美國“卡脖子”的技術清單中,EDA軟件如何突圍?

腦極體 2020-05-22

原標題:美國“卡脖子”的技術清單中,EDA軟件如何突圍?

時隔一年,5月15日,美國政府再次動用國家力量來封殺華為。與去年“516實體清單”的影響相比,這一次的打擊更為精準和徹底。

簡單說,就是如果全世界有哪家半導體企業,要為華為生產芯片,就需要先獲得美國的許可。

為什么美國政府可以管得這么寬?因為全世界無論哪一家半導體企業都在或多或少使用著美國企業的軟件和技術。這就是所謂的“長臂管轄”。

難道中國的半導體企業也要受此約束嗎?理論上來說是這樣的,因為我國的半導體產業鏈中一些底層技術只能采用美國的技術。

美國此次對華為芯片產業的全面限制升級,涵蓋芯片設計的上游軟件、芯片制造的上游設備以及當前最主要的有臺積電代工生產的7nm的芯片制造。美國商務部對華為芯片產業鏈所有環節可謂是進行了一次定點式精準打擊。

首當其沖的的是芯片設計的上游EDA軟件。雖然華為可以設計芯片,但是IC設計的高端軟件EDA工具仍然基本上由Cadence、Synopsys、Mentor三家美國公司壟斷。而在中國市場,這三家EDA軟件公司更是占據了95%的市場份額。

就華為來說,自去年516之后,美國這三大EDA廠商與華為的合作已經先后終止。這意味著,華為自那以后再沒有獲得新工具和新升級服務,但是可以繼續使用華為已經購買和獲得授權的EDA工具。也就是說,目前華為海思還可以采用老版本EDA做IC設計。

然而長期來看,EDA軟件的國產化替代勢在必行。有分析者認為,美國的技術限制正在給我國國產EDA軟件的發展帶來機遇。

話雖如此,我們也必須清醒地認識到中美兩國在EDA軟件上面的技術差距,以及國產化替代的難度。但同時我們也要放棄“妥協投降”的幻想,尋求技術突圍的可能。

EDA軟件為什么重要?

如果把芯片制造比作建造一座大廈的話,IC設計就是大廈的設計圖紙,EDA軟件就是這張圖紙的設計工具,只不過EDA軟件比建筑設計軟件的復雜度要高出N個數量級。

EDA是電子設計自動化(Electronics Design Automation)的簡稱,是在電子CAD技術基礎上發展起來的計算機輔助設計軟件系統,融合了應用電子技術、計算機技術、信息處理及智能化技術的最新成果,進行電子產品的自動設計。

利用EDA工具,電子設計師可以從概念、算法、協議等開始設計電子系統,并可以將電子產品從電路設計、性能分析到設計出IC版圖或PCB版圖的整個過程,在計算機上自動處理完成。EDA技術可以廣泛應用于電子、通信、航空航天、機械等多個領域。

隨著集成電路技術發展,EDA軟件越來越被業界等同于 “芯片設計軟件工具”的代名詞。

也就是說,EDA軟件是芯片設計的重要工具,但由于芯片設計的復雜工藝、精細化分工和多技術綜合,EDA軟件并不是單指一個或幾個軟件,而是涉及近百種不同的技術,涵蓋多種“點工具”的軟件工具集群。

EDA軟件可以極大地提高芯片設計的效率,同時在芯片制造、封測環節也有應用。EDA與半導體材料、設備共同構成集成電路的三大基礎。如今的一顆芯片上面,至少數億到數十億以上的晶體管,設計過程中需要進行持續的模擬和驗證,這些過程都離不開EDA軟件。沒有EDA 工具,水平再高的芯片設計師也沒有用武之地。

從EDA在芯片設計和制造上發揮的基礎性作用上看,其重要性是不言而喻的;而從EDA軟件的復雜度上來看,其技術實現難度又是非常大的。

具體來說,在芯片的前端設計中,包含了芯片規格的制定和詳細設計、HDL編碼、仿真驗證、邏輯綜合、靜態時序分析(SAT)以及形式驗證;而后端設計中,包含了可測性設計(DFT)、布局規劃(FloorPlan)、時鐘樹綜合(CTS)、布線(Place & Route)、寄生參數提取以及版圖物理驗證等等……

從上面這些設計流程所使用的工具上來看,它幾乎都被Cadence、Synopsys、Mentor三家美國公司壟斷,這可能讓很多呼吁EDA軟件盡快國產化的人們感到失望。

那么,我國的EDA的國產化替代到底面臨哪些挑戰呢?

EDA國產化替代面臨哪些難題?

我們首先要理解EDA產業的特點。EDA是集成電路產業鏈當中極其重要的關鍵基礎環節,但又是產值相對較小的一個高度集中化的產業環節。

2018年相對于近五千億美金的芯片產業,整個EDA 的市場規模僅為97.15 億美元。而其中有70%的市場份額都由EDA 三巨頭Synopsys、Cadence 和西門子旗下的Mentor Graphics 占據。全球EDA產業已經形成了三巨頭公司寡頭壟斷格局,在中國市場上,EDA的市場份額中三巨頭更是占到了95%以上,集中度更高。

這不僅極大的擠壓了我國EDA產業的發展空間,同時也嚴重影響了我國EDA軟件的國產化的研發節奏。90年代,當美國解除了對中國的EDA禁令之后,美國的先進的EDA軟件迅速來華,一路攻城略地,致使中國剛剛起步的EDA自主研發的節奏被打亂,“市場換技術”成為了此后十幾年的路徑依賴。

與美國高端、成熟的EDA產業鏈相比,我國在EDA產業發展上面有哪些難點呢?

