EDA软件为什么重要?

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时隔一年,5月15日,美国政府再次动用国家力量来封杀华为。与去年“516实体清单”的影响相比,这一次的打击更为精准和彻底。
简单说,就是如果全世界有哪家半导体企业,要为华为生产芯片,就需要先获得美国的许可。
为什么美国政府可以管得这么宽?因为全世界无论哪一家半导体企业都在或多或少使用着美国企业的软件和技术。这就是所谓的“长臂管辖”。
难道中国的半导体企业也要受此约束吗?理论上来说是这样的,因为我国的半导体产业链中一些底层技术只能采用美国的技术。
美国此次对华为芯片产业的全面限制升级,涵盖芯片设计的上游软件、芯片制造的上游设备以及当前最主要的有台积电代工生产的7nm的芯片制造。美国商务部对华为芯片产业链所有环节可谓是进行了一次定点式精准打击。
首当其冲的的是芯片设计的上游EDA软件。虽然华为可以设计芯片,但是IC设计的高端软件EDA工具仍然基本上由Cadence、Synopsys、Mentor三家美国公司垄断。而在中国市场,这三家EDA软件公司更是占据了95%的市场份额。

就华为来说,自去年516之后,美国这三大EDA厂商与华为的合作已经先后终止。这意味着,华为自那以后再没有获得新工具和新升级服务,但是可以继续使用华为已经购买和获得授权的EDA工具。也就是说,目前华为海思还可以采用老版本EDA做IC设计。
然而长期来看,EDA软件的国产化替代势在必行。有分析者认为,美国的技术限制正在给我国国产EDA软件的发展带来机遇。
话虽如此,我们也必须清醒地认识到中美两国在EDA软件上面的技术差距,以及国产化替代的难度。但同时我们也要放弃“妥协投降”的幻想,寻求技术突围的可能。
EDA软件为什么重要?
如果把芯片制造比作建造一座大厦的话,IC设计就是大厦的设计图纸,EDA软件就是这张图纸的设计工具,只不过EDA软件比建筑设计软件的复杂度要高出N个数量级。
EDA是电子设计自动化(Electronics Design Automation)的简称,是在电子CAD技术基础上发展起来的计算机辅助设计软件系统,融合了应用电子技术、计算机技术、信息处理及智能化技术的最新成果,进行电子产品的自动设计。
利用EDA工具,电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统,并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程,在计算机上自动处理完成。EDA技术可以广泛应用于电子、通信、航空航天、机械等多个领域。
随着集成电路技术发展,EDA软件越来越被业界等同于 “芯片设计软件工具”的代名词。
也就是说,EDA软件是芯片设计的重要工具,但由于芯片设计的复杂工艺、精细化分工和多技术综合,EDA软件并不是单指一个或几个软件,而是涉及近百种不同的技术,涵盖多种“点工具”的软件工具集群。

EDA软件可以极大地提高芯片设计的效率,同时在芯片制造、封测环节也有应用。EDA与半导体材料、设备共同构成集成电路的三大基础。
如今的一颗芯片上面,至少数亿到数十亿以上的晶体管,设计过程中需要进行持续的模拟和验证,这些过程都离不开EDA软件。没有EDA 工具,水平再高的芯片设计师也没有用武之地。
从EDA在芯片设计和制造上发挥的基础性作用上看,其重要性是不言而喻的;而从EDA软件的复杂度上来看,其技术实现难度又是非常大的。
具体来说,在芯片的前端设计中,包含了芯片规格的制定和详细设计、HDL编码、仿真验证、逻辑综合、静态时序分析(SAT)以及形式验证;而后端设计中,包含了可测性设计(DFT)、布局规划(FloorPlan)、时钟树综合(CTS)、布线(Place & Route)、寄生参数提取以及版图物理验证等等……

从上面这些设计流程所使用的工具上来看,它几乎都被Cadence、Synopsys、Mentor三家美国公司垄断,这可能让很多呼吁EDA软件尽快国产化的人们感到失望。
那么,我国的EDA的国产化替代到底面临哪些挑战呢?
EDA国产化替代面临哪些难题?
我们首先要理解EDA产业的特点。EDA是集成电路产业链当中极其重要的关键基础环节,但又是产值相对较小的一个高度集中化的产业环节。
2018年相对于近五千亿美金的芯片产业,整个EDA 的市场规模仅为97.15 亿美元。而其中有70%的市场份额都由EDA 三巨头Synopsys、Cadence 和西门子旗下的Mentor Graphics 占据。全球EDA产业已经形成了三巨头公司寡头垄断格局,在中国市场上,EDA的市场份额中三巨头更是占到了95%以上,集中度更高。
这不仅极大的挤压了我国EDA产业的发展空间,同时也严重影响了我国EDA软件的国产化的研发节奏。90年代,当美国解除了对中国的EDA禁令之后,美国的先进的EDA软件迅速来华,一路攻城略地,致使中国刚刚起步的EDA自主研发的节奏被打乱,“市场换技术”成为了此后十几年的路径依赖。

