国产EDA的必由之路:破冰、全流程到格局重塑

星辰博客 来源:TechWeb °C 栏目:新闻资讯

数十年中,摩尔定律演进推动着芯片制造工艺和设计架构发生了翻天覆地的变化,随着晶体管尺寸逼近物理极限,未来先进设计及工艺向着延续摩尔定律(More Moore)、超越摩尔定律(More than Moore)和新型器件(Beyond CMOS)等方向演进,作为核心工具的EDA也需同步迈入发展新时期,以支撑更先进工艺节点、更复杂的设计和制造及更多样化的设计应用。

另一方面,从2018年华为被制裁引发国内半导体产业惊醒,到最近美国升级EDA出口禁令,国产EDA因为人为建成的“壁垒”打开了更广阔的市场空间。国内芯片设计、制造产业链的不断升级,华大九天、概伦电子、广立微等领军企业上市以及合见工软、芯华章、芯和、行芯、芯启源等数十家生力军的崛起,国内EDA行业也迈入了发展新阶段。

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从0到1突破,全流程还有35~40%的空白要填补

中国EDA产业起步并不晚,上世纪90年代初就诞生了首个国产自研EDA系统“熊猫”,但由于缺乏芯片设计产业链的土壤以及国家对产业的支撑,中国EDA产业经历了近20多年的寒冬。2018年后国产EDA迎来创业潮,据集微咨询不完全统计,2021年EDA赛道融资事件就超15起,融资企业超12家,融资规模或超20亿元;远超2020年的超5起融资事件、超13亿元规模,从政策扶持到资本涌入,推动了该领域的井喷式增长。

按照设计对象的不同,EDA工具可分为模拟设计、数字设计、晶圆制造、封装、系统五大类等,主流的点工具有上百种,芯片设计、晶圆制造及封测各环节中的不同流程对 EDA工具的功能需求不同,需使用不同种类的点工具。经过数十年发展,EDA行业三巨头Synopsys、Cadence和Simens Industry Software(原Mentor Graphics)已实现全流程的覆盖,并在部分点工具上具备独特的优势。诸如Synopsys的优势在于数字芯片设计、静态时序验证确认以及SiP提供;Cadence的强项在于模拟或混合信号的定制化电路和版图设计;Simens Industry Software主攻后端验证、可测试性设计和光学临近修正。他们在巩固自身点工具领先地位的同时,也以其为中心,通过并购等手段逐步向其他流程扩张。

审视国产EDA的发展,由于EDA众多关键技术中每个细分领域均具备极高的技术壁垒、人才壁垒和生态壁垒,我们对数字电路全流程和先进工艺等支持仍显不足。不过部分企业逐步在特定领域全流程以及部分点工具上形成了突破,获得了一定的市场份额。例如在已上市企业中,华大九天已实现模拟电路的全流程工具覆盖,在数字电路设计、平板显示电路设计和晶圆制造等领域也有独特的技术优势;概伦电子在器件建模、数字仿真及验证EDA领域具有技术领先性,近期发布了其承载以DTCO理念创新打造EDA全流程的平台产品NanoDesigner,迈向发展新阶段;广立微在芯片成品率提升和电性测试快速监控技术等制造类EDA领域具有独特价值。其余数十家生力军企业也拥有各自能打的点工具产品,随着这些企业的迅速成长,国产EDA在多个领域均实现了从0到1的突破,迈入打造全流程的新阶段中。

业内专业人士指出,目前国产EDA工具整体上能够商业化、产品化,能够交付产业界使用的,大概只能覆盖60%~65%的流程,也就是说还有35%~40%的点工具还存在空白。例如EDA工具中用量占比最大的RTL仿真,其次是逻辑综合,都还没有可以商用的工具。有些工具已经开发出核心技术,可以试用,但是规模化推广还有很多问题要解决。技术缺失就不能满足产业需求,因此做EDA全流程是产业必须完成的第一要务。存在空白是一方面,另外在先进工艺制程上也有所缺失,现在国内已经有很多设计公司可以基于7nm甚至3nm设计,但国内EDA工具还无法支持,一个很重要的原因是拿不到先进工艺的参数,就无法与它适配、优化。

