計(jì)算流體力學(xué) (CFD)、軟件和芯片設(shè)計(jì)有許多共通之處。它們都會(huì)創(chuàng)建相關(guān)對(duì)象的規(guī)范，并最終將該規(guī)范作為制造過程的一部分；且都需要進(jìn)行某種類型的驗(yàn)證，以檢查設(shè)計(jì)是否符合預(yù)期。但同時(shí)，它們之間也存在著巨大的差異。

對(duì)于計(jì)算流體力學(xué)、軟件和芯片設(shè)計(jì)，本文先從軟件說起。筆者從 20 世紀(jì) 60 年代末開始編程，從那時(shí)起，基本的編程方法就沒怎么變過。我們可以使用 Fortran、C++ 或 Python 等編程語言來編寫“規(guī)范”。以前，“制造”可能涉及磁帶、CD 或文件傳輸器。但 CD 上的內(nèi)容與程序員用來“驗(yàn)證”（即軟件debug）的內(nèi)容基本相同，所以沒有專門的驗(yàn)證過程。程序的編譯和運(yùn)行成本很低，以至于根本沒必要為了避免成本而專門建立驗(yàn)證過程。驗(yàn)證過程反而會(huì)更貴。

現(xiàn)代的芯片則大不相同?！耙?guī)范”通常是用 SystemVerilog 編寫的，但制造一塊芯片需要幾個(gè)月的時(shí)間，成本可高達(dá)數(shù)千萬美元，因此驗(yàn)證過程十分普遍（且昂貴）；因?yàn)閺臅r(shí)間和金錢的角度來說，根本不可能制造大量的芯片來進(jìn)行試驗(yàn)以確保其能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。多年后，這種情況發(fā)生了很大變化。上世紀(jì) 80 年代初，當(dāng)筆者剛開始在超大規(guī)模集成電路技術(shù)公司工作時(shí)，我們遇到了一個(gè)（就當(dāng)時(shí)而言的）大芯片電源接地短路的問題；彼時(shí)，電路提取器尚未出現(xiàn)。當(dāng)時(shí)唯一的解決辦法是標(biāo)劃出布局、把它們粘在一起、鋪在地板上、把電源網(wǎng)涂成紅色、把接地網(wǎng)涂成綠色，直到找出問題所在。

如今，由于芯片更加復(fù)雜，需要使用更多的軟件（以及模擬器和原型系統(tǒng)等硬件）。有時(shí)，IP 提供商會(huì)制造測試芯片，但一般來說，人們寄希望于 SoC 芯片設(shè)計(jì)能夠一次性成功，并沒有像軟件那樣的“編譯并運(yùn)行”心態(tài)。人們期望流片就是終點(diǎn)。

有趣的是，在過去，FPGA 設(shè)計(jì)更像軟件，僅是編譯然后查看是否能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。但隨著編譯時(shí)間達(dá)到 24 小時(shí)或更久，進(jìn)行大量的芯片式驗(yàn)證已經(jīng)逐漸成為標(biāo)準(zhǔn)做法。

計(jì)算流體力學(xué)曾經(jīng)是在現(xiàn)實(shí)世界中完成的，以汽車車身為例。曾經(jīng)，在優(yōu)秀的 CFD 軟件出現(xiàn)之前，模型制造者會(huì)用粘土做出汽車的形狀，而空氣動(dòng)力學(xué)驗(yàn)證則意味著將該模型放入風(fēng)洞。其中一些可以用比例模型來完成，但建造全尺寸的汽車模型并把它們放進(jìn)一個(gè)大風(fēng)洞是非常昂貴的。如今，汽車的形狀是在3D 建模軟件中做出虛擬模型，利用 CFD 分析軟件進(jìn)行驗(yàn)證。最后可能會(huì)做出實(shí)體模型并放入風(fēng)洞，但由于這只是作為最后一步操作，因此比一開始就放入風(fēng)洞要節(jié)省大量成本。當(dāng)然，我們不可能像處理芯片或軟件那樣，按下一個(gè)按鈕，就把一款汽車轉(zhuǎn)入生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行批量生產(chǎn)。芯片設(shè)計(jì)更像是設(shè)計(jì)商用飛機(jī)，邊設(shè)計(jì)邊預(yù)訂并加載首航，然后執(zhí)行飛行。

盡管軟件沒有太大的變化，但除了“運(yùn)行程序”以外，越來越多的其他工具開始出現(xiàn)。

“

程序測試可以用來證明bug的存在，但永遠(yuǎn)不能證明它們不存在！

——Edsger Dijkstra （荷蘭計(jì)算機(jī)科學(xué)家）

更強(qiáng)大的工具可以用來跟蹤bug，比如 Klocwork 這樣的靜態(tài)代碼分析、Valgrind 這樣的存儲(chǔ)使用正確性分析工具等等。隨著 CFD 和 IC 設(shè)計(jì)的改變，許多昂貴的方法被強(qiáng)大的計(jì)算能力所取代。當(dāng)然，計(jì)算能力已經(jīng)變得越來越廉價(jià)，所以人們不必再糾結(jié)是使用風(fēng)洞或者著色圖，還是使用計(jì)算軟件。

所有這些計(jì)算方法的基礎(chǔ)是涉及龐大數(shù)據(jù)集的矩陣和圖形運(yùn)算。盡管CFD 乍看之下與 IC 設(shè)計(jì)毫無關(guān)系，但是當(dāng)透過現(xiàn)象看本質(zhì)，就會(huì)明白真相是什么。

過去十年的另一個(gè)大趨勢是，從使用非常龐大的單一服務(wù)器到使用大量的核心和服務(wù)器。這些核心和服務(wù)器要么部署在專用的數(shù)據(jù)中心內(nèi)，要么部署在云端（后者越來越常見）。這就需要對(duì)矩陣和圖形算法進(jìn)行重大改進(jìn)，因?yàn)樗鼈儾荒芡ㄟ^一些優(yōu)秀編譯器的運(yùn)行而自動(dòng)實(shí)現(xiàn)并行運(yùn)算。

由此帶來的結(jié)果是，軟件分析、CFD 以及 IC 設(shè)計(jì)的許多方面都日益依賴于類似的高度并行矩陣和圖形分析。

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