硅谷探秘：EDA公司Calypto与其革新设计工具Catapult HLS

    在EDA的王国里，不但有Cadence、Synopsys、Mentor这样的大佬，一些年轻的玩家们同样迸发活力并且成长的朝气蓬勃，Calypto公司就是其中的一个好例子。

    Calypto是一家专注于衔接电子系统级设计和集成电路实现的EDA公司，侧重贯序分析和功耗优化，成立于2002年。2002年？也就是二十一世纪初，那时候，“ESL”（系统级设计工具)是EDA技术中的热门儿课题，所谓ESL，大致可以理解为一种设计工具的新标准，这种设计工具与主流的RTL（寄存器传输级 ）工具的不同之处在于，可以帮助软件开发者将其算法表达直接转换成硬件，设计者便可不必掌握硬件设计方法了。就是在ESL技术实用化的进程中，Calypto诞生了，并成为ESL阵营中颇具代表性的公司。正如Calypto创始人Devadas Varma所说，“我们的使命是促使业界走向更高的抽象级，原始动力来源于验证需求以及将功耗作为约束或目标的需求”。最近Calypto总裁暨执行长Sanjiv Kaul与Calypto行销副总裁Mark Milligan（见图1）在硅谷的演讲再次印证了这样的公司理念。

图1 左：Calypto行销副总裁Mark Milligan，右：Calypto总裁暨执行长Sanjiv Kaul

    首先，Sanjiv Kaul介绍了几十年来芯片设计方法的变迁史，由六七十年代的Transisiter Level(晶体管级)到七八十年代的Gate Level(门级)再到九十年代至今主流的RTL，使人们看到：芯片设计变迁的规律是逐渐远离底层，向更高的抽象层次迈进，所以，当今的半导体业需要一种划时代的、着眼于更高层次系统设计的工具。诚然，目前IC设计面临着待设计系统更加复杂（例如SOC）、功耗问题更加凸显的挑战。一方面，很多先进的设计已经迈向更先进的工艺节点（16/14nm），其验证工作将变得更加耗费时间并且验证成本更加高昂，并且先进节点设计的门级数量规模之大（16nm可达1322M Gates）使得主流的RTL设计方法显得力不从心（见图2）。另一方面，28nm成为门级成本（Gate cost）的一个拐点（见图3），这使得一些设计团队十分留恋28nm,不愿意转向下一节点。对于这些设计者，对产品面积、性能、功耗的优化需要寻找除缩小工艺节点以外的途径，许多人把目光聚焦在了对产品架构的优化上面。Kaul认为，Calypto的HLS（High Level Synthesis，高层次综合）设计平台Catapult HLS可以为目前半导体设计业所面临的困境提供一个可行的方案。

图2

图3

    2011年，Calypto收购了Mentor的Catapult HLS产品线，Catapult HLS包括设计和验证平台（如图4）。Catapult HLS的创新之处在于可以根据设计者编写的ANSI C/C++或SystemC代码自动生成高质量的RTL，此工具令工程师聚焦于对产品功能上的描述，可以基于需求层面去做设计，大大降低了对设计者的硬件技术门槛，同时减少出错的几率，消除了需求描述者与设计执行者之间沟通所出现的断层。由于HLS工具具有能够加快设计速度、减小验证时间和成本、消除调试、设计方便复用和创造衍生产品等优点，吸引了诸多客户并且被应用到了一些新兴的领域，如：影像的压缩/解压缩、图像加工、先进的通信等领域。

图4

    其实，市场上推出HLS方案的厂商不只Calypto一家，2011年Xilinx对AutoESL的收购使HLS技术应用在了其FPGA上；2014年，Cadence宣布并购HLS与算法IP供应商Forte Design Systems强化高端综合产品阵容。谈到Calypto区别于竞争对手的特色，Mark Milligan指出，Xilinx与Cadence的工具分别有其针对性，而Calypto工具既可优化ASIC又可用于FPGA的设计流程，应用范围更广；相比于Cadence的HLS工具只能支持C语言，Catapult HLS还支持SystemC和C++。

    另外，随着工艺节点向16/14nm的迈进，FinFET工艺被认为改变了功耗的游戏规则，但依然存在挑战：FinFET工艺在门级电流方面极有优势，它可以保证极低的漏电流以及更高的可靠性，但FinFET在动态功耗方面的掌控却不尽人意，整体的功耗密度会急剧上升。为应对功耗设计上的严苛要求，Calypto推出了基于Power Efficient RTL的功耗优化工具PowerPro（如图5），其中PowerPro PA用于RTL功率估算和结果分析，PowerPro CG用于逻辑、寄存器和时钟树（避免高速逻辑），PowerPro MG用于存储。PowerPro可以为产品的功耗提供深入的序列分析、QoR优化、集成形式的验证，其中，序列分析是Calypto公司的专长。PowerPro的序列分析通过正向与反向的性能序列分析来理解逻辑关系，寻找一切节约能源的机会，对每个机会生成所有可能的情境，再通过权衡每个生成情境的面积、时间、和功耗来找到最优的功耗方案。

图5

    全球现代科技的创新之源无疑是美国的硅谷。在硅谷，集结着美国各地和世界各国的科技人员达100万以上，美国科学院院士在硅谷任职的就有近千人，获诺贝尔奖的科学家就达30多人。作为电子行业领先媒体，EEWORLD专程前往美国硅谷，探访全球顶级的芯片公司，从科学研究、技术开发和生产营销等诸多方面发掘他们的优点，为中国读者带来最新鲜的技术报道，为中国科技特别是集成电路产业做出贡献。