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国产EDA软件,路在何方?

2023/05/14
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电子设计自动化软件EDA被誉为芯片之母,也有人称是“芯片设计皇冠上的明珠”。它是集成电路的重要工具,被广泛用于集成电路设计、仿真验证、封装、芯片制造等各个环节,EDA人才更被誉为是“人才中的精英”。近年来国产EDA软件快速成长,国内的市场占有率也在逐步提升,这是否会重塑中国乃至全球EDA市场格局?随着EDA软件仿真算法的完善与计算速度不断提高,未来EDA软件还会发生怎样的变化?

与非网邀请多位业内专家,一起解析国产EDA软件从技术到市场的难点,以及对未来的展望。

走过的路

何谓EDA软件?EDA是Electronic Design Automation(电子设计自动化)的简称,从名字可以看出,它的本质是利用计算机技术来辅助设计芯片的软件,基于CAD计算机辅助设计、CAM计算机辅助制造、CAT计算机辅助测试等软件发展而来。

那么,芯片的设计是不是也和建筑一样,也从“手绘”发展过来呢?

最早的集成电路结构就是手工做出来的,因为当时的电路只有几个晶体管工程师用手工就可以完成制造,是真正意义上的“手搓芯片”。彼时人们就使用纸笔绘图,将集成电路记录下来,后来也逐渐开始在电脑上进行手动绘制,即CAD时代。但随着晶体管的数量越来越多,手工绘制出错的概率就越来越高,不会出错的自动布线工具与标准化硬件语言应运而生,后来也就发展成了EDA。

Jack Kilby(集成电路发明者之一)记录他集成电路想法的笔记 图源:互联网

EDA看起来是一款设计软件,但它的内部包含融合了图形学、计算数学、微电子学、拓扑逻辑学、材料学及人工智能等多学科的算法技术,制作一款从零开始制作一款EDA软件难度极高,在资金、人才以及时间上缺一不可,这也是它被称为“芯片设计上的皇冠”的原因。

广义上的EDA软件包含软件与硬件两部分。软件部分包括设计、仿真、验证等功能,是EDA的核心与关键;硬件部分用来对软件的相关功能进行加速或搭建服务器,是EDA的辅助部分。EDA几乎贯穿了芯片从设计到流片的全部过程,没有EDA软件就没有如今的芯片。

EDA软件从诞生至今,市场格局的变化并不大。目前大部分市场被Synopsys、Cadence、Siemens EDA(Mentor)“三大家”占据,三家市占率之和达到75%。这三家公司长期在EDA领域深耕,各自具有独特优势,不过最重要的是,它们已经基本具有了覆盖芯片设计全产业链的能力,也就是前端(数字+模拟)、后端验证全覆盖,此外Synopsys与Cadence还拥有大量IP授权。因此三大家EDA公司目前拥有无可比拟的优势,让后来者难以挑战。

2021世界EDA市场格局  图源:Trendforce

其实我们本土的EDA软件起步很早,1993年就诞生了国产首套EDA——熊猫系统。不过进入90年代,美国解开了对中国的EDA禁令,美国先进的EDA迅速来华,一路攻城略地。1994年,Cadence进入中国,走出了进口EDA软件在国内的第一步,一年后Synopsys和Mentor Graphics也布局中国。外加彼时“市场换技术”成为国内的主流选择,国产EDA也就此沉寂。

2008年,《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)》发布,EDA软件作为重大专项名列其中,此后国产EDA软件再次闪耀出光芒。那年市场上涌现了广立微、芯愿景、爱克赛利、圣景微、和讯美等公司。其中脱胎于熊猫系统的华大九天的EDA部门也独立出来,开始专注于EDA软件的开发,如今已经成为国产EDA软件的龙头企业。

国产EDA真正走上快车道还要在近几年。从2018年开始,中美贸易摩擦升级,包括EDA软件在内的多项高新技术受到美国打压,全国都将目光放到了风口浪尖上的半导体产业上,于此同时国家也密集出台多项EDA扶持政策。风口来临,更多的新兴EDA企业涌现。根据中国半导体行业协会数据,2016年至2020年,中国EDA软件行业市场规模从57.4亿元增长至93.1亿元,复合增长率为12.85%。

如今国产EDA经过不断的学习与发展,虽然在全流程验证上距离三大家还有较远差距,但在细分领域上各自都具有优势。国产EDA软件就此迎来蓬勃发展的春天了吗?