首先是技術門檻。EDA工具是一個“多工具”組成的軟件集群,目前我國的企業在部分工具上實現了突破,但目前在完整可用的全流程工具鏈上,還需要更多的技術積累,而這并非短期之內就能完成。

其次是技術集成度高。EDA是芯片設計公司、晶圓廠、EDA軟件商長期協作的成果,需要大量的人才投入、數學優化和經驗積累,并非一朝一夕可一蹴而就。目前許多EDA企業不僅提供EDA軟件,同時也提供IP設計,既能降低成本,又能通過開發一些定制化EDA功能來提高IP質量,成為當前主要流行的模式。我國在先進制程上面的集成設計能力顯著落后于國外2-3代。

再次是人才門檻。在EDA軟件研發人才方面,國內設立EDA專業的高校不太多,而且互聯網和金融行業吸引了大量的軟件開發人才,導致EDA軟件研發人才嚴重不足。

最后,我國在EDA技術的知識產權保護上面也亟待加強。

目前,EDA成為我國半導體行業實現自主可控的關鍵瓶頸。在EDA軟件領域,我國已擁有華大九天、廣立微、芯禾科技、藍海微、九同方微、博達微、概倫電子、珂晶達、創聯智軟等企業,需要在克服以上的難題中,實現由“點”到“面”的全面突破。

EDA軟件國產化替代如何破局?

我們先看當前現狀。去年516實體清單事件前,華為獲得了當時版本EDA工具的永久授權。由于這些EDA軟件能夠領先實際芯片制造工藝兩三年,所以短期內EDA禁令對華為的芯片設計不會有太大影響。

然而如果因為技術出口禁令的持續,華為無法得到更新升級的EDA新版本工具,將極大制約華為在更高端的芯片技術的迭代發展。不久前,華為嘗試與意法半導體(STM.N)聯合設計芯片,其中一個目的也是想獲得EDA設計技術,以找到美國技術禁令之外的技術備案,但是隨著這輪制裁加劇,這一合作也可能終止。

目前,華為只能將14nm的芯片制造訂單轉移給國內的中芯國際。而在在5nm和7nm芯片制造上,中芯國際依然落后于臺積電的技術和工藝。這其中一個很大原因還是在于為中芯國際提供芯片設計軟件的國內廠商,無法在高端芯片的設計上面實現突破。

從長遠來看,我國EDA軟件的國產替代方案勢在必行。美國新一輪技術限制的升級反而堅定了我國半導體產業自主化的決心和速度。而一系列因素也在悄然推動我國EDA軟件產業的發展和破局。

首先,國內的EDA領軍企業正在得到來自國家和投資機構的多項資助和戰略投資。

就在5月15日晚,中芯國際發布公告稱,國家集成電路基金二期以及上海集成電路基金二期對中芯南方分別注資15億、7.5億美元。此舉將極大地擴充14納米晶圓的產能。

同樣國家也在加大對EDA產業的資源傾斜力度,推動EDA軟件的自主化發展。其中,國微深圳的專項子課題“芯片設計全流程EDA系統開發與應用”(“該項目”)已獲國家重大科技專項立項,將獲得該項目共計約4億元資助。而作為本土最大的EDA公司華大九天近幾年也已獲得我國各類投資機構的多達數億元的多輪投資。

在政策扶持上面,面對國內EDA軟件無人使用的狀況,給予國內EDA軟件一定的采購傾斜。比如,近日深圳印發的《關于加快集成電路產業發展若干措施》,其中推出首個國內明確支持EDA研發的政策,包括EDA研發的資助獎勵,購買國產EDA軟件的費用補貼等。

其次,在市場層面,國內IC產業的新發展也為國產EDA軟件的發展帶來一定機遇。

國內芯片目前普遍采用的都是12nm、7nm等新工藝,迫切要求國內EDA軟件研發出可以媲美國際大廠的產品。只有在基于最先進工藝的設計中,才有可能發現流程的缺陷和潛在的產品機會。當然,這對國內IC設計的企業提出了一定挑戰,但在美國隨時可以“卡脖子”的情況下,我們必須要付出一些試錯成本來推動國產EDA軟件的進步。

像AI芯片、IoT芯片等新應用興起,對現有EDA行業和芯片設計流程帶來了新的挑戰,同時也給中小EDA公司帶來了很多新的技術研究方向,成為他們突破EDA巨頭優勢壁壘的新機會。

第三, AI技術作為新變量正在為國內IC設計帶來突破。

近日,谷歌就在運用AI算法來學習芯片的規劃布局,從而在更短時間內,可以設計出超越人工設計的產品。而同樣,AI技術也正在EDA公司中被廣泛采用。比如,華大九天推出的Empyrean Mcfly,就是用AI的算法加速IP驗證,通過AI學習以前的IP案例,對新的IP進行驗證,驗證精度達到99%左右。

另外,如果我們要站在更長遠的角度來看待這一次美國的“斷芯”事件,我們就必須意識到完善的技術創新的產權保護和成熟的人才培養機制,才是我國能夠實現核心技術掌握在自己手里的根本方法。

最后,我們還要冷靜地意識到,EDA軟件以及其他芯片制造的相關核心技術的國產替代,絕對不是一件水到渠成的事情。想一想日本半導體的興盛和衰落,就是我們的前車之鑒。

從短期來看,現有國外EDA軟件的禁用不會對華為造成致命性的影響,但是受美國整個半導體技術限制升級,華為則面臨更兇險的局面。積極博弈和尋求“備胎”成為當下要同時進行的兩手準備。

從長遠來看,國家及業內不能再對美國抱有“妥協”和“求放過”的幻想。產業各界必須拿出耐心和決心來投入基礎科學和核心技術的發展與研發當中。

而在這條更加艱難的道路上,我國的芯片產業以及相關的科技產業,要做好長期承受苦痛的心理準備。對于EDA軟件產業,更是如此。

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