對(duì)現(xiàn)有EDA供應(yīng)商來(lái)說(shuō)，多核處理器的出現(xiàn)為他們平添了“幾分歡喜幾分愁”。

歡喜之處在于，隨著晶體管數(shù)量在65nm及更小工藝下飆增，多核平臺(tái)能提供更多必需的計(jì)算能力。但是，傳統(tǒng)的應(yīng)用軟件很難、甚至根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)并行處理，所以這些公司必須投入大手筆對(duì)軟件進(jìn)行重寫(xiě)，而這樣做直接導(dǎo)致了65和45nm節(jié)點(diǎn)工具的推遲上市。也正因?yàn)槿绱?，?dāng)前的市場(chǎng)天平開(kāi)始向新一代EDA初創(chuàng)公司傾斜。

在近日于美國(guó)圣地亞哥舉行的設(shè)計(jì)自動(dòng)化會(huì)議(DAC)上，對(duì)多處理和多核平臺(tái)的支持是一個(gè)被反復(fù)討論的話(huà)題。特別地，DAC上的多線(xiàn)程和多核支持重點(diǎn)針對(duì)靜態(tài)時(shí)序分析、模擬/混合信號(hào)仿真和設(shè)計(jì)規(guī)則檢查(DRC)。而事實(shí)上，本次會(huì)議上也出現(xiàn)了數(shù)家EDA新創(chuàng)公司的面孔。

新創(chuàng)公司CLK設(shè)計(jì)自動(dòng)化公司推出的Amber，是一款多線(xiàn)程增量時(shí)序和信號(hào)完整性分析工具，據(jù)稱(chēng)在多核平臺(tái)上幾乎能獲得呈線(xiàn)性的加速。統(tǒng)計(jì)時(shí)序分析方面的新興公司Extreme DA，推出的則是多線(xiàn)程靜態(tài)和統(tǒng)計(jì)時(shí)序分析器GoldTime。而Averant公司最新的Solidify 5.0，則為該公司的形式分析工具增添了多CPU處理能力。

Nascentric公司在DAC上預(yù)展了AuSim MT，即一款針對(duì)多核平臺(tái)的多線(xiàn)程快速Spice仿真器;新創(chuàng)企業(yè)Xoomsys公司展出的是一款即將推出的、可運(yùn)行在聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)或多核CPU上的快速 Spice仿真器——XoomCKT;而Tanner EDA公司則演示了其T-Spice電路仿真器的多線(xiàn)程功能。

大型EDA供應(yīng)商自然也不能忽視。Magma設(shè)計(jì)自動(dòng)化公司已經(jīng)為其Quartz DRC工具套件推出一種“基于流式數(shù)據(jù)流的架構(gòu)”，據(jù)稱(chēng)可優(yōu)化Quartz DRC在多核CPU和多處理方面的性能。

對(duì)65nm和45nm設(shè)計(jì)工具來(lái)說(shuō)，多核/多處理器運(yùn)行是必需的，Gary Smith EDA公司首席分析師Gary Smith指出。“如果EDA工具本身就具有并行機(jī)制，”他說(shuō)，“那么通常情況下增加多核功能只要直接升級(jí)就可以了;否則，就要進(jìn)行大量的改寫(xiě)，這通常要花三年左右的時(shí)間。現(xiàn)在有許多工具都處在改寫(xiě)進(jìn)程進(jìn)行了一半的狀態(tài)，這也就解釋了為何我們?cè)?5/45nm工具方面落后了兩年。事實(shí)上，這是EDA產(chǎn)業(yè)界的大問(wèn)題。”

F1：AuSim MT在兩個(gè)SRAM供應(yīng)商的設(shè)計(jì)中進(jìn)行測(cè)量比較，證明多線(xiàn)程速度取決于電路結(jié)構(gòu)。