行芯科技董事长兼总经理贺青也表示,这两年国内EDA行业发展虽然如火如荼,但是真正能实现商业化应用的数字EDA工具还比较少。“行芯创始团队2018年回国从0开始,用了四年才实现EDA工具的商业化。”贺青解释,数字芯片从设计到流片成本高昂,所需EDA工具种类多、要求高,要实现数字EDA全流程,单靠一家企业行不通。

合见工软CTO贺培鑫认为,目前数字芯片的规模动辄上百亿门,且随着工艺的进阶,流片成本居高不下,流片失败的损失难以估量,验证和调试越来越成为解锁流片成败的关键环节,成为研发工具成本占比最高的一块,因此验证领域的突破对中国芯片产业发展至关重要。验证和调试工具的架构和技术都需随着验证流程和方法学的发展而不断创新,国外厂商因长期的积累转身难免有包袱。在当下的时间节点,国内EDA厂商可以站在更高的起点,以全面的验证全景图为基础来设计产品的架构和功能,解决从0到1的问题,实现新的突破。

要实现国产EDA验证工具的突破,最重要的是要在规模、性能和自动化层面全面提升。该公司因此也选择了验证作为EDA工具的首先突破点,只有解决验证上的复杂难题才能帮助国内芯片公司设计出具有国际竞争力的产品。合见工软去年推出了FPGA原型验证系统,今年6月发布了UV APS全新功能升级版。

芯启源EDA&IP销售总经理裘烨敏指出,随着先进制程持续迭代,芯片设计成本呈指数级飙升,不但芯片的验证设计复杂,软件也变得异常复杂,软件团队需要更多的验证工具来并行开发,以保证芯片的流片成功及上市时间。然而当前验证与仿真环节的痛点,在于软硬件验证脱节,软件研发使用传统原型验证平台,而硬件研发使用专用硬件仿真器,前者功能少,诊断和调试能力非常有限,后者成本高昂,系统级或软件的验证效率非常低。随着制程发展,芯片设计对验证工具也提出了新需求,包括提升IC研发效率、流片资源利用率最大化以及确保流片成功率等。

裘烨敏透露,公司其实低调开发了数字RTL仿真工具MimicPro,去年已经提供给客户使用,部分最近已经成功流片,证明MimicPro已经能够为客户解决很多痛点甚至可以作为“备胎”了。也有部分客户不断提出更多的需求,例如不同行业的RTL需要不同的时钟,复杂程度、子卡、接口也不一样,普适性的功能相对较少,需要对工具进行不断优化、适配。但是在客户提需求的过程中,也帮助芯启源迭代和打磨了工具,这对于RTL仿真工具尤其重要。

“仿真确实很难,即使产品落地到商用打磨完也还需要两三年时间,因此国内EDA做仿真的不多,以验证为主,我们也希望有更多合作伙伴和友商加入进来。”裘烨敏表示,“我们前期通过牺牲部分功能来实现性能,后期需要继续提升功能、语言集的丰富度,debug能力也要进一步完善,越到后面剩下的骨头就越难啃。”

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EDA上云渐成潮流,安全问题是最大障碍

自2010年、2011年起,Cadence、Synopsys等国际EDA巨头开始提出了EDA上云的概念。之后,英特尔、英伟达等芯片巨头开始探索EDA云工具的应用。2015年后,公有云架构逐渐稳固,数据安全体系逐渐成熟。如今,EDA云平台的工具和运行环境已逐渐整合在一起,且产品能够规模化地复制到不同的行业,并提供给客户。可以说,EDA云平台产业已经到了商业化发展的关键节点。

对于芯片设计企业/部门来说,如何快速地实现产品研发,提升效率,同时实现更低的成本,具有巨大扩展性的“云”成为了一个很好的倚仗。但如何安全可控的将更多的设计流程搬到云端,利用云计算弹性可扩展,与下端工厂更好的对接,实现更快的产品上市,还有很多挑战需要解决。

集微咨询研究指出,到2024年,将有60%的前沿芯片设计在云端完成,相比2019年时不到5%。芯片设计公司采用设计上云的三个主要推动力包括:

1.随着先进节点工艺设计越来越复杂,这些设计所需的算力也大大增加。前沿芯片设计周期需要高昂的算力成本,需对硬件基础设置进行大量投资;

