剖析芯片行业三大挑战,对话西门子EDA中国区总经理、亚太区技术总经理。

 

今年已是Mentor Graphics(现西门子EDA)进入中国的第33年。1989年,在中国EDA产业刚刚萌芽之际,已经走到成立第九个年头的Mentor Graphics,成为第一家进入中国市场的海外EDA企业。

 

从此开始,这家常年稳居全球EDA前三的企业,一边与中国80余所高等院校进行合作,推动中国集成电路行业人才培养的“输血”和“造血”;另一边联合产学研力量,为中国众多集成电路(IC)制造企业提供技术支持服务。EDA(电子设计自动化)被誉为半导体产业“皇冠上的明珠”,在帮助芯片设计公司降本增效方面起到关键作用。

 

作为其中的核心玩家,Mentor Graphics的战略布局长期备受关注。2017年3月30日,Mentor Graphics被工业现代化“巨型航母”西门子以45亿美元收购,归于西门子数字化工业软件部门,并在2021年初正式更名为西门子EDA。其全球EDA市占率从2016财年的20%一路增至2021财年的24%,中国也成EDA增速最快的区域市场。

 

由于身处集成电路产业上游,西门子EDA往往更早嗅到芯片产业发展的最新风向,其产业洞察与战略走向都具有参考价值。

 

集成电路产业正面临怎样的严峻挑战?仿真验证、异构集成存在哪些难点与解法?西门子EDA如何应对人工智能与EDA上云趋势?它怎么盘活西门子的工业软件资源?……围绕这些话题,西门子EDA全球副总裁兼中国区总经理凌琳、西门子EDA亚太区技术总经理李立基与芯东西等媒体进行了深入交流。

 

01.IC产业三类挑战待解两个基本方向助力数字化创新

 

如何过技术革新,联动产业上下游应对逐渐增加的市场挑战?这是数字化时代下的EDA领域绕不开的核心命题。在西门子EDA亚太区技术总经理李立基看来,IC产业正面临三类严峻挑战:

 

一是实现更先进的工艺技术(Technology Scaling),这要求EDA企业面向新的工艺节点提供解决方案,还要用3D的方案。

 

二是实现设计规模扩大(Design Scaling),这需要新的EDA方法论,以在有限的资源里将事情做完。

 

三是实现系统规模扩宽(System Scaling),有些公司是将芯片、软件、系统一起来做,在做整个系统时做验证与数字孪生,因此容许软件、机械和芯片同时间来做验证和设计非常重要。这也是西门子EDA着力解决的问题。

 

 

当前,西门子EDA助力数字化创新的核心在于把握两个基本方向:一个是以最终系统为导向的IC设计,另一个是针对PCB和下一代电子系统。

 

面向以最终系统为导向的IC设计,西门子EDA围绕技术扩展、设计扩展与系统扩展,提供满足下一代IC设计的创新解决方案:与晶圆代工厂合作伙伴和客户密切合作,为每个新的技术节点提供签核质量的Calibre物理验证、光学近似效应修正(RET/OPC)和Tessent测试与良率提升工具,以及先进异构封装解决方案,使客户能使用chiplet和堆叠芯片的方法来开发2.5D/3D IC封装产品,从而帮助设计团队满足PPA要求。面向PCB和下一代电子系统,西门子EDA的思路主要涉及帮助企业打造5项核心转型能力。

 

 

第一,数字化集成,为设计企业搭建新一代PCB设计环境,既可以随着设计的复杂性进行扩展,还可打造从设计到制造的数字主线,使设计团队与制造部门能够及时了解项目状态,并在全球范围内开展跨工程领域的协作。

 

第二,搭建系统级设计的概念及技术,建立从高到低的映射分解,实现架构可参考的设计,以加速产品研发流程。

 

第三,建立以数字原型驱动的验证,搭建覆盖整个研发流程的仿真验证技术,将验证流程“左移”至设计阶段,减少重新设计,加速产品交付周期,实现降本增效。

 

第四,基于模型的系统工程(MBSE)方法,对来自电子、机械和软件领域的子系统分别进行功能建模,并在设计开始前一起整合到系统架构级别的综合数字孪生中。

 

最后一步,增强供应链弹性能力,依托西门子完整的数字集成系统设计平台,并结合与制造、PLM和企业流程无缝协作的能力,帮助企业加速数字化转型。

 

02.破解仿真验证瓶颈应对异构集成三道难关

 

如今仿真验证是EDA的热门领域。凌琳认为,这是因为芯片设计的电路复杂度和规模越来越大,客户既面临技术挑战,也面临规模和资源的挑战,这是当前的一个关键瓶颈。

 