“對(duì)下一代物理實(shí)現(xiàn)工具來(lái)說(shuō)，如果要跟上摩爾定律，多線(xiàn)程絕對(duì)是個(gè)關(guān)鍵。”CLK總裁兼首席執(zhí)行官I(mǎi)sadore Katz表示，“與用戶(hù)設(shè)計(jì)步伐保持一致的唯一途徑，就是利用所有可用的內(nèi)核。下一代實(shí)現(xiàn)工具必須‘從頭開(kāi)始’建立在真正的多線(xiàn)程架構(gòu)上。”

Cadence、新思、Mentor Graphics和Magma等大型EDA供應(yīng)商都承認(rèn)，未來(lái)對(duì)多核的支持是基本要求。這四家公司都聲稱(chēng)目前可提供多線(xiàn)程和多核功能。

一些近日發(fā)布的工具已經(jīng)可以直接支持多線(xiàn)程處理。Sierra設(shè)計(jì)自動(dòng)化公司去年所推出的網(wǎng)表到GDSII套件Opympus-SoC，就完全采用多線(xiàn)程架構(gòu)，并且支持目前基于Linux的多核CPU。

聯(lián)網(wǎng)CPU還是多內(nèi)核?

在EDA領(lǐng)域，采用多個(gè)CPU并不是什么新鮮事。一些應(yīng)用軟件，特別是在進(jìn)行功能驗(yàn)證和物理驗(yàn)證時(shí)，就會(huì)在聯(lián)網(wǎng)的工作站集群上使用分布式處理，充分發(fā)揮數(shù)十甚至數(shù)百個(gè)CPU的威力。其中，有些工具還采用了多線(xiàn)程處理，從而充分利用擁有多個(gè)CPU工作站的優(yōu)勢(shì)。

一些多線(xiàn)程工具，例如得到廣泛使用的Mentor Graphics公司的Calibre DRC物理驗(yàn)證工具，聲稱(chēng)同樣能在分布式網(wǎng)絡(luò)、多CPU工作站和多核CPU上很好地工作。Calibre DRC產(chǎn)品經(jīng)理Michael White指出，用戶(hù)正在“計(jì)算集群”中部署雙核和四核CPU工作站，并結(jié)合分布式網(wǎng)絡(luò)和多核CPU。

如果負(fù)載很容易劃分，那么分布式網(wǎng)絡(luò)就可勝任，Cadence公司首席技術(shù)官Ted Vucurevich說(shuō)道，但如果時(shí)間響應(yīng)很重要，那就需要一個(gè)耦合更緊密的、多核的環(huán)境。

“分布式處理的難點(diǎn)在于：處理器之間的延遲很大。”Nascentric公司首席技術(shù)官John Croix說(shuō)，“可以利用包含多個(gè)單CPU芯片的工作站來(lái)減小延遲，但這里總線(xiàn)是一項(xiàng)限制因素。雖然從軟件實(shí)現(xiàn)角度來(lái)看，多CPU架構(gòu)和多核架構(gòu)之間只有很小的差異，但是相比較，位于同一顆裸片上的多核處理器具有最大的速度。”

由于其公司的產(chǎn)品既支持分布式網(wǎng)絡(luò)CPU，也支持多核CPU，所以Xoomsys公司首席執(zhí)行官Raul Camposano的觀點(diǎn)比較中立。他認(rèn)為，多核CPU通信速度很快，但用于存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn)的帶寬非常有限;而聯(lián)網(wǎng)CPU通信速度雖然較慢，延遲也比較大，但它們有自己的存儲(chǔ)器和緩存，因此有更大的帶寬進(jìn)行存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn)。目前，多核CPU受限于只能包括少量處理器，而聯(lián)網(wǎng)CPU可以拓展到數(shù)百甚至上千個(gè)。

Tanner EDA公司首席科學(xué)家Massimo Sivilotti指出，隨著AMD的Opteron和英特爾的Core Duo工作站的推出，業(yè)界已經(jīng)有“負(fù)擔(dān)得起”的多核平臺(tái)可用。對(duì)于模擬電路仿真等緊密耦合的數(shù)值問(wèn)題，多核處理器比分布式聯(lián)網(wǎng)CPU更合適，他補(bǔ)充道。

