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西门子EDA:星火燎原,助力中国半导体产业高速发展

2023/10/20
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阅读需 16 分钟
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与全球庞大的电子产业和数字经济产业相比,EDA的市场规模虽然有限(SEMI数据显示,2021年EDA市场规模132.75亿美元),却支撑起了年产值数千亿美元的IC制造行业、数万亿美元的电子产业、数十万亿美元的数字经济产业。EDA作为这条倒金字塔产业链的基石,成为集成电路、电子信息、乃至数字经济的有力赋能者。

如今,全球科技产业正迎来新一轮创新周期,5GAI智能汽车、IoT、云等细分市场的兴起,将开启一个全新的智能化时代。如何赋能数字经济高质量发展?如何为产业升级注入源源不断的动力?以EDA为代表的基础技术变革越来越关键。

见证中国半导体产业快速发展

西门子EDA是第一家进入中国市场的外资EDA企业,今年也是它立足中国市场的第34年。

90年代起步时,西门子EDA以印刷电路板PCB业务为主。约在2000年前后,以上海张江高科技园区为代表的集成电路芯片制造公司开始涌现并集聚。当时,西门子EDA在芯片制造以及测试方面的软件在全球高速成长,因此和广大制造企业建立了紧密合作,促进了中国半导体制造业跟随摩尔定律的演进和发展。

与此同时,伴随中国市场对电子产品通信设备的需求大幅增长,本土的芯片设计企业迎来了广阔机会。对这些Fabless企业来说,EDA软件就是他们最主要的工具之一,西门子EDA通过专业的电子设计自动化产品及服务,对企业的芯片设计/优化、加速产品的落地和创新起到了重要作用。

回顾过去,可以说西门子EDA伴随了中国半导体产业的高速成长。通过先进的EDA工具、完整的解决方案、专业的服务,西门子EDA助力中国本土芯片设计公司和制造企业不断提升竞争力,并且通过大学计划、EDA工具的能力培训等,对本土行业人才的持续培养,以及对中国芯片产业的快速发展起到了重要支撑。

应对半导体产业升级挑战

2022年,半导体产业有一个标志性事件——高性能计算(HPC)芯片超越智能手机芯片,成为台积电占比最大的芯片制造收入类别。除此之外,不断涌现的AI应用,也在催生新一轮大算力芯片的创新。那么,EDA在推动芯片变革、促进产业升级方面,面临着哪些新的机遇和挑战?

西门子EDA全球副总裁兼中国区总经理凌琳谈到,中国拥有全球第一的数据增量、增速,同时,中国市场有海量的数据分析运用场景,在此背景下,中国大力发展高性能计算、人工智能芯片将势在必行。

Pete Ling凌琳   西门子EDA全球副总裁兼中国区总经理

而在这些芯片的开发和创新过程中,企业面临的挑战主要来自两方面:一是Technology Scaling,即工艺节点随着摩尔定律演进所产生的技术挑战;二是Design Scaling,即芯片设计规模从几十亿晶体管到上万亿晶体管扩张所产生的挑战。

这些新趋势都需要EDA工具能够与时俱进,通过新的方法论不断满足新需求。“在应对不断增长的芯片设计挑战方面,西门子EDA进行了颇多创新。”西门子EDA 亚太区技术总经理Lincoln Lee(李立基)介绍,“以Tessent工具为例,其新功能SSN (Streaming Scan Network),可以将测试数据通过总线传输到每个模块中,并且动态调整每个模块的数据量,使得所有模块都能在同一时间完成测试,从而可以减少测试时间、降低成本。这种方式可以让更多模块同时进行测试,便于用户扩大芯片规模,而无需增加成本和设计时间。”

此外,由于高性能计算芯片日益增长的性能需求和工艺节点推进的成本效益降低, 2.5D/3D异构集成正在成长。应对这一趋势,西门子EDA在前端、后端设计中加入了更多方法。例如,在前端进行架构分析、3D IC的布局,验证工作中的热分析、机械应力分析等。

在满足复杂芯片设计进行弹性扩展的需求方面,硬件加速器Veloce Strato+可以将4台机器串联起来实现容量120亿门,目前已经有客户成功地使用这种配置,进行了120亿门的大规模芯片仿真。

