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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
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