 

脚下的路

(一)路途坎坷

如果选择一个领域创业就像是玩游戏选择难度的话,那么国产EDA软件的难度就是“噩梦”或“艰难”。

缺钱,缺人,缺需求,是横亘在国产EDA软件面前的三座大山。英诺达(成都)电子科技有限公司副总经理熊文表示:“目前国产EDA软件挑战来自几个方面,一是国产EDA行业刚刚起步,比起国际市场上成熟的EDA全流程工具仍有不小的差距;二是行业人才的缺口短时间内难以填补,无法满足企业快速发展的需求;此外,行业整体研发投入不足、产业生态尚不成熟等都成为EDA发展的瓶颈。”不过,熊文也提到,由于市场对国产化的迫切需求,EDA行业发展潜力巨大,在这个百家争鸣的时代,各家企业应当充分发挥自身优势,打造差异化的产品和服务。

相较于“三大家”,国产EDA软件面临的最大问题与芯片相似,那就是生态问题。一颗芯片的诞生,要经历设计输入、前端仿真、逻辑综合、验证、布线、后端仿真以及版图验证等工序才能流片,这其中涉及到的多种EDA工具多种多样。

国微思尔芯董事长兼CEO林俊雄表示:“由于芯片开发本身的特殊性,行业内主流的EDA工具就有上百种,每一种点工具都有其特定的使用功能,遍布于芯片设计、晶圆制造及封装测试的各环节。”若在每一个环节使用不同的EDA工具,不仅要解决不同软件之间接口不统一的问题,还可能造成数据失真,算法冲突,以至于最终流片失败的后果,这种不确定性可能带来高昂的损失,很多小芯片企业难以承受。

更关键的是,当整条产业链上的人员已经习惯了三大家后,后续所有的教科书、使用教程都会围绕这三家的产品设计,用户习惯就会很难被改变。林俊雄补充道:“如何让客户切换到一个全新的、不完整的、客户不熟悉的EDA工具是难点之一。”“就连三大家也是通过大量并购,才具备了提供全套的芯片设计EDA解决方案的能力。三大家也有自己各种的优势领域,也做不到全链条通吃。这也足见EDA软件种类之多,流程之复杂。而且每一个工具的研发都需要大量的人才与资源,人才培养也要花时间。”

三大家尚且如此,国产EDA软件,路途更加坎坷曲折。

(二)路有花香

处境如此艰难的国产EDA,应该怎么活下来?

在这两个问题上,芯华章给出的答案是:战略上树立终局思维;产品研发上走差异化道路;执行上“广积粮、高筑墙、缓称王”。芯华章科技首席市场战略官谢仲辉认为:“战略上,国产EDA虽然起步较晚,但也因此有更高的技术起点,因此我们可以少走弯路,针对工具几十年发展下来积累的问题,诸如数据碎片化、工具不兼容、缺乏创新等痛点,从底层架构就开始创新,做出工具的差异化竞争优势,打磨更符合用户需求的产品。”

符合用户需求反应在在产品上,就是要打造一套统一底层架构的验证平台,为客户提供平台化的产品和解决方案,提供统一的编译与调试系统等。目前全球高端制造工艺逐渐进入瓶颈、中端制造工艺产能迅速发展,越来越多的芯片制造商将目标调整为更低设计成本和更快系统创新周期,追求在芯片系统应用中更好的表现。换言之,在成熟工艺上,良好的用户体验成为EDA软件更重要的追求。谢仲辉表示:“芯华章的数字仿真产品采用了大规模多线程并行仿真技术,相比传统的逻辑仿真器可以更好地满足大规模的验证需求,验证速度也有1-2个数量级的提升。”

最后,广积粮、高筑墙、缓称王指的是“高起点”、“厚积累”、“求创新”。谢仲辉解释到:“广积粮,就是积累人才,把产品做丰富;高筑墙,就是建立人才、资金、专利高墙,保证自身竞争优势;缓称王则是指专注自身优势领域,成体系有规划的发展完整方案与技术。”总结来说,市场在哪?国产EDA可以更符合用户需求,切入三大家覆盖不到的市场。怎么做?答案已经给出。

思尔芯董事长兼CEO林俊雄也表示:“事实上,没有任何一家企业能在所有EDA工具上都有优势。思尔芯一直以来通过更贴心的服务征服客户,打造自身的差异化优势。”

(三)后继有“人”

文章开头提到,国产EDA有三大问题需要克服:钱、人、需求。

美国为了遏制中国半导体产业崛起,在2022年8月宣布限制EDA软件对华出口,这对中国的芯片制造业来说是寒冬来临,但客观来说也为国产EDA软件的发展提供了机遇。为了加快拉近与发达国家EDA研发水平的差距,近年来中国积极推进中国EDA的发展,多项鼓励支持政策近期高频推出,华大九天、概伦电子、广立微也在近期密集上市,还有更多EDA企业正在交易所排队,相对几年前,如今的国产EDA软件手头没有也没有那么紧了。钱和需求有了,人从哪里来?

