以史為鑒，中國EDA產(chǎn)業(yè)怎么做？

時間：2022/01/07    點擊量：140

2/3nm工藝、3D IC、第三代半導(dǎo)體、AI芯片均等2021年炙手可熱的技術(shù)當(dāng)中都少不了一個身影——EDA工具。如果缺少了它，全球所有芯片公司都有可能停擺。按照加州大學(xué)圣迭戈分校AndrewKahng教授推測，EDA的技術(shù)進(jìn)步可以讓設(shè)計效率提升近200倍，將消費級SoC的設(shè)計成本從77億美元降低到4500萬美元。隨著集成電路工藝技術(shù)的持續(xù)演進(jìn)，EDA已成為撬動整個產(chǎn)業(yè)尤其是設(shè)計業(yè)發(fā)展的重要支點。

與芯片設(shè)計業(yè)互為促進(jìn)

隨著摩爾定律的持續(xù)演進(jìn)，集成電路的復(fù)雜程度指數(shù)級上升，現(xiàn)在集成度最高的芯片已經(jīng)集成了數(shù)萬億個晶體管，未來芯片的集成度將會更高。依靠人工繪圖已經(jīng)不可能完成這樣的設(shè)計任務(wù)，利用計算機(jī)輔助手段解決問題已是必然選擇。而伴隨集成電路60多年的發(fā)展歷程，EDA產(chǎn)業(yè)也歷經(jīng)了從計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）發(fā)展進(jìn)化到電子系統(tǒng)設(shè)計自動化（EDA）的演變，越來越深入地嵌入到集成電路產(chǎn)業(yè)當(dāng)中，扮演著芯片破局支點的重要角色。

芯片作為現(xiàn)代電子產(chǎn)品的核心部件，一直充當(dāng)著“大腦”的位置，技術(shù)含量高度密集，開發(fā)難度也是水漲船高?！霸O(shè)計一款芯片開發(fā)者首先要明確需求，定義諸如指令集、功能、輸入輸出管腳、性能與功耗等關(guān)鍵信息，再將電路劃分成多個模塊，清晰地描述出對每個模塊的要求。然后再由‘前端’開發(fā)者根據(jù)每個模塊功能設(shè)計出電路，運用計算機(jī)語言建立模型并驗證其功能準(zhǔn)確無誤。‘后端’開發(fā)者則要根據(jù)電路設(shè)計出‘版圖’，將數(shù)以億計的電路按其連接關(guān)系，有規(guī)律地翻印到一個硅片上?！边@是一位設(shè)計工程師對記者介紹芯片開發(fā)時的描述。如此復(fù)雜的設(shè)計，不能有任何缺陷，否則是無法修補(bǔ)的，必須從頭再來。如果重新設(shè)計加工，一般至少需要一年時間，再投入上千萬美元的經(jīng)費，有時候甚至需要上億美元。

2018-2023年中國EDA/IP市場規(guī)模及預(yù)測 數(shù)據(jù)來源：賽迪顧問

也正因為如此，現(xiàn)在的芯片設(shè)計已經(jīng)離不開計算機(jī)設(shè)計軟件EDA的輔助。西門子EDA全球副總裁、中國區(qū)總經(jīng)理凌琳就表示：“我進(jìn)入這個行業(yè)的時候主流工藝仍然是0.25μm、0.18μm，現(xiàn)在已經(jīng)演進(jìn)到5nm、3nm。整個行業(yè)的工藝技術(shù)演進(jìn)速度非?？?，這是全體從者業(yè)共同努力的結(jié)果。EDA作為產(chǎn)業(yè)鏈上游的一個環(huán)節(jié)，涉及從設(shè)計到制造，從測試到量產(chǎn)的所有環(huán)節(jié)，是產(chǎn)業(yè)鏈中重要的一個部分?！?/p>

Cadence公司中國區(qū)總經(jīng)理汪曉煜也指出，現(xiàn)在的芯片設(shè)計越來越復(fù)雜，GPU、CPU、DPU等超大規(guī)模和大算力SoC芯片的制造工藝基本采用了16nm、12nm、7 nm，甚至5 nm，根本離不開EDA工具的輔助。從仿真到版圖，從前端到后端，從模擬到數(shù)字再到混合設(shè)計，驗證及系統(tǒng)仿真，以及后面的工藝制造，現(xiàn)代EDA工具幾乎涵蓋了IC設(shè)計的方方面面。

