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半导体

以史为鉴,中国EDA产业怎么做?

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2/3nm工艺、3D IC、第三代半导体、AI芯片均等2021年炙手可热的技术当中都少不了一个身影——EDA工具。如果缺少了它,全球所有芯片公司都有可能停摆。按照加州大学圣迭戈分校AndrewKahng教授推测,EDA的技术进步可以让设计效率提升近200倍,将消费级SoC的设计成本从77亿美元降低到4500万美元。随着集成电路工艺技术的持续演进,EDA已成为撬动整个产业尤其是设计业发展的重要支点。

与芯片设计业互为促进

随着摩尔定律的持续演进,集成电路的复杂程度指数级上升,现在集成度最高的芯片已经集成了数万亿个晶体管,未来芯片的集成度将会更高。依靠人工绘图已经不可能完成这样的设计任务,利用计算机辅助手段解决问题已是必然选择。而伴随集成电路60多年的发展历程,EDA产业也历经了从计算机辅助设计(CAD)发展进化到电子系统设计自动化(EDA)的演变,越来越深入地嵌入到集成电路产业当中,扮演着芯片破局支点的重要角色。

芯片作为现代电子产品的核心部件,一直充当着“大脑”的位置,技术含量高度密集,开发难度也是水涨船高。“设计一款芯片开发者首先要明确需求,定义诸如指令集、功能、输入输出管脚、性能与功耗等关键信息,再将电路划分成多个模块,清晰地描述出对每个模块的要求。然后再由‘前端’开发者根据每个模块功能设计出电路,运用计算机语言建立模型并验证其功能准确无误。‘后端’开发者则要根据电路设计出‘版图’,将数以亿计的电路按其连接关系,有规律地翻印到一个硅片上。”这是一位设计工程师对记者介绍芯片开发时的描述。如此复杂的设计,不能有任何缺陷,否则是无法修补的,必须从头再来。如果重新设计加工,一般至少需要一年时间,再投入上千万美元的经费,有时候甚至需要上亿美元。

2018-2023年中国EDA/IP市场规模及预测

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数据来源:赛迪顾问

也正因为如此,现在的芯片设计已经离不开计算机设计软件EDA的辅助。西门子EDA全球副总裁、中国区总经理凌琳就表示:“我进入这个行业的时候主流工艺仍然是0.25μm、0.18μm,现在已经演进到5nm、3nm。整个行业的工艺技术演进速度非常快,这是全体从者业共同努力的结果。EDA作为产业链上游的一个环节,涉及从设计到制造,从测试到量产的所有环节,是产业链中重要的一个部分。”

Cadence公司中国区总经理汪晓煜也指出,现在的芯片设计越来越复杂,GPU、CPU、DPU等超大规模和大算力SoC芯片的制造工艺基本采用了16nm、12nm、7 nm,甚至5 nm,根本离不开EDA工具的辅助。从仿真到版图,从前端到后端,从模拟到数字再到混合设计,验证及系统仿真,以及后面的工艺制造,现代EDA工具几乎涵盖了IC设计的方方面面。

3D IC毫无疑议是2021年集成电路领域最热门的技术之一,吸引到台积电、三星、英特尔、英伟达、AMD等几乎所有龙头厂商的全力进入。它的开发同样少不了EDA厂商的身影。“随着芯片制造工艺不断接近物理极限,异构集成的3D IC先进封装已经成为延续摩尔定律的最佳途径之一。3D IC将不同工艺制程、不同性质的芯片以三维堆叠的方式整合在一个封装体内,提供性能、功耗、面积和成本的优势,能够为5G、HPC、AI、汽车电子等领先应用提供更高水平的集成、更高性能的计算和更多的内存访问。然而,3D IC是一个新兴的领域,使用传统的脱节的点工具和流程对设计收敛会带来巨大的挑战,而对信号、电源完整性分析的需求也随着垂直堆叠的芯片而爆发式增长。”新思科技中国区副总经理许伟表示。

“3D IC今年特别热,也是EDA公司的发展重点。作为一个新的领域,3D IC还没有形成广泛成熟的设计分析方案。传统点工具组合形成的设计流程不再能满足产品设计要求,无法覆盖3D堆叠带来的复杂信号、热仿真等分析需求。这些年Cadence也在与客户积极进行探讨和实验,基于长期以来在先进设计、板级和封装领域的经验,提出解决方案,目前Cadence现已推出3D IC全流程的相关设计和仿真工具以至通用一体化的设计平台。”汪晓煜强调。

由此可以看出,EDA厂商一直伴随集成电路技术的演进,作为产业链中关键的一个环节,共同推进技术的发展。或许在整个产业中,EDA的规模占比并不高。根据research and markets的数据,2020年全球EDA市场规模约为115亿美元,预计到2025年达到145亿美元。

三大厂商高度垄断

回顾EDA的发展,大致经历了三个阶段。第一阶段可以称为计算机辅助设计(CAD)时代。20世纪70年代中期,随着集成电路的诞生和发展,集成度逐渐提升,电路设计的复杂程度也随之提高,设计人员开始尝试使用CAD工具,以设计工程自动化替代手工绘图。当时CAD的主要功能是交互图形编辑、晶体管级版图设计、布局布线、设计规则检查、门级电路模拟和验证等。

EDA工具进阶史

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进入1980年代,随着超大规模集成电路的出现和发展,电路设计复杂度进一步提高,设计工具功能开始包括自动布局布线、定时分析、逻辑模拟、仿真故障等,EDA行业开始进入到计算机辅助工程(CAED)时代。这个时期EDA的商业化也逐渐得到发展,现在的EDA三大厂商巨头Synopsys、Cadence和西门子EDA(Mentor)相继成立。