2.算力需求弹性是IC设计人员面临的与基础设施相关的最大挑战之一。在芯片设计周期的不同阶段,工程师需要不同算力资源。物理验证、电路仿真和静态时序分析等需要较高的算力配置,诸如此类对算力需求的波动,使得固定且有限的算力资源可能在设计周期中出现瓶颈;

3.随着自动驾驶、汽车电气化、人工智能和5G等应用的兴起,越看越多初创公司投入芯片设计,但这些小型企业在资金方面大多缺乏足够的灵活性,或是缺乏投资芯片设计所需的算力资源(本地基础设施)的能力。

英诺达副总裁熊文表示,半导体行业是上云最后的堡垒,很多行业都已经实现了,但是半导体公司普遍对数据安全看得如生命一般重要,要让把自己的研发数据、核心设计上到云端,多少还存在顾虑。但是现在芯片公司成本负担越来越重,包括人力、IP授权、制造流片,尤其芯片设计后期EDA仿真时需要的大量机房资源等等。相比传统EDA工具,云端EDA用户不用为不需要的功能付费,减少了IT硬件投入与工具维护的人力成本,在运营成本不断上升的背景下,EDA上云将是一个必然趋势。芯片设计公司在不断吸收变革,来优化自己的设计,这方面,虽然不是全部上云,但至少有一部分EDA功能会慢慢迁移到云端,采用云端EDA后能够改变企业ROI(投资回报率),对于中小型创业公司来说极具吸引力。

HPC、领先的代工厂和EDA公司推动芯片设计上云的最新趋势代表了芯片设计创新的新时代,随着越来越多初创芯片设计公司进入自动驾驶、人工智能、5G等领域,利用云计算可以帮助他们解决高昂的设计工具及硬件基础设施成本。虽然EDA上云毫无疑问已经成为趋势,但是进展十分缓慢。集微咨询认为,传统设计方式转变导致了客户使用习惯的转变,EDA项目成本从资本支出Capex逐渐转变为运营支出Opex,而产品快速上市的压力也需要灵活的算力配置。此外,国内对知识产权门槛提高要求EDA软件合规性也是刚需之一。

熊文总结了EDA硬件上云之路面临的四大壁垒,包括技术壁垒、数据安全壁垒、商业模式壁垒和成本壁垒。对于用户尤为关注的安全问题,他对英诺达的考量进行了阐述。一方面,企业通过外部网络接入内部网络时的数据安全,英诺达主要采用Palo Alto network防火墙技术,外网接入采用白名单方式,用户可以采用VPN或专用网络的方式接入。另一方面,接入内网之后的数据安全。英诺达在客户数据接入内网后提供一套物理上的隔离和保护措施,同时提供给客户24小时的视频监控,以及严格的操作日志定期培训工程师,避免人为故障的发生。

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国产EDA进入发展新阶段,从技术积累到格局重构

虽然当前国产EDA仍不能像海外巨头一般提供全流程覆盖的解决方案,但其针对部分关键环节的突破与技术积累,也让国产EDA工具在高度集中的市场中逐渐分得了一杯羹。现在我们面临的问题是,如何在全流程这个下一阶段的发展中实现从技术积累到格局重构的突破?

1.星星之火燎原,全力打造EDA全流程

在贺青看来,国内半导体产业没有能够完美实现弯道超车的办法,只能用勤奋加快速度换取发展时间。贺青指出,全流程数字工具链不太可能由一家公司来实现,对于一家企业而言,所能做的是在点工具上进行突破,集合拥有不同“点优势”的产品和技术,预计两年左右可以搭建起一套国产数字EDA的全流程工具。

EDA工具链很长,需要全行业共同努力来实现全流程的目标。业内普遍认为,一款EDA产品从开发到商用化推出,以往需要5年时间,在当前的形势下,本土公司都奋发图强抢时间有望加速这一进程。要做到全体系支撑,除了数字与模拟开发工具,还需要补齐制造、封装和应用端的工具,乐观估计最快要到2027年才能实现。