3D IC毫無疑議是2021年集成電路領(lǐng)域最熱門的技術(shù)之一，吸引到臺積電、三星、英特爾、英偉達(dá)、AMD等幾乎所有龍頭廠商的全力進(jìn)入。它的開發(fā)同樣少不了EDA廠商的身影。“隨著芯片制造工藝不斷接近物理極限，異構(gòu)集成的3D IC先進(jìn)封裝已經(jīng)成為延續(xù)摩爾定律的最佳途徑之一。3D IC將不同工藝制程、不同性質(zhì)的芯片以三維堆疊的方式整合在一個封裝體內(nèi)，提供性能、功耗、面積和成本的優(yōu)勢，能夠為5G、HPC、AI、汽車電子等領(lǐng)先應(yīng)用提供更高水平的集成、更高性能的計算和更多的內(nèi)存訪問。然而，3D IC是一個新興的領(lǐng)域，使用傳統(tǒng)的脫節(jié)的點工具和流程對設(shè)計收斂會帶來巨大的挑戰(zhàn)，而對信號、電源完整性分析的需求也隨著垂直堆疊的芯片而爆發(fā)式增長。”新思科技中國區(qū)副總經(jīng)理許偉表示。

“3D IC今年特別熱，也是EDA公司的發(fā)展重點。作為一個新的領(lǐng)域，3D IC還沒有形成廣泛成熟的設(shè)計分析方案。傳統(tǒng)點工具組合形成的設(shè)計流程不再能滿足產(chǎn)品設(shè)計要求，無法覆蓋3D堆疊帶來的復(fù)雜信號、熱仿真等分析需求。這些年Cadence也在與客戶積極進(jìn)行探討和實驗，基于長期以來在先進(jìn)設(shè)計、板級和封裝領(lǐng)域的經(jīng)驗，提出解決方案，目前Cadence現(xiàn)已推出3D IC全流程的相關(guān)設(shè)計和仿真工具以至通用一體化的設(shè)計平臺?！蓖魰造蠌?qiáng)調(diào)。

由此可以看出，EDA廠商一直伴隨集成電路技術(shù)的演進(jìn)，作為產(chǎn)業(yè)鏈中關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)，共同推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展。或許在整個產(chǎn)業(yè)中，EDA的規(guī)模占比并不高。根據(jù)research and markets的數(shù)據(jù)，2020年全球EDA市場規(guī)模約為115億美元，預(yù)計到2025年達(dá)到145億美元。

三大廠商高度壟斷

回顧EDA的發(fā)展，大致經(jīng)歷了三個階段。第一階段可以稱為計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）時代。20世紀(jì)70年代中期，隨著集成電路的誕生和發(fā)展，集成度逐漸提升，電路設(shè)計的復(fù)雜程度也隨之提高，設(shè)計人員開始嘗試使用CAD工具，以設(shè)計工程自動化替代手工繪圖。當(dāng)時CAD的主要功能是交互圖形編輯、晶體管級版圖設(shè)計、布局布線、設(shè)計規(guī)則檢查、門級電路模擬和驗證等。

EDA工具進(jìn)階史

進(jìn)入1980年代，隨著超大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)和發(fā)展，電路設(shè)計復(fù)雜度進(jìn)一步提高，設(shè)計工具功能開始包括自動布局布線、定時分析、邏輯模擬、仿真故障等，EDA行業(yè)開始進(jìn)入到計算機(jī)輔助工程（CAED）時代。這個時期EDA的商業(yè)化也逐漸得到發(fā)展，現(xiàn)在的EDA三大廠商巨頭Synopsys、Cadence和西門子EDA（Mentor）相繼成立。