验证也是西门子EDA的一大重点,用李立基的话说,“布局很强”。例如为了满足市面上越来越多的混合芯片需求,西门子推出Symphony Pro平台,做数字与模拟信号混合仿真。该工具提供了全面、直观的可视化调试集成环境,来支持新的Accellera标准化验证方法,能将生产效率提高至传统解决方案的10倍。

 

 

凌琳说,验证很复杂,不光是电路本身的验证,还有外联设备,它的芯片将来放在什么系统中、性能跑多快、软硬件怎样协同、功耗会多大、prototype出来后好不好用……“我相信我们强大的武器库和联同业界生态伙伴的解决方案,能够更好地帮客户解决目前的热点和瓶颈的问题。”

 

谈及异构集成,李立基认为现阶段的挑战可以分为3个方面:

 

首先是制造,怎么把良率提升,怎么做得有效。

 

第二,要做chiplet,必须解决生态系统问题。EDA公司很多时候要解决设计客户的问题,刚开始做2.5D/3D IC异构集成技术时,第一解决的是它的功能对不对、几个芯片粘得对不对,西门子EDA已经解决了这个问题。

 

下一步,要解决的是在构建架构时,能否提前考虑这些问题,做完设计之后怎么做分析。另一个重要问题是散热。把这么多高功耗的芯片放在一起,需要做热分析的工具,传统热分析工具是单一材料,但在芯片里,大部分的热都是从中间的孔导过去的,所以在分析时没有特别处理。这个方面,西门子EDA的Calibre工具可以帮助客户解决问题。

 

据李立基分享,西门子EDA在先进封装的参与已超过十年,目前针对5个方面:一是在3D IC上做架构的定义,二是做分析工具,三是帮助解决制造过程中的一些可靠性和稳定的问题,四是解决设计、布局的相关问题,最后是做测试。

 

“任何一个工程问题,要解决的可能是成本效益各方面的考虑,所以我相信这两个议题是有异曲同工之处。”凌琳说,异构集成、EDA上云之所以很热,是因为现在做先进集成越来越贵、电路越来越复杂,不仅要用到软硬件计算资源,license资源、工程人员资源都非常贵。业界需要更便捷的方式来支撑峰值资源,这推动了异构集成、EDA上云的发展。

 

03.5类云解决方案,用AI技术优化EDA

 

为了更好应对不断增长的容量和计算能力挑战,西门子EDA提供了一系列云计算解决方案,为计算密集型验证任务,提供高性能的云配置。其云解决方案主要有5个部分:

 

一是Cloud Ready(云就绪),其现有工具已经准备好可在云上使用,客户能自主管理,可以用自己的云,也可以用第三方供应商的云。

二是Managed Cloud(云管理),客户可以用西门子提供的云服务和现有工具。

三是Cloud Connected(云联接),这个工具有一部分跑在本地,也有一部分跑在云上。如果仿真要用很多服务器,同时有些前端处理需要在本地进行,就可以用这样的方式。

四是Cloud Native(云原生),整个工具设计时已经是Cloud-based,完全在云上面去跑,它可以联接前端,在本地是做一个display。

五是Veloce云,这是硬件加速器,是云上服务。

 

 

借助人工智能(AI)技术,EDA软件也得到进一步优化。凌琳说,这些优化包括加速计算和精准度,以及有助于芯片企业的设计、制造或者DFM问题尽早被检查出来。

 

西门子EDA在模拟和数字芯片方面都提供有相应的工具。例如,其Solido产品可利用机器学习快速进行特征向量库的生成和提取,在更短时间实现更高的验证精度,并将所得数据以可视化方式呈现;Tessent测试与良率提升工具则能提供诊断驱动的良率分析(DDYA)方法,贯穿产品生命周期的完整测试,使用物理版图数据来改善测试和良率分析,将发现良率损失根本原因的周期时间缩短75~90%。李立基提到西门子EDA产品的一个优点是“不需要外面的数据”,Solido用库里的仿真数据去学习,Tessent良率提升工具、Calibre的SONR都是从制造端提取数据,然后去做学习,因此客户无需担心数据来源和模型泛化的问题,用自己手上的数据就能借助AI技术解决问题。

 

在制造先进制程芯片所不可或缺的光刻环节,OPC(光学邻近效应校正)是核心难点,凌琳说,这是西门子EDA非常重要的战略领域。它需要收集海量的硅数据,才能把一个模型做到精准。该模型要在普适情况下有巨大的计算量,需实时运算。

 

对此,西门子EDA用机器学习方法简化计算量,修正形状。即便如此,OPC的运算还需要上千个甚至上万个CPU去跑,这是非常艰难的工程问题,需要EDA厂商、工程厂商甚至机台厂商合作等生态链上下游协同努力。

 

04.与西门子工业软件互补持续并购,加强纵深

 