这个过程可能需要投入至少3000研发人员,并且要有足够的高层次人才行;行业每年要投入40到50亿元,未来五年投入总计200亿元以上;还要解决当前国产EDA厂商之间各自为战,重复投入和浪费的问题。

2.消除“鸿沟”与“偏见”,让客户更愿意使用国产工具

全球EDA巨头用了几十年时间进行研发、并购才积累出今天的优势以及深厚的生态壁垒,国内半导体企业长期使用国际巨头的产品,已经形成了极强的用户黏性,加之对国内外EDA产品技术发展水平的固有认知,小公司不愿意试错,大公司的门槛又较高,“鸿沟”与“偏见”在一定程度上给EDA工具的国产替代带来了阻力。更关键的是,EDA工具选择关乎流片的成功率,客户更换EDA工具带来的风险极高,当客户使用国产EDA跑出数据与国际巨头EDA工具不一致时,甚至需要国产厂商对结果进行解释。

贺培鑫认为,EDA软件非常复杂,技术壁垒也很高,最重要的是不仅要开发出工具,而且一定要不断迭代,要有生态和客户的支持,才能形成闭环。因此要以开放的心态拥抱本土客户的实际需求,实现差异化优势。在产品实现可用之后,可进一步加强通力合作,持续打磨产品,不断突破现有工具的技术包袱和技术壁垒,进一步提升验证和调试效率,实现好用耐用,走向双赢。国内EDA厂商通过与IC厂商互促互进,将进一步夯实本土厂商放眼全球的基础。

裘烨敏表示,前几年公司做好的工具,没有特别好的应用场景做打磨,很多客户基于他们自身尽快流片、量产的压力,没有给国产EDA企业太多机会,但是这种状况现在正在改变。裘烨敏希望政府能够给予更多的政策引导,对购买使用国产EDA工具进行补贴等。随着美国方面的制裁越收越紧,留给国产EDA的窗口期也不多了,如果能客户能多给一些机会去打磨,国产EDA也能成熟更快,之后也能更好地反哺产业。

华大九天董事长刘伟平提出了几点意见,首先引导下游客户从战略的角度来加大产业链的战略合作,而不仅仅是从简单的市场、效益来考虑问题。其次仅仅依靠几家大公司拉动产业力量有限,还是需要市场化。这就需要国产EDA工具能经得起市场的考验,前期依靠国家战略引导客户,后期通过自身产品的竞争力去赢得市场。最后从政策层面鼓励或引导国产化的应用,例如设立国产化奖励基金,鼓励客户使用国产化产品,用得越好奖励更多,使客户真正愿意使用国产EDA,并把它用好。

3.并购整合,格局重构

回顾EDA产业的诞生和发展壮大的历程,也是一部EDA巨头的并购史。与龙头EDA企业在发展历程中进行大量并购不同,国内EDA行业仍处于发展初期,仅有华大九天在2010年并购华天中汇,以及概伦电子在2019、2021年分别并购博达微、Entasys等少数案例。随着国内EDA行业初创企业的涌现和发展,行业内领先企业也将有望通过并购实现快速扩大产品线,提升核心竞争力。

刘伟平表示,国产数字全流程的实现,不外乎几种手段:第一,整合。在复合商业运作条件的情况下,寻找合适的伙伴进行并购整合;第二,投资。如果不能做整合,寻找合适的伙伴和机会进行投资;第三,联合运作,在技术开发和商业运作方面进行合作,以“你中有我,我中有你”的方式将各家工具串成全流程。

贺青补充说,这个整合和合作的过程,需要解决两个层面的问题。首先是技术层面,需要在底层数据格式上实现统一,以无缝传递设计数据。其次是文化层面,不同团队整合需要很好地解决文化、理念方面的分歧。

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写在最后

回顾全球集成电路设计的发展并展望未来,设计领域呈现出以下三个发展新趋势:设计异构化、芯片与算法系统融合、敏捷化设计,行业的变革使EDA工具正在发生深刻变化。

美国禁令也是一把双刃剑,正倒逼新一代中国半导体企业快速脱颖而出。

国产EDA行业逐渐壮大,星火已呈燎原之势,他们能否在行业与国产浪潮的双重大变局下,重塑EDA产业格局?我们可能还需要将眼光放长远,给予EDA国产化之路更多信心与时间。