与美国高端、成熟的EDA产业链相比,我国在EDA产业发展上面有哪些难点呢?
首先是技术门槛。EDA工具是一个“多工具”组成的软件集群,目前我国的企业在部分工具上实现了突破,但目前在完整可用的全流程工具链上,还需要更多的技术积累,而这并非短期之内就能完成。
其次是技术集成度高。EDA是芯片设计公司、晶圆厂、EDA软件商长期协作的成果,需要大量的人才投入、数学优化和经验积累,并非一朝一夕可一蹴而就。目前许多EDA企业不仅提供EDA软件,同时也提供IP设计,既能降低成本,又能通过开发一些定制化EDA功能来提高IP质量,成为当前主要流行的模式。我国在先进制程上面的集成设计能力显著落后于国外2-3代。
再次是人才门槛。在EDA软件研发人才方面,国内设立EDA专业的高校不太多,而且互联网和金融行业吸引了大量的软件开发人才,导致EDA软件研发人才严重不足。
最后,我国在EDA技术的知识产权保护上面也亟待加强。
目前,EDA成为我国半导体行业实现自主可控的关键瓶颈。在EDA软件领域,我国已拥有华大九天、广立微、芯禾科技、蓝海微、九同方微、博达微、概伦电子、珂晶达、创联智软等企业,需要在克服以上的难题中,实现由“点”到“面”的全面突破。
EDA软件国产化替代如何破局?
我们先看当前现状。去年516实体清单事件前,华为获得了当时版本EDA工具的永久授权。由于这些EDA软件能够领先实际芯片制造工艺两三年,所以短期内EDA禁令对华为的芯片设计不会有太大影响。
然而如果因为技术出口禁令的持续,华为无法得到更新升级的EDA新版本工具,将极大制约华为在更高端的芯片技术的迭代发展。
不久前,华为尝试与意法半导体(STM.N)联合设计芯片,其中一个目的也是想获得EDA设计技术,以找到美国技术禁令之外的技术备案,但是随着这轮制裁加剧,这一合作也可能终止。

目前,华为只能将14nm的芯片制造订单转移给国内的中芯国际。而在在5nm和7nm芯片制造上,中芯国际依然落后于台积电的技术和工艺。这其中一个很大原因还是在于为中芯国际提供芯片设计软件的国内厂商,无法在高端芯片的设计上面实现突破。
从长远来看,我国EDA软件的国产替代方案势在必行。美国新一轮技术限制的升级反而坚定了我国半导体产业自主化的决心和速度。而一系列因素也在悄然推动我国EDA软件产业的发展和破局。
首先,国内的EDA领军企业正在得到来自国家和投资机构的多项资助和战略投资。
就在5月15日晚,中芯国际发布公告称,国家集成电路基金二期以及上海集成电路基金二期对中芯南方分别注资15亿、7.5亿美元。此举将极大地扩充14纳米晶圆的产能。
同样国家也在加大对EDA产业的资源倾斜力度,推动EDA软件的自主化发展。其中,国微深圳的专项子课题“芯片设计全流程EDA系统开发与应用”(“该项目”)已获国家重大科技专项立项,将获得该项目共计约4亿元资助。而作为本土最大的EDA公司华大九天近几年也已获得我国各类投资机构的多达数亿元的多轮投资。
在政策扶持上面,面对国内EDA软件无人使用的状况,给予国内EDA软件一定的采购倾斜。比如,近日深圳印发的《关于加快集成电路产业发展若干措施》,其中推出首个国内明确支持EDA研发的政策,包括EDA研发的资助奖励,购买国产EDA软件的费用补贴等。
其次,在市场层面,国内IC产业的新发展也为国产EDA软件的发展带来一定机遇。
国内芯片目前普遍采用的都是12nm、7nm等新工艺,迫切要求国内EDA软件研发出可以媲美国际大厂的产品。只有在基于最先进工艺的设计中,才有可能发现流程的缺陷和潜在的产品机会。当然,这对国内IC设计的企业提出了一定挑战,但在美国随时可以“卡脖子”的情况下,我们必须要付出一些试错成本来推动国产EDA软件的进步。
像AI芯片、IoT芯片等新应用兴起,对现有EDA行业和芯片设计流程带来了新的挑战,同时也给中小EDA公司带来了很多新的技术研究方向,成为他们突破EDA巨头优势壁垒的新机会。
第三, AI技术作为新变量正在为国内IC设计带来突破。
近日,谷歌就在运用AI算法来学习芯片的规划布局,从而在更短时间内,可以设计出超越人工设计的产品。而同样,AI技术也正在EDA公司中被广泛采用。比如,华大九天推出的Empyrean Mcfly,就是用AI的算法加速IP验证,通过AI学习以前的IP案例,对新的IP进行验证,验证精度达到99%左右。
另外,如果我们要站在更长远的角度来看待这一次美国的“断芯”事件,我们就必须意识到完善的技术创新的产权保护和成熟的人才培养机制,才是我国能够实现核心技术掌握在自己手里的根本方法。

最后,我们还要冷静地意识到,EDA软件以及其他芯片制造的相关核心技术的国产替代,绝对不是一件水到渠成的事情。想一想日本半导体的兴盛和衰落,就是我们的前车之鉴。
从短期来看,现有国外EDA软件的禁用不会对华为造成致命性的影响,但是受美国整个半导体技术限制升级,华为则面临更凶险的局面。积极博弈和寻求“备胎”成为当下要同时进行的两手准备。
从长远来看,国家及业内不能再对美国抱有“妥协”和“求放过”的幻想。产业各界必须拿出耐心和决心来投入基础科学和核心技术的发展与研发当中。
而在这条更加艰难的道路上,我国的芯片产业以及相关的科技产业,要做好长期承受苦痛的心理准备。对于EDA软件产业,更是如此。

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古之立大事者,不惟有超世之才,亦必有坚忍不拔之志。

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