芯片设计五部曲之一 | 声光魔法师——模拟IC

　　芯片设计五部曲之二 | 图灵艺术家——数字IC

　　上两集我们已经分别深入了模拟IC和数字IC的设计全流程，结合EDA工具特性和原理，讲述怎么利用计算机技术提高模拟与数字芯片的研发设计效率。

　　这一集，我们把其中的算法仿真部分拉出来展开说说。

　　第三集：算法仿真

　　算法是对芯片系统进行的整体战略规划，决定了芯片各个模块功能定义及实现方式，指引着整个芯片设计的目标和方向。可谓，牵一发而动全身。

　　不管是模拟IC还是数字IC设计，算法仿真都是第一步。通常，会由算法工程师组成独立的算法团队。

　　CPU/GPU本应该是算法仿真的常客，但因为历史比较悠久，发展成熟，市场几乎被英伟达和AMD垄断，很多IC设计公司选择直接采购IP的方式跳过这一步。

　　近几年，无线通信芯片成为了算法业务的最大甲方。因为这类芯片的信号编解码与频谱迁移时方式十分复杂，再加上种类繁多，各国的通信协议、标准、频率也在不断变化。随着我国5G通信标准的放开，算法仿真的地位与日俱进。

　　另一个涉及大量算法业务的场景是AI芯片，应用场景小到手机、智能家电，大至汽车。

　　跟前两篇数字和模拟IC的设计场景相比，算法仿真有着非常不一样的表现。

　　所以我们单独把ta拉出来，结合一家无线通信芯片公司实际业务场景，看看算法仿真有哪四大特性，以及从动态视角出发，看我们怎么帮算法工程师解决问题，提高研发效率。

　　算法仿真的本质

　　算法（Algorithm），是指在数学和计算机科学间，一种被定义好的、计算机可施行指示的步骤和次序。算法代表着用系统的方法描述解决问题的策略机制，解决一个问题可以有很多种算法。

　　举个栗子。

　　求解下图黄色区域图形面积，我们有三种算法。

　　方法一：你可以直接用三角形的面积公式解。这种方法快速、直观，小学文化程度即可，但局限性也高、不通用，不适用于图像复杂的情况；

　　方法二：也可以用符号计算求不定积分。求解析解方法，适用于各类不定积分中有解析表达式的函数图像。计算门槛较高，大多手算，很少有计算工具。而且实际工程应用场景中，很多函数没有解析解；

　　方法三：用数值计算方式解积分，求数值解。数值计算法适用范围最广，可以求任意函数曲线的定积分，将函数一段段分解，再算出面积。不同的分解方法就代表不同的算法。这种方法只能求数值解，无法求解析解，且计算量巨大，适合机器计算，不适合人工计算，在工程领域应用甚广。

　　在芯片设计领域，算法仿真的本质是评估不同数值计算解法的工作量、计算效率适用范围，选出最优算法，使ta不仅要满足算得最快、最准，还要能确保功能、精度、效率、吞吐量等指标。

　　算法仿真是一个不断迭代、优化的过程，一般都要反复调整参数，进行N次回归测试。

　　一家算法团队的小目标

　　一家无线通信芯片公司算法团队，开局情况如下：

　　算法部门共有15人，全公司有480核共享本地资源，各部门按需提前申请使用。

　　根据公司的业务发展目标，大致估算出未来新算法项目任务总数为1283980。

　　假设一：全公司本地资源均归他们用，每个人的资源上限是32核；

　　假设二：单case运行时间为10小时；

　　假设三：回归测试次数为1次；

　　假设四：1个case只有1个job，且只用1个核。

　　总运行时间达到3.05年。

　　啊这。。可能打开方式不对，再来：增加假设五：人均资源上限逐渐提升到120核；

　　假设六：算法团队人数逐步扩张至46人；

　　总运行时间约96.92天。

　　嗯，这回挺好。

　　想得是挺美，小目标怎么实现？

　　现实一：公司共享本地资源不可能只归算法部门专用；

　　现实二：单case运行时间，难以估计；且1个case往往不止1个job，且1个job未必只用1个核；

　　现实三：回归测试只有1次，几乎不太可能，总任务数可能数倍增长；

　　现实四：本地机房从480核要扩张十几倍，可不止是买买买硬件，机房建设、运维人力、硬件维保、存储网络、环境部署等等，都不是小事；

　　现实五：算法工程师要求非常高，招聘难度极大。

　　真是，没一个字让人爱听的。

　　如果是日常模拟/数字芯片设计，想做算力规划，咱们还是有思路的，可以看看这篇：解密一颗芯片设计的全生命周期算力需求

　　但算法仿真这里，此路不通。

　　我们来看看算法仿真的特性：

　　算法仿真的四大特性

　　下图是这家无线通信芯片公司算法团队9个月实际日平均资源用量波动总览图：

　　01　需求不可测

　　从个人角度出发，算法团队每个人的算法任务都是互相独立，互不影响的。算法确定之后，每一轮的计算量基本确定（case分解成的job数，job占用的核数基本确定），每个算法任务的单次耗时与回归测试次数都是不一样的，这导致最后的资源需求完全不可测。

　　如果再叠加团队使用因素，资源的不可测性也会被成倍地放大。如果原先个人的资源使用区间是0到250核小时；如果团队内有20人，那不可测区间就放大至0至5000核小时。