汽车芯片对EDA提出新要求

在电动化和智能化转型的驱动下,汽车领域的芯片创新活力不断增强,一些新需求也由此产生,比如更多的差异化需求、系统公司与芯片公司越来越紧密的合作等,都对传统EDA工具提出新要求。

“车规芯片的差异化需求非常多,一方面,体现在System Scaling,即多系统的连接、扩展方面,对多物理场仿真有高度要求;另一方面,车规芯片的功能安全、可靠性非常关键,对相应的软件平台要求很高。” 凌琳表示。

应对这些需求,作为科技公司的西门子将眼光放得很长远,其致力于建立从虚拟世界到物理世界的完善数字孪生,并在西门子EDA的帮助下洞察从系统层面思考芯片设计的新需求和新挑战,充分发挥西门子在工业软件领先的电气和机械设计、验证建模解决方案与EDA工具的协同能力,提供多物理场仿真方面的显著优势,并且在功能安全和可靠性方面加大力量。

以PAVE360平台为例,PAVE360是一个综合的、以数字孪生为核心的仿真平台,结合西门子的PLM软件、EDA工具和硬件加速仿真器,为下一代自动驾驶系统芯片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完成实物时,就能对系统核心的传感/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,而这些功能都已超越了传统EDA的功能范畴。

除了汽车芯片开发本身的变化,供应链的合作方式也是非常显著的改变。传统上,芯片商处于供应链Tier 2位置,处于Tier 1位置的是系统公司,整车厂商OEM位于终端。但现在,越来越多的系统公司开始跨界造芯,他们或是建立自己的芯片部门,或是通过合作投资的方式来进行芯片开发。

对于这类合作,PAVE360可以帮助系统公司在芯片尚未开发完成时,就进行软件和机械系统的协同设计,即所谓的“硅前设计”。此外,在PCB板设计阶段,需要符合DRC或ERC规则以确保设计的正确性,芯片公司将这些规则整理成文档,PCB板设计团队就可以通过自动检测来验证是否符合芯片公司要求,从而使得芯片更容易应用于下游公司。通过这些特性,提升了合作效率和研发质量。

另一方面,当芯片制造完成并应用到汽车中,车辆出于安全要求,需要芯片不断进行自我检测、并在必要时报错。为满足该要求,西门子EDA在Tessent测试工具中提供了MissionMode产品,它能够在车辆的整个生命周期(包括汽车启动、关闭、行驶等不同状态下),对芯片的功能安全进行检测和自动报错。

“Tier 2级别开发车载芯片比较关注的是功能安全,并需要满足行业标准ISO26262。为了响应这些需求,我们收购了Austemper公司,能够帮助用户更有效地进行Faults Simulation Faults Grading,为ISO26262认证提供证明。” Lincoln Lee(李立基)介绍,“我们致力于不断完善供应链,为汽车芯片的研发和创新合作提供更有力的支撑。”

除了测试环节,在采购管理方面,西门子EDA提供Digital Thread(数字主线)可以将设计公司从采购零部件,到设计、制造的数据都进行打通。据了解,国内一家Tier 1公司,通过该方案减少了约20%的设计时间,并将用错器件的数量减少到0。

拥抱AI,Work Smarter

随着ChatGPT的爆火,各行各业都开始深入思考如何运用AI来改善业务流程、提升业务效率、并创造更好的用户体验。那么对于EDA工具来说,该如何拥抱AI大潮,从而变革芯片设计和验证过程,从源头为数字产业注入新动力?