目前只有特定的工具支持分布式處理，而對(duì)多核的支持最終會(huì)得到普及。“計(jì)算范例正在從單核向多核轉(zhuǎn)變。你會(huì)看到EDA軟件產(chǎn)業(yè)也在向這個(gè)方向發(fā)展。”Cadence公司副總裁Eric Filseth指出。

問(wèn)題是為多核架構(gòu)編程非常困難，而且試圖借助原有應(yīng)用軟件的做法可能被證明是徒勞無(wú)功的。多核編程通常包含了利用線(xiàn)程來(lái)分配任務(wù)和協(xié)調(diào)響應(yīng)。“從軟件角度來(lái)看，特別是在EDA中，許多算法本身是有順序的，因此即便使用了多線(xiàn)程，所獲的的性能改善也微乎其微。所以，它們需要被重新編寫(xiě)。”Xoomsys公司的Camposano指出。

“可能是個(gè)災(zāi)難”

“任何想清楚明白地創(chuàng)建用到線(xiàn)程概念復(fù)雜軟件的企圖，都有可能釀成一場(chǎng)災(zāi)難，而大多數(shù)EDA軟件程序正深陷其中。”Calypto設(shè)計(jì)系統(tǒng)公司首席架構(gòu)師 Ammol Mathur說(shuō)，“從調(diào)試器到工具，它們對(duì)線(xiàn)程的支持度都很差，而這種很明確的多線(xiàn)程處理會(huì)引起極度難以調(diào)試的競(jìng)態(tài)狀態(tài)和非確定行為。”[!--empirenews.page--]

試圖使現(xiàn)有EDA軟件線(xiàn)程化是一種“虧本行為”，因?yàn)樗鼈冏疃嘀荒芘c三或四個(gè)處理器一起工作，CLK公司的Katz表示。“確實(shí)需要一項(xiàng)全新的開(kāi)發(fā)項(xiàng)目來(lái)建立線(xiàn)程化架構(gòu)。”他指出，“這真的是件非常難的事。”但其回報(bào)很豐厚：CLK公司的Amber據(jù)稱(chēng)能利用多達(dá)64個(gè)處理器獲得接近線(xiàn)性的加速。

Extreme DA公司的行銷(xiāo)總監(jiān)Graham Bell表示，在把EDA軟件用到多核CPU上時(shí)，存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)管理將是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。“采用全局變量、不區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)和執(zhí)行代碼的編程風(fēng)格，使得改寫(xiě)任務(wù)即使能實(shí)現(xiàn)也是極度困難。”他表示。

如果負(fù)載劃分不合適，Nascentric公司的Croix指出，通信開(kāi)銷(xiāo)將抵消掉并行機(jī)制所帶來(lái)的好處。

AuSim MT是為實(shí)現(xiàn)多線(xiàn)程處理而從頭開(kāi)始設(shè)計(jì)的工具。Nascentric公司使用了“幾乎完全遵守編碼指南的”面向?qū)ο蟮木幊谭椒ǎ珻roix透露。

不僅僅針對(duì)新創(chuàng)企業(yè)

大型EDA供應(yīng)商們承認(rèn)多核帶來(lái)挑戰(zhàn)，但同時(shí)表示他們正在取得良好進(jìn)展。事實(shí)上，Mentor Graphics公司相信它的Calibre是全球最早的多線(xiàn)程EDA產(chǎn)品之一。Calibre技術(shù)行銷(xiāo)經(jīng)理John Ferguson表示，“多核是市場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，我們相信在部署能充分發(fā)揮多核架構(gòu)優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)品方面，Mentor公司走在了前列。”

“不做多核就會(huì)被淘汰。”Magma公司物理驗(yàn)證事業(yè)部總經(jīng)理John Lee說(shuō)道，“英特爾和AMD也不再繼續(xù)提高時(shí)鐘周期，而是增加更多的內(nèi)核。如果你的產(chǎn)品不能充分發(fā)揮多核帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)，那么你只能用到芯片的一半或四分之一性能。”