　　02　短时间使用量波动巨大

　　除了算法任务需求的不可测性，资源使用量的波动还受实际算法任务的进度影响。

　　每个算法工程师的工作独立且进度不一，有时可能大量任务同时批量运行，也可能部分在调试，部分在运行，甚至可能一个在运行的任务都没有。

　　不同工程师的工作进度差异与所用算法不一，不仅导致了波峰、波谷间的资源使用量差距极大，而且这样的波动可能发生在极短时间内。

　　极限情况：所有工程师都在顶格跑任务，5520核的资源量瞬间拉满（100%）；而下一刻只有10%的工程师在跑任务，且每人都只使用自己配额80%的资源量，那总资源仅使用了一部分。

　　不同公司的算法团队之间，因为团队规模与业务差异，资源用量差异也非常大。

　　03　资源需求类型多样

　　算法仿真整体来说，对资源的各方面需求并不算高。

　　但不同算法的需求都不一样：

　　有的需要单核4G内存的机型，有的要单核8G内存的机型；

　　有的算法对存储要求高，有的算法对存储没要求：

　　有的涉及图形计算，甚至还需要用到GPU机型。

　　04　长期可持续状态

　　上述三大特性，都不是突发现象，属于算法团队的日常工作状态。

　　这一状态的长期可持续性，我们需要对此做好足够的准备。

　　一种动态思路：增加时间维度

　　算法仿真的四大特性决定了：按这家公司原来的静态处理方式，也就是把任务量当成恒定的，通过加人加机器的方式来满足研发需求，变得很不现实。哪怕顶格准备资源，资源利用率也会长期处于较低状态。

　　那按动态处理方式，也就是随着时间变化，灵活根据需求匹配不同规模/类型资源的方式来动态满足研发需求，从个人及团队视角出发，看我们怎么帮算法工程师解决问题，提高研发效率。

　　01　算法工程师视角

　　1）资源无需申请，即开即用

      再也不用跟同事抢资源或者漫长的排队等待了，也不用走繁琐的资源申请流程。

　　2）资源选择空间变大

      选择空间变大，资源类型变多，可用资源上限变高，可以灵活选择更加适配算法任务的资源类型。

　　 给大家打个样：5000核大规模OPC上云，效率提升53倍

　　3）提交任务立马就能跑，告别等待

      提交任务立马就能跑，一整套研发环境现成的，即开即用。

      灵活切换，今天跑一百，明天跑一万，无需等待环境配置。

　　4）以前怎么用，现在就怎么用

     跟本地相比无感知，用户使用习惯没有任何改变，不需要调整任何脚本。

　　5）任务跑得快，效率线性增长

　　多case高并发执行。同一批算法任务之间互相独立，可以做到效率线性提升。

　　02　团队管理视角

　　1）动态方式解决资源不可测问题

       算法任务的不可预测且波动巨大，导致了资源预测与规划基本不可能。按传统静态处理方式来解决问题：

　　按顶格规划，这笔账都不用算，会造成黄色区域的巨大浪费；按中间取值准备，当某个时间点算法仿真短时间内任务量激增，就会出现人机不匹配，不是有人力没机器，就是有机器没人力。这种错配导致资源利用率极低，影响研发进度。

　　图中3-5月，峰值算力就从200核攀升27倍达到5520核，随即又迅速从5520核下跌到500核左右，这波动幅度简直比过山车还剧烈，而且毫无规律。

　　我们的动态处理方式，会随着时间变化，灵活根据当前时间点任务需求匹配不同规模/类型资源的方式，动态满足研发需求。不管500核还是5000核，我们都能实时根据需要，满足整个团队的大幅波动资源需求，保障日常算力和峰值算力任务调度效率。

　　2）Auto-Scale自动伸缩，随用随关不浪费 

        Fsched调度器的Auto-Scale功能，能解决团队资源利用率与成本问题。资源“自由”的同时不浪费。

　　一方面随用户任务需求，设置自动伸缩上下限，自动化调用资源完成任务；Auto-Scale功能可以根据任务运算情况动态开启云端资源，需要多少开多少，并在任务完成后自动关闭，让资源的使用紧随着用户的需求自动扩张及缩小，最大程度匹配任务需求。

　　这既节约了用户成本，不需要时刻保持开机，也最大限度保证了任务最大效率运行。中间也不需要用户干预，手动操作。

　　另一方面我们还能监控用户提交的任务数量和资源需求，在团队内部进行资源及时适配，解决错配问题。

　　想了解更多关于Auto-Scale的内容，点击：EDA云实证Vol.10：Auto-Scale这支仙女棒如何大幅提升Virtuoso仿真效率。

　　3）提升团队整体运营效率

      我们的运营数据dashboard能让团队管理者监控各个重要指标变化，从全局角度掌握项目的整体任务及资源情况，为未来项目合理规划、集群生命周期管理、成本优化提供支持。还能根据不同成员或小组的业务紧迫程度和业务重要性，合理分配与控制用户使用资源。

　　4）全球数据中心解决资源瓶颈

      我们的全球数据中心，能持续稳定地提供用户所需资源类型及数量，分钟级调度开启上万核计算资源，满足业务紧迫度。用户可以选择自主选择大内存、高主频等多样化的资源类型来满足不同算法需求。一旦发现所选资源类型与算法任务不匹配，还可随时中止任务、更换资源类型，任务进度不受影响。

　　附加题环节：

       对研发来说，能不能清晰看到任务的运行状态？实时监测进度？任务异常时能不能自动告警？对IT来说，资源用量如何？怎么判断用户资源使用量是否符合分配模式？系统负载过高是否有直接的告警？我们会单独开一篇，聊聊基于业务的监控与告警。

　　芯片设计五部曲的第三集——算法仿真篇到此结束啦。一起期待下一集吧~