联发科首颗5G芯片的关键IT技术力大公开，靠混合云架构调度千台运算主机，让5G芯片设计交付再早一步

“一颗7奈米芯片从开发到设计完成，最少须上千台高阶运算主机才够用。”这是台湾半导体IC设计龙头联发科，在研发7奈米5G手机芯片所要面对的庞大IT挑战，甚至为了要抢先对手一步推向市场，更要能够在一周内多增加千台主机，来满足复杂的设计运算需求，才能让5G芯片设计交付能再早一步，这也成了联发科能够在竞争激烈的5G市场突围的关键。

为了抢占5G市场的先机，全球一线手机大厂与行动芯片设计商，去年纷纷推出5G手机芯片，以便竞逐今年的5G手机市场。联发科也是其中一家，去年5月Computex期间就宣布了首款5G SoC芯片，不到半年就正式推出该产品，甚至领先了竞争对手高通一步。

为了要打造这样一颗功能强大的5G芯片，联发科不仅耗时多年、以千人团队，投入千亿元研发，还引进诸多先进技术，采用新的芯片设计作法，将7奈米CPU、GPU、AI加速器APU，以及高速5G调制解调器芯片，都整进在同一颗SoC芯片里，来开发新一代5G手机芯片。

但要完成这样一个高度复杂的5G芯片设计，涉及大量跨平台芯片和技术的整合，不只是研发团队的一大挑战，对后端支援的联发科IT部门更是考验，得要不断追加更多运算资源，来满足因为复杂芯片整合设计的大规模且密集的巨量运算需求，这是联发科IT团队重要的大挑战。

负责内部高效能运算环境建置的联发科技资讯工程本部基础系统设计处经理黄博扬就表示：“导入混合云技术与创新IT架构是一大关键。”他在近日台湾举行的AWS re:Invent Recap技术大会上揭露更多细节。

一周！千台以上HPC服务器得完成部署

从半导体工程来看芯片设计的发展，随着现在芯片功能越加越多，使得面积加大，能耗升高，常见作法就是透过制程的提升来改善，而越先进制程的芯片设计，对于半导体IT资源也带来很多挑战。举例来说，一颗先进7奈米芯片内含的晶体管密度，是40奈米芯片的17倍多，要完成这样一颗芯片的电路设计及布线，更需要比以前多增加10倍的运算工作量，用于前期的测试及验证，就连运算规模也更加庞大，高出15倍之多。

以7奈米5G手机芯片为例，黄博扬表示，单要执行这样一个专案，IT人员就需要面对消耗数千台高效能运算主机的挑战，但是，联发科IT考验还不仅于此，为了因应5G市场变化，联发科决定将5G Tapeout交付生产进度提前，对IT而言，最直接的需求，就是要在一周内增加超过千台以上高阶服务器，来满足大量增长的运算需求，“一旦IT资源不到位，这个产品就没有办法提前抢下市场。”他说，这是一大IT考验。

为了解决这个IT难题，联发科IT团队决定采用混合云架构，所以，除了在台湾总部的自建云，他们去年在这个7奈米5G专案里，就使用了AWS公有云，来建置自己的混合云环境，接下来，更将自己使用的EDA工具搬上AWS云端执行，它是一个电子设计自动化开发工具，可供RD研发工程师在开发设计阶段，使用它进行大量且反复的设计验证工作，从前期电路设计、性能分析到产生芯片电路图，都能用它来完成。

尤其，越先进制程的芯片开发，就越需要搭配有这样的EDA工具来辅助RD人员开发，并安装在性能更高的服务器硬件上执行。在完成所有EDA运算工作以后，接着才将设计好的芯片电路交由晶圆代工厂生产，也就是Tape-out（下线），整个芯片开发设计流程才完成，之后才进到下一步量产的阶段。

在改用云端执行EDA运算后， 黄博扬指出，透过混合云架构的资源弹性，让IT团队能够在短时间就完成大规模高阶机器的部署使用，直接在云端就能执行大量EDA运算任务，并安装在千台以上的高效能EC2运算实例上执行，再将算完产生的报告回传，透过这些大量增加的EDA运算主机，来缩短5G SoC芯片设计的开发时程，让设计交付可以提前完成，进到下一步量产的阶段。“这也是全球第一个透过云端执行开发完成的7奈米SoC。”他骄傲地说。

不只在云端上执行EDA任务，针对IC设计后段最关键也最耗资源的STA分析（静态时序分析）的运算工作，联发科也都完成导入云端来执行，他表示，这样一个技术突破，也是这次能够如期完成5G芯片交付的最关键一环。

从这次AWS使用量来看，联发科每次开启千台的高效能EC2运算实例，执行了超过1,200万核心小时 （core-hour）用于大量模拟验证的运算时间，并累积高达8,000TB的资料量，还要横跨台湾总部与美国AWS云端两地来进行管理。“这样的运算规模，对于任何企业的传统IT基础架构来说，都是极大挑战”他坦言，只有透过采用混合云架构才有办法做到。

他进一步补充，因应市场不确定性，IT更要能够因应市场变化快速反应，如此一来，才能避免IT资源的缺口，成为RD规划产品时程进度的瓶颈。

4个采用混合云须克服的IT挑战

黄博扬也归纳出这次导入混合云架构过程，4个最重要但必须克服的IT挑战，分别是RD使用者体验、跨国资料传输、高效率运算资源利用，以及资料安全，并分享了联发科相对应的解法。

首先，在使用者体验方面，为了降低新的混合云架构，对于RD工程师作业上可能产生的影响，联发科IT团队先从整合IC设计流程（design flow）下手，重新改良整个IC设计流程，来贴近云端环境的使用需求，因此，当IT需要调度云端资源时，就可以透过流程段的设定调整，将这些已排定处理的EDA任务，自动从本地端上传到云端来执行运算，再将算完产生的报告回传，他表示，因为是透过自动化调度，所以，RD工程师即使是在云端上执行时，也能像在本地端一样来使用，不需重新学习一套，就能执行如任务提交或监控状态等功能。“不论是在地上这朵云，还是天上的云，都得维持相同的使用者体验。”他指出。

在跨国资料传输方面，联发科IT团队也配合整个芯片设计流程，开发客制化的资料封装工具，先经过判读找到需用到的设计档案资料进行去重复化 （dedupe）动作，然后再打包传送到云端执行，从资料源就先达成资料的减量，并且还在混合云部署使用一个高效能的资料传输应用程序工具，透过这个传输工具来降低台湾和美国两地长距离传输产生的网络延迟，以减少不必要的传输时间。

另针对资源效率部分，他也强调，并不是所有的EDA运算任务都会上公有云，目前联发科有超过上百种的EDA工具，但只选择少数适配的EDA设计流程，才会送交云端来执行，其他仍在本地来执行。他也建议，企业在采用混合云时，必须先了解哪些资源问题要解决，以及这些任务所需的运算工作样态为何，才来选择它所适合搭配的云端运算实例。更进一步，联发科还采用一套智慧排程 （smart batching）系统，能够整合所有用到的云端资源，可以自动调整运算资源符合使用者需求，来根据需求自动增加或缩减，而不让云端资源有任何闲置或浪费。

最后，为了强化云端资料使用的安全性，在执行云端运算任务时，系统只允许上传必要运算使用的设计资料，并且当任务执行完，所有重要报告或是测试数据，都会自动同步回传地端，并自动删除云端机器里面所有资料。他表示，透过这样一个安全机制，能够确保在云端不会留存任何资料记录，让所有资料链接风险降到最低。