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进入20世纪90年代之后,芯片已经可以集成上亿个晶体管,硬件语言也实现标准化,推动了EDA设计工具的进一步发展和普及。设计工程师开始从电路设计转向系统设计,以高级语言描述、系统级仿真和综合技术为特点的EDA就此出现,行业进入电子系统设计自动化(EDA)时代。

也是在这个时期,EDA行业经历多番合纵连横,逐渐形成了Synopsys、Cadence和MentorGraphics(SiemensEDA)三强加多点供应商的市场格局。根据驭势资本的资料,三大EDA厂商均拥有完整且优势明显的全流程EDA工具,且部分流程工具在细分领域拥有绝对优势。三家企业占据了全球EDA市场约70%的份额,这个占比在中国市场可能更高,达到90%以上。其他企业则为拥有部分领域的全流程EDA工具或者聚焦于某些特定领域或用途点工具的企业。例如Ansys在热分析、压电分析等领域占据优势;Keysight的EEsof在电磁仿真、射频综合等领域具有优势;华大九天在FPD面板领域有领先优势。

由此亦可看出,发展并且拥有全流程工具对于EDA企业来说显得至关重要。

EDA格局或将再次改变

随着集成电路设计复杂度的提升、新工艺的发展,当前的EDA又呈现出新的发展趋势,即人工智能、云计算等技术在EDA行业的应用与融合。它们的发展或将再次改变EDA行业的发展格局,推动EDA进入一个新的时代。

日前,Synopsys宣布,亚马逊公司旗下的云计算服务平台部署了新思科技的VCS FGP技术。在云端运行相关技术,可让设计团队实现更高的效率,缩短验证收敛时间,获得优异的硬件性价比。许伟表示:“EDA上云是一个发展趋势,不管是算力还是大数据等云计算端都有着自身的优势,将有越来越多设计公司从自建私有云向公有云过度。”云技术的运算能力与储存容量与EDA技术融合,可以在很大程度上解决当前IC设计面临的算力缺口,为开发者提供实时可用的算力、更加灵活高效的开发环境、更加优化的成本,并缩短产品上市时间。

国微思尔芯资深副总裁林铠鹏也指出,EDA上云对于企业来说,最直接就是有望解决算力问题,特别是对初创企业非常有利。无论是设计还是验证,IC设计公司对算力的需求都非常大,很多小公司承受不起,只能用时间来换金钱。如果云端有更好的解决方案,对于它们来说将有非常大的帮助。

机器学习在EDA工具上的应用

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人工智能与EDA的融合也值得关注。芯片敏捷设计是未来发展的一个主要方向,深度学习等算法能够提高EDA软件的自主程度,提高IC设计效率,缩短芯片研发周期。据有关报告显示,机器学习在EDA的应用可以分为四个方面:数据快速提取模型;布局中的热点检测;布局和线路;电路仿真模型。目前,诸多EDA企业都在人工智能方面进行了深入的布局与开发。汪晓煜表示:“人工智能在大规模数字芯片优化、数字仿真验证、PCB设计综合等领域都有着巨大的发挥空间。以仿真验证为例,当前企业花费在仿真验证上的运算资源与时间呈指数级升高。采用机器学习,生产力提升的效率甚至可以达到10倍以上。”

国内EDA发展道阻且长

我国企业也非常重视EDA的开发。上世纪八十年代中后期,我国便开始投入自有集成电路计算机辅助设计系统的开发,并在攻坚多年之后,成功推出首套国产EDA——熊猫系统。这也是中国EDA产业的开端。然而,随着EDA对集成电路产业的战略意义不断提高,特别是近几年以来,已经有越来越多的企业开始切入这一赛道。国内目前已有了几十家EDA公司。

然而,众多企业的投入也导致国内EDA产业出现小而分散的问题。虽然在采访中林铠鹏认为,当前国内EDA产业与二十年前美国的情形有些相似,处于行业发展早期竞争阶段,几十家并不算多。然而,实现情况却是一些国内企业或许在个别点工具或者部分细分领域具有一定优势,短板却是产品不够全面,以任何一家之力都无法覆盖整个EDA产业链。难以提供全流程的产品正在成为国内EDA企业的主要问题。毕竟只有提供全流程产品才能更好支撑整个产业的发展。

借鉴国际经验,EDA的发展过程中,资本发挥了关键的作用,收购和并购成为EDA企业实现产品线整合的核心手段之一。然而,以目前国内的发展情况,短期内通过经济手段实现整合并不现实。那么,如何才能实现国内EDA产业的全流程化呢?

芯华章科技产品和业务规划总监杨晔表示,EDA行业有其特殊性,它涵盖了芯片产业从上游设计到下游封装测试的全链条,在这么长的产业链里,国产EDA企业势必没办法贪多求全,应该集中精力做自己最熟悉和擅长的一部分,因此,芯华章聚焦于验证这一决定芯片成败的领域进行突破。

除了聚焦某块领域进行突破,针对这样的状况,杨晔认为:“国内产业在发展初期阶段更应该注重倡导‘开放’,加强企业间的协同配合,目的是加强工具间的协同性,建设更完善的行业生态,提高芯片验证效率,共同建设开放共荣的生态圈。”

深圳鸿芯微纳有限公司首席技术官王宇成也认同这样的方式:“整合的方式有很多种,以目前国内的情况来说,经济上的整合并不现实。另一种可行的方式是进行技术上的整合,如果能把国内不同领域的EDA工具,甚至不同的点工具,以某种方式加以整合,最终给用户提供一个完整的解决方案,将具有非常高的价值。”

责任编辑:赵强


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