在加入西门子的这五年,西门子EDA已经很好得融入西门子数字化工业软件部门。凌琳谈道,一些EDA公司开始寻求跟工业软件进行合作,从芯片的设计拓展到系统、制造的后端。而西门子从十年前就洞察到这种趋势,并在2017年做出在今天看来非常正确的战略判断——收购Mentor Graphics。

 

这是个双赢之举,加入西门子后,西门子EDA获得了更大力度的资金与人力支持。其研发人员呈两位数增长,这还不算那些随着兼并进入的新成员——过去五年,西门子陆续并购了多家关键的EDA领域公司,将这些团队并入西门子EDA,不断加强其EDA产品线的广度和深度。

 

从布局布线软件开发商Avatar到IP解决方案供应商Fractal Technologies;从信息服务商Supplyframe到形式验证软件供应商OneSpin,从监测和分析解决方案提供商UltraSoC到原型验证解决方案proFPGA,西门子EDA在此基础上不断加固在布局布线技术、fab-to-field工厂现场分析能力、集成电路完整性验证解决方案以及验证IP模块和设计等方面的能力,逐渐完善涵盖IC设计与验证、IC封装与制造、电子系统以及延伸至产品生命周期管理(PLM)及分析领域的全链条解决方案。

 

“并购是主流EDA的一个大概率事件,但与此同时,并购后的产品要在自己的体系里得到更好的融合和应用,这才应该并购的真正目的。”凌琳说,“最终的目的是一样的,第一是要在生态系统里面连接上下游,另外要支撑客户去做更艰难的、更复杂的设计,让客户用好你的工具。”

 

反过来看,西门子EDA专注的芯片设计和印刷电路板及系统的设计,对西门子数字化工业软件也是补强,使其形成一个更完整的闭环,能够从头到尾更好地实现从设计到物理世界的对接,实现更完整的数字孪生。双方产品及解决方案相结合,已经能够提供系统级、跨学科、综合性的数字孪生,考量从芯片设计到机电一体化的系统方案设计。

 

其中一个经典之作是自动驾驶硅前验证环境PAVE360,它既有工业软件,也用到了西门子EDA的硬件加速器。该工具以数字孪生为核心,为下一代自动驾驶系统芯片的研发提供了一个跨汽车生态系统、多供应商协作的综合环境。在自动驾驶系统还没做实物时,它就能对所有自动驾驶系统核心的传感/决策/执行范例进行完整的闭环验证,在芯片投片之前就可以模拟和预估芯片的性能和功耗,解决自动驾驶系统的设计问题。

 

此外,李立基也看到西门子EDA与西门子其他工业软件的另一大融合机会在3D IC,比如3D设计和封装可以用西门子的机械设计软件解决,有一些机械应力、热分析问题,都是西门子EDA与西门子数字化工业软件一起合作解决的。凌琳相信,西门子EDA、西门子数字化工业软件能够全面集成,从电子、电器、机械、热能,包括嵌入式软件,整个跨技术领域的设计、制造和生产。同时,他们还整合了很多流程管理的一些软件,从产品、制造、设计、仿真到产品线的规划,来满足大型企业的诉求。

 

05.结语:理性看待半导体周期

 

面对半导体行业可能增速下调的趋势,凌琳认为,应将时间轴拉得更长,理性看待这样一个周期。很多年前,当时还是Mentor CEO的Walden C. Rhines博士曾讲过一个经典观点,半导体虽是一个周期性产业,但是它跟全球GDP的增长关联性非常强。

 

整个经济在往上发展,半导体行业也总会往上发展。据他观察,EDA的增速向来略高于全球半导体行业的增速,这两年,半导体行业及EDA的发展非常快,整个市场容量增长超过往常。虽然消费电子需求转弱,但汽车电子、智能化、数字化工业控制等领域需求依然旺盛。

 

“结构性缺芯一直会持续下去,整个半导体周期的成长,我认为不会产生长期的低迷。”

 

纵观整个半导体发展,不管周期性上下,EDA发展一向稳健。在他看来,其原因在于经济不好、需求不旺盛时,很多高科技公司、芯片公司反而会加大力度投资、研发,以期经济回暖之时能快速占领市场,而EDA恰恰与各个高科技公司的研发高度相关。

 

“资源都会枯竭,唯有文化才会生生不息。”凌琳谈道,西门子创始人维尔纳·冯·西门子先生曾有一句名言:“绝不为短期利益而牺牲未来。”在他眼中,西门子EDA也有类似的基因,要“有道德的赢”,实现长期的、有远见的发展。他相信西门子EDA会因地制宜,因需而设,为客户提高效能,并加强对本土客户的一些支持,同时也致力于与国内外伙伴合作打造一个互通的、开放的生态系统,共同推动中国集成电路和半导体事业可持续的发展。

 

作者 |  ZeR0

编辑 |  漠影