MODEL的公司!

2 全定制的优势

　　比特微做了三个实验，可以说明全定制好在哪里。

　　第一个实验是2011年做的900MHz RFID TAG(射频识别标签)芯片，它有一个重要特征：是无源的，所有的能量来自电磁波，从空中吸收电磁波。此时还不是全定制设计，杨作兴博士只做了一件事：把几千门的逻辑手动地写下来。结果功耗优化了5倍，功耗×面积优化比例达到了11倍。

　　第二次实验是在2015年(当时做了一个28nm的BTC(比特币)芯片。之前的APR方法做出来的功耗是513 W，友商全定制的方法达到了300 W，功耗×成本优化比例达到了4.28倍。采用比特微的全定制方法设计后，与APR方法相比，同样的功能、工艺下，功耗和成本减少了一半，功耗×成本优化了11.88倍。

　　第三次实验是在两年后的2017年，在16nm上尝试BTC的芯片应用。比特微又把功耗优化到了65 W，功耗×成本优化比例达到了5.54倍。

3 如何实现全定制设计?

　　这里有四个关键点：单元库，手动布局，时钟，手动门级网表。

　　单元库。比特微做的库的功耗、面积、速度有很大优势。但是有些很特殊应用环境，如果处理不好会出问题。比特微的库从28nm到16nm，做了所有的库。

　　手动布局。一般APR方法是做到50%~70%，在比特微全定制里最好的记录是能做到97%。因为在比特微的设计里，每个地方都是寸土尺金，不能让版图里有空档。

　　时钟。传统设计方法是SKEW越小越好，但是在全定制里是反过来——所有的寄存器不能在同一个时钟相位工作，需按照一定的规划错峰执行，这样在功耗和速度方面会有很大的好处。

　　门级网表。需要前后端耦合在一起设计，其难度较大。因为传统的芯片设计是逻辑设计和物理设计分开做，各部门存在一定的隔阂。例如写代码的人不知道最终单元器件是什么样，不知道自己的作品最终是什么样。后端工程师也不知道这个功能是怎么一回事。而全定制设计在写代码的时候要知道你所写的器件的面积、功耗、速度是不是唯一的，如果不是唯一的，要问一下有没有更好的选择。在设计一个器件的时候，需要考虑你需要跟谁连，线有多长，它的速度是多少，功耗是多少，会不会不平衡等问题。

　　本文来源于《电子产品世界》2018年第11期第17页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。