人民日报对国家人才强国战略有如下点评:千秋基业,人才为本。千秋伟业,人才为先。人才,无论在哪个行业都是万事之本。EDA软件之所以被称为“芯片设计皇冠上的明珠”,在于它的多学科融合,也导致EDA相关人才的稀缺。因此,培养EDA人才不能简单的认为在大学加一门课这么简单,EDA人才的培养需要成体系。不过国产EDA面对的人才危机还要叠加软件生态固化的挑战,目前EDA三巨头厂商会面向全球学生推出“低价套餐”,从而培养学生的使用习惯,很多大学开设的EDA课程基本只有国外大厂EDA软件。人才培养难,生态壁垒高,国产EDA怎么打?

林俊雄与谢仲辉的观点相似,都是基于现状建立国产EDA自己的大学生态。记者总结回答后,得出以下观点:

1、推出自己的EDA软件相关活动,活动中不仅要包含硬件工具的教学,还要加大对科研与教学活动的支持,来方便高校师生更便捷的掌握EDA工具;

2、积极参与并支持EDA赛事。大赛活动能结合实际应用场景、围绕产业真实需求,为大学生提供实操锻炼机会,也让学生更充分地认识EDA;

3、积极与相关协会、机构、大学教授进行合作,让课程围绕行业设立,采用理论融合实践的形式,能很好地与校园内教育进行衔接,指导学生职业发展方向。EDA公司也可以引入高校的优质教学资源和研究成果,同时为高校的学生提供更多的实践机会,共同打通产业人才培养的“最后一公里”。

国产EDA曾经后继无人的情况,在行芯董事长兼总经理贺青看来,这个局面已经开始改变了。目前行芯正在与高校合作,在现有课程中加入培训,并在内部构建一整套完整的培训体系、教练与训练场。芯华章针对高校用户推出了大学计划——“芯光计划”,打造EDA专才计划“X-行动”等活动,旨在培养更多EDA技术人才。去年7月成立的国内首家EDA企业研究院,也将为长期培养人才做准备。思尔芯已与西安电子科技大学等知名高校进行合作,共同开展EDA人才培养项目。

 

未来的路

(一)算力时代

长期以来,国产EDA软件只能活在三大家业务链的“缝隙中”,利用差异化与定制化来卷出一片天。不过随着今年二月以来,以ChatGPT为首的AI大模型横空出世后,国产EDA似乎有了打“翻身仗”的资本。ChatGPT对EDA软件有影响吗?有,而且不小。

EDA的诞生,就是人类利用自动化软件辅助设计的结果,而AI大模型则是人类自动化工作的全新成果。TSMC和英伟达在报告中指出,通过AI+GPU助力,计算光刻效率提升了几十倍。谢仲辉表示:“ChatGPT在某些代码生成领域显示出了不错的表达能力,比如能够生成一些基本的和定义清晰的函数;能够与用户进行简单的代码编辑,例如可以更改具体参数。这在未来,也许会演化出推动EDA更加智能化发展的功能。”不过他认为现在ChatGPT仍然只有辅助作用,仍需要专业的、有经验的工程师主导。

林俊雄认为,ChatGPT的爆火还变相的提升了EDA需求。AI训练需要海量的数据与参数,算力大小在一定程度上能决定AI的能力。因此,AI领域的持续进步需要大量的算力芯片,芯片的复杂度也急剧上升,整体市场对AI芯片的需求旺盛,也给EDA工具带来更多机会。

熊文表示,ChatGPT等AI工具极度依赖算力,业界现在普遍认为算力发展的重要瓶颈之一就是能耗,如今工艺制程渐渐放缓,单纯依靠工艺显然已不足以解决能耗问题。这对于欧美以及国内的EDA企业来说都是艰巨的任务。

记者综合以上回答认为,AI大模型的出现可以推动全新的设计方法出现,高算力带来的新需求也给国内外EDA企业带来新机会,这或许能迫使国内外EDA企业重新站到同一起跑线前。尽管目前ChatGPT还未能展现出对EDA软件跨时代的影响力,但随着未来算力提升,AI赋能下的EDA软件将会颠覆传统设计方式。

(二)云端时代

最近,“上云”成为互联网热词。很多专家都在向外界传达这样一种观点:云端EDA软件的逐渐流行大大加速了EDA的工作流,云端EDA就是EDA软件的未来。在如今算力紧缺的时代,EDA上云,真的有需求吗?