Magma公司最新推出的物理驗(yàn)證工具Quartz DRC從一開(kāi)始就支持分布式處理，但它并沒(méi)有增加多線(xiàn)程功能，而是采用了稱(chēng)作“流式數(shù)據(jù)流”的架構(gòu)。

“這種架構(gòu)非常有利于多核應(yīng)用，因?yàn)槟憧梢允箶?shù)據(jù)從一個(gè)內(nèi)核流向另一個(gè)內(nèi)核，而無(wú)需退到主存儲(chǔ)器或磁盤(pán)。”Lee指出。EDA軟件傳統(tǒng)上是采用一種“數(shù)據(jù)庫(kù)”架構(gòu)把大量數(shù)據(jù)載入內(nèi)存，這樣做很不靈活，他解釋道。

與Magma的數(shù)據(jù)流架構(gòu)相比，多線(xiàn)程在細(xì)顆粒度并行處理方面的能力要稍弱些，Lee指出。盡管如此，Magma公司在具有多核功能的快速Spice仿真器FineSim中，還是采用了多線(xiàn)程技術(shù)。

Cadence公司支持多線(xiàn)程技術(shù)的工具有Encounter RTL Compiler全局綜合、First Encounter、Space-Based Router、NanoRoute和Chip Optimizer。不管是在多CPU工作站還是在多核CPU上，這些工具都能正確運(yùn)行，Vucurevich指出。其中大多數(shù)工具還能運(yùn)行于分布式網(wǎng)絡(luò)。

Chip Optimizer和Space-Based Router是最新的軟件工具，完全根據(jù)多線(xiàn)程技術(shù)要求而設(shè)計(jì)。不過(guò)它們需要依賴(lài)于不具備線(xiàn)程安全性的OpenAccess數(shù)據(jù)庫(kù)，Vucurevich 表示。Encounter RTL Compiler已經(jīng)針對(duì)多線(xiàn)程進(jìn)行了改寫(xiě)。雖然該工具只有特定部分能實(shí)現(xiàn)多線(xiàn)程，但是這倒不是什么大問(wèn)題，Vucurevich補(bǔ)充道。

“最徹底、也最具風(fēng)險(xiǎn)性的方法，就是針對(duì)多核處理重構(gòu)應(yīng)用軟件。”vucurevich表示，“人們都不愿意冒險(xiǎn)，即使某款應(yīng)用軟件的市場(chǎng)反應(yīng)很好。這也是為什么人們注重方法實(shí)效的原因。”

新思公司的Galaxy IC實(shí)現(xiàn)平臺(tái)內(nèi)的多種工具采用了多線(xiàn)程、分割、并行處理或分布式處理等方法，新思公司IT高級(jí)總監(jiān)Hasmukh Ranjan指出。例如，PrimeTime時(shí)序分析儀可以使用跨越多個(gè)CPU的并行處理，來(lái)分析不同的時(shí)序和信號(hào)完整性。HSpice電路仿真器也具有多線(xiàn)程處理能力。

“新思公司的所有研發(fā)小組都在從事某種多核工作。”Ranjan說(shuō)，“EDA工具肯定會(huì)向多核發(fā)展，因?yàn)槲磥?lái)摩爾定律的優(yōu)勢(shì)不是來(lái)自同質(zhì)多核，就是來(lái)自具有特殊處理器的多核。”

不過(guò)Ranjan也指出，許多EDA工具要求訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)器中的全芯片數(shù)據(jù)庫(kù)。由于存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn)帶寬的限制，在多核處理器上運(yùn)行軟件可能導(dǎo)致性能下降。因此，對(duì)處理器供應(yīng)商來(lái)說(shuō)，改進(jìn)總線(xiàn)架構(gòu)、緩存容量和存儲(chǔ)速度尤其重要。

“如果這些方面沒(méi)有改進(jìn)，數(shù)據(jù)瓶頸將抵消新增內(nèi)核所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。”Ranjan表示。