進(jìn)入20世紀(jì)90年代之后，芯片已經(jīng)可以集成上億個晶體管，硬件語言也實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，推動了EDA設(shè)計工具的進(jìn)一步發(fā)展和普及。設(shè)計工程師開始從電路設(shè)計轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計，以高級語言描述、系統(tǒng)級仿真和綜合技術(shù)為特點的EDA就此出現(xiàn)，行業(yè)進(jìn)入電子系統(tǒng)設(shè)計自動化（EDA）時代。

也是在這個時期，EDA行業(yè)經(jīng)歷多番合縱連橫，逐漸形成了Synopsys、Cadence和MentorGraphics（SiemensEDA）三強(qiáng)加多點供應(yīng)商的市場格局。根據(jù)馭勢資本的資料，三大EDA廠商均擁有完整且優(yōu)勢明顯的全流程EDA工具，且部分流程工具在細(xì)分領(lǐng)域擁有絕對優(yōu)勢。三家企業(yè)占據(jù)了全球EDA市場約70%的份額，這個占比在中國市場可能更高，達(dá)到90%以上。其他企業(yè)則為擁有部分領(lǐng)域的全流程EDA工具或者聚焦于某些特定領(lǐng)域或用途點工具的企業(yè)。例如Ansys在熱分析、壓電分析等領(lǐng)域占據(jù)優(yōu)勢；Keysight的EEsof在電磁仿真、射頻綜合等領(lǐng)域具有優(yōu)勢；華大九天在FPD面板領(lǐng)域有領(lǐng)先優(yōu)勢。

由此亦可看出，發(fā)展并且擁有全流程工具對于EDA企業(yè)來說顯得至關(guān)重要。

EDA格局或?qū)⒃俅胃淖?/strong>

隨著集成電路設(shè)計復(fù)雜度的提升、新工藝的發(fā)展，當(dāng)前的EDA又呈現(xiàn)出新的發(fā)展趨勢，即人工智能、云計算等技術(shù)在EDA行業(yè)的應(yīng)用與融合。它們的發(fā)展或?qū)⒃俅胃淖僂DA行業(yè)的發(fā)展格局，推動EDA進(jìn)入一個新的時代。

日前，Synopsys宣布，亞馬遜公司旗下的云計算服務(wù)平臺部署了新思科技的VCS FGP技術(shù)。在云端運行相關(guān)技術(shù)，可讓設(shè)計團(tuán)隊實現(xiàn)更高的效率，縮短驗證收斂時間，獲得優(yōu)異的硬件性價比。許偉表示：“EDA上云是一個發(fā)展趨勢，不管是算力還是大數(shù)據(jù)等云計算端都有著自身的優(yōu)勢，將有越來越多設(shè)計公司從自建私有云向公有云過度?！痹萍夹g(shù)的運算能力與儲存容量與EDA技術(shù)融合，可以在很大程度上解決當(dāng)前IC設(shè)計面臨的算力缺口，為開發(fā)者提供實時可用的算力、更加靈活高效的開發(fā)環(huán)境、更加優(yōu)化的成本，并縮短產(chǎn)品上市時間。

國微思爾芯資深副總裁林鎧鵬也指出，EDA上云對于企業(yè)來說，最直接就是有望解決算力問題，特別是對初創(chuàng)企業(yè)非常有利。無論是設(shè)計還是驗證，IC設(shè)計公司對算力的需求都非常大，很多小公司承受不起，只能用時間來換金錢。如果云端有更好的解決方案，對于它們來說將有非常大的幫助。

機(jī)器學(xué)習(xí)在EDA工具上的應(yīng)用

人工智能與EDA的融合也值得關(guān)注。芯片敏捷設(shè)計是未來發(fā)展的一個主要方向，深度學(xué)習(xí)等算法能夠提高EDA軟件的自主程度，提高IC設(shè)計效率，縮短芯片研發(fā)周期。據(jù)有關(guān)報告顯示，機(jī)器學(xué)習(xí)在EDA的應(yīng)用可以分為四個方面：數(shù)據(jù)快速提取模型；布局中的熱點檢測；布局和線路；電路仿真模型。目前，諸多EDA企業(yè)都在人工智能方面進(jìn)行了深入的布局與開發(fā)。汪曉煜表示：“人工智能在大規(guī)模數(shù)字芯片優(yōu)化、數(shù)字仿真驗證、PCB設(shè)計綜合等領(lǐng)域都有著巨大的發(fā)揮空間。以仿真驗證為例，當(dāng)前企業(yè)花費在仿真驗證上的運算資源與時間呈指數(shù)級升高。采用機(jī)器學(xué)習(xí)，生產(chǎn)力提升的效率甚至可以達(dá)到10倍以上?！?/p>