本次EDA专题采访的四位受访者都对EDA上云表示肯定。记者总结了EDA上云的优势:

1、EDA上云能节省成本。近年来国内受到地缘政治因素影响,政策对于芯片公司的扶持力度越来越大,芯片需求也在不断提高,芯片设计公司如同雨后春笋般不断出现。但在全球经济下行的大趋势下,芯片设计初创企业往往面临着资金短缺的难题。EDA软件所必需的服务器成本成为初创企业难以逾越的鸿沟。此外,ChatGPT等AI大模型的出现,也同时带来了全球对算力资源的渴望,大量AI企业加入到争夺算力资源的行列中来。因此,对于初创企业来说,一种可扩展、避免大量资金投入、能够快速采用的云平台或许是解决这些问题的关键。

2、需求波动。在芯片设计的特定阶段,往往对芯片算力的需求是“无上限”的,这种需求并不稳定,芯片设计公司不能一味地扩大本地数据中心规模。因此云模式可以很好的解决这一痛点。此外,EDA上云还能平滑的解决多项目并行带来的算力资源抢夺问题,降低EDA的购买成本,提供更灵活的使用方式,进而提升研发整体的效率。

3、安全问题。半导体行业对数据安全的要求非常严苛,当下网络攻击复杂难防,企业的IT运维压力陡增,企业可以将这部分工作移交给专业的云平台或第三方来维护。

不过云平台的模式还在探索和发展的初期阶段。谢仲辉表示,EDA上云不是简单地将现有EDA放到云计算平台上,而是需要与云平台和云上多样性的硬件结合,充分利用成熟的云端软硬件生态,包括用弹性算力去部分取代人力投入、商业和使用模式的优化,以及采用适合云平台的软件架构等。

(三)Chiplet时代

Chiplet不同于传统芯片将所有器件放在单一裸晶(Die)上,它将多种不同核心分散到多个微小的Die上,就像是搭积木一样。

从Fab的角度看,Chiplet被认为是解决摩尔定律失效问题的关键,More than Moore。这种方式可以将不同的工艺节点的Die混合封装在一起,在性能、功耗以及性价比方面都较传统芯片有很大的提升。

Chiplet技术较传统技术优势明显,然而其多核的复杂性,使得验证技术和工具成为其发展瓶颈,也对EDA软件提出了更高的要求。谢仲辉表示:“由于系统益发复杂,封装里面的功耗分析、散热分析等都需要及早引入系统设计和验证来驱动整个设计、制造和测试与终端的使用形成闭环。”

“过去的四十年里面,不断发展的工艺和架构设计共同推动着摩尔定律持续前进,即使是今天也还有3nm、2nm、1nm先进工艺在地平线上遥遥可及。但是从现实趋势来看,更高工艺、更多核、更大的芯片面积已经不能带来过去那种成本、性能、功耗的全面优势,摩尔定律确实是在进入一个发展平台期。”谢仲辉举例,目前苹果、特斯拉华为、谷歌、阿里巴巴等手机、汽车、服务器、AI、云服务等高科技系统公司,都在从“采购和使用通用芯片”,转向“定制自己的芯片”,在内部不断加强芯片团队方面的投资,通过SoC芯片和ASIC芯片的创新来实现系统创新。Chiplet就是这个趋势下的一种表现。

林俊雄同样认为异构验证未来可期,他表示:“随着计算和通信的需求越来越高,现有的芯片设计架构已经不能满足市场和用户的需求了。异构芯片开发已成为如今芯片开发的趋势。我们已经在该领域下功夫,整合多种验证方法,不断创新验证工具和流程,进而提高验证的准确性和效率。”

记者认为,目前chiplet等异构技术的出现,给EDA软件提出了新的挑战。在摩尔定律停滞的大背景下,新技术所带来的“敏捷验证”、“快速迭代”、“方法整合”等新需求,也带给国产EDA软件更多机遇。

写在最后

本文通过对业内多为专家的采访,剖析了国产EDA软件面临的困境和机遇,并展望了未来发展前景。尽管国产EDA软件面临诸多挑战,但是随着新技术的涌现和政策的扶持,国产EDA软件正朝着创新、差异化竞争的方向发展。未来,随着AI大模型、云端EDA和异构技术的广泛应用,国产EDA软件市场的机会将会不断增多。

在这样的背景下,国产EDA软件企业应不断提高技术研发和市场营销能力,加强人才引进和培养,深度挖掘市场需求和用户需求,并不断创新和探索,才能在激烈的市场竞争中获得更多的机遇和成功。

最后,感谢芯华章科技首席市场战略官谢仲辉、思尔芯董事长兼CEO林俊雄、英诺达(成都)电子科技有限公司副总经理熊文以及行芯董事长兼总经理贺青对与非网EDA专题文章的详细回答与大力支持。

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