事实上,西门子EDA很早就开始了对人工智能、机器学习技术的应用。多年前收购的加拿大公司Solido,可以提供两大核心工具:一是在设计过程中进行工艺变动仿真时使用机器学习技术,另一种是在单元库建库时使用机器学习技术。与传统的Monte Carlo方法相比,它能够将仿真次数减少100-1000倍,从而节省了大量时间和CPU资源。

此外,西门子EDA在良率提升方面也使用了机器学习技术。通过对晶圆制造测试数据进行提取,并对报错数据进行分析,再通过机器学习的方式找到缺陷所在,从而能够大大提升产品良率。

今年,西门子EDA还发布了一款Verification IQ工具,它就是使用机器学习技术来实现数据驱动的验证过程,加快了验证的收敛速度。“正是由于这些AI新技术的运用,使得我们在验证和仿真过程中,能够Work Smarter,而不只是Work Harder。” Lincoln Lee(李立基)强调。

Lincoln Lee 李立基  西门子EDA亚太区技术总经理

双管齐下,加强对客户的承诺

纵观全球三大EDA公司的发展史,除了基础研发和创新,也不乏通过收购的方式来进一步扩充产品线和技术领域,从而不断加强其市场地位和竞争力。西门子EDA也是如此,一系列收购奠定了日益丰富的产品底蕴。

近年来,西门子先后对十几家EDA软件企业进行了收购。对此,凌琳谈到,“EDA企业都需要两条腿走路,一方面,要自研、优化产品,不断推陈出新,以保持竞争力;另一方面,还需要通过收购来丰富产品序列,帮助客户在进行产品设计开发时,能获得更完整、便捷的服务。也正是通过自研+收购,极大加强了西门子EDA对客户的承诺,更有利于客户的产品落地和创新实现。”

在进行了一系列收购的同时,西门子EDA也非常重视研发创新。例如近年来推出的混合信号仿真工具Symphony Pro、用于物理验证的Calibre-Recon,以及多个Tessent测试工具,包括针对汽车行业的Tessent MissionMode、用于大规模芯片测试的Tessent SSN (Streaming Scan Network)、针对3D IC堆叠测试的Tessent Multi-Die等。

不论是设计流程的各个环节,还是在Technology scaling、Design scaling方面的不断推进,西门子EDA始终在加大创新、不断推出更符合需求的产品和功能优化。

持续创新,多维驱动产业变革

进入2022年上半年,半导体产业进入了多重因素叠加影响的下行周期,不过,EDA产业仍保持着相对稳健的发展态势。新形势下,业界非常关注西门子EDA,将如何继往开来、迎接新挑战?

凌琳表示,西门子EDA在各个业务板块都有大力投资和发展,当前主要有三大战略支柱:首先,始终致力于为芯片设计、验证、制造和测试提供更完善的解决方案;其次,先进封装是一个业务重点,已经在2.5D/3D IC方面投入大量的解决方案、并推向市场;第三,也是西门子EDA的独特优势,作为电子系统PCB印刷电路板领域的领先公司,将继续加强对可制造性解决方案的投入,以支撑更复杂的系统设计。

从客户类型来看,西门子EDA既有IC客户,也有系统客户。Lincoln Lee(李立基)表示,在IC客户的支持方面,将主要关注三个方向:一是向更先进工艺节点的演进,包括超摩尔定律的3D IC工艺演进等;二是面对不断增大的芯片规模,要继续研究新的方法论;三是支持客户在芯片、软件以及其他系统的协同设计。

系统客户方面,西门子EDA将会注重数字孪生和数据管理方面的创新。一方面,尽可能通过数字孪生的方式在虚拟世界进行各类仿真实现,助力行业提高产品性能、降低成本;另一方面,将继续与西门子数字化工业软件深度协同,聚焦Digital Thread(数字主线),提供更全面的解决方案组合,优化产品设计和制造流程,提升整体竞争力,共同赋能产业变革和升级。

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西门子

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德国西门子股份公司(SIEMENS AG)创立于1847年,是全球电子电气工程领域的领先企业。西门子自1872年进入中国,140余年来以创新的技术、卓越的解决方案和产品坚持不懈地对中国的发展提供全面支持,并以出众的品质和令人信赖的可靠性、领先的技术成就、不懈的创新追求,确立了在中国市场的领先地位。

德国西门子股份公司(SIEMENS AG)创立于1847年,是全球电子电气工程领域的领先企业。西门子自1872年进入中国,140余年来以创新的技术、卓越的解决方案和产品坚持不懈地对中国的发展提供全面支持,并以出众的品质和令人信赖的可靠性、领先的技术成就、不懈的创新追求,确立了在中国市场的领先地位。收起

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