國內(nèi)EDA發(fā)展道阻且長

我國企業(yè)也非常重視EDA的開發(fā)。上世紀(jì)八十年代中后期，我國便開始投入自有集成電路計算機(jī)輔助設(shè)計系統(tǒng)的開發(fā)，并在攻堅多年之后，成功推出首套國產(chǎn)EDA——熊貓系統(tǒng)。這也是中國EDA產(chǎn)業(yè)的開端。然而，隨著EDA對集成電路產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略意義不斷提高，特別是近幾年以來，已經(jīng)有越來越多的企業(yè)開始切入這一賽道。國內(nèi)目前已有了幾十家EDA公司。

然而，眾多企業(yè)的投入也導(dǎo)致國內(nèi)EDA產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)小而分散的問題。雖然在采訪中林鎧鵬認(rèn)為，當(dāng)前國內(nèi)EDA產(chǎn)業(yè)與二十年前美國的情形有些相似，處于行業(yè)發(fā)展早期競爭階段，幾十家并不算多。然而，實現(xiàn)情況卻是一些國內(nèi)企業(yè)或許在個別點工具或者部分細(xì)分領(lǐng)域具有一定優(yōu)勢，短板卻是產(chǎn)品不夠全面，以任何一家之力都無法覆蓋整個EDA產(chǎn)業(yè)鏈。難以提供全流程的產(chǎn)品正在成為國內(nèi)EDA企業(yè)的主要問題。畢竟只有提供全流程產(chǎn)品才能更好支撐整個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

借鑒國際經(jīng)驗，EDA的發(fā)展過程中，資本發(fā)揮了關(guān)鍵的作用，收購和并購成為EDA企業(yè)實現(xiàn)產(chǎn)品線整合的核心手段之一。然而，以目前國內(nèi)的發(fā)展情況，短期內(nèi)通過經(jīng)濟(jì)手段實現(xiàn)整合并不現(xiàn)實。那么，如何才能實現(xiàn)國內(nèi)EDA產(chǎn)業(yè)的全流程化呢？

芯華章科技產(chǎn)品和業(yè)務(wù)規(guī)劃總監(jiān)楊曄表示，EDA行業(yè)有其特殊性，它涵蓋了芯片產(chǎn)業(yè)從上游設(shè)計到下游封裝測試的全鏈條，在這么長的產(chǎn)業(yè)鏈里，國產(chǎn)EDA企業(yè)勢必沒辦法貪多求全，應(yīng)該集中精力做自己最熟悉和擅長的一部分，因此，芯華章聚焦于驗證這一決定芯片成敗的領(lǐng)域進(jìn)行突破。

除了聚焦某塊領(lǐng)域進(jìn)行突破，針對這樣的狀況，楊曄認(rèn)為：“國內(nèi)產(chǎn)業(yè)在發(fā)展初期階段更應(yīng)該注重倡導(dǎo)‘開放’，加強(qiáng)企業(yè)間的協(xié)同配合，目的是加強(qiáng)工具間的協(xié)同性，建設(shè)更完善的行業(yè)生態(tài)，提高芯片驗證效率，共同建設(shè)開放共榮的生態(tài)圈。”

深圳鴻芯微納有限公司首席技術(shù)官王宇成也認(rèn)同這樣的方式：“整合的方式有很多種，以目前國內(nèi)的情況來說，經(jīng)濟(jì)上的整合并不現(xiàn)實。另一種可行的方式是進(jìn)行技術(shù)上的整合，如果能把國內(nèi)不同領(lǐng)域的EDA工具，甚至不同的點工具，以某種方式加以整合，最終給用戶提供一個完整的解決方案，將具有非常高的價值?！?/p>

作者：陳炳欣 文章轉(zhuǎn)載：中國電子報、電子信息產(chǎn)業(yè)網(wǎng)