EDA軟體介紹分析與EDA軟體發展前景解密

　　（來源：工業軟體行業觀察（作者：原力，原標題：國外怎麼看中國EDA的發展）

　　美國對於華為的制裁也是長達兩年之久，在今年美國也是加大了制裁的力度，這次全面的禁令直接讓華為命懸一線，甚至被傳要出售榮耀來斷臂求生。大家討論最多的就是華為晶片代加工的問題，只要任何一個生產環節使用了美國的軟體以及硬體設備就無法和華為合作，這也是讓華為的晶片供應出現問題，相比另外一條禁令，斷供晶片還算是小事。

　　

　　這就是華為設計晶片時使用美國EDA工具也需要向美國申請許可證，目前針對這一禁令是難以找到解決的辦法，這可謂是華為的命門。

　　到目前為止，EDA等工業軟體就是目前中國製造最大的短板，EDA是整個集成電路領域規模最小，但是又不可替代的重要存在，其實整個EDA的市場規模還是較小，但是少了這個工具，全球的晶片設計、研發和生產就會停滯不前。最關鍵的是這一重要的工具還處於了壟斷的地位，Cadence、Synopsys和西門子旗下的Mentor Graphics，這三家公司就是全球EDA市場的絕對壟斷者。

　　

　　EDA工具就是典型的「卡脖子」技術，目前國內在模擬IC擁有自主的完整設計平臺，例如華大九天，而且他在平板顯示器也擁有全流程的設計平臺，並與國際上主要平臺顯示器大廠合作；還有一些單點或晶片某些製程階段上的專用的EDA工具；也有一些工具在一定程度上滿足AI晶片這樣相對簡單的晶片設計。這些都是相當不錯的成果，而且更重要的是，這些是在和國外巨頭們競爭的夾縫中完成的，既沒有投資商的青睞，也幾乎沒有什麼像樣的扶持。

　　國內「卡脖子」和受制於人的大討論已經持續了相當長的時間，觀點五花八門，這裡就不作評價了。編譯整理本文的主要目的是想看看國外EDA領域的專家怎麼看待國產EDA的發展，或者從這些專家視角，或者過來人的看法上揣摩一下國產EDA發展的路徑。

　　為了讓文中有些專業說法更容易理解，先在這裡把有些可能造成疑問的知識簡單普及一下：

　　1、 XXnm 製程是什麼意思？

　　晶片的製程就是製造工藝，晶片製程常常用90nm、65nm、40nm、28nm、22nm、14nm來表示。CPU內集成了以億為單位的電晶體，這種電晶體由源極、漏極和位於它們之間的柵極所組成，電流從源極流入漏極，柵極則起到控制電流通斷的作用。所謂的XXnm其實指的是，CPU上形成的互補氧化 物金屬半導體場效應電晶體柵極的寬度，也被稱為柵長。柵長越短，則可以在相同尺寸的矽片上集成更多的電晶體。

　　2、 什麼是FinFET？

　　FinFET 全稱Fin Field-Effect Transistor，中文名叫鰭式場效應電晶體，是一種新的互補式金氧半導體電晶體。FinFET命名根據電晶體的形狀與魚鰭的相似性。這種設計可以改善電路控制並減少漏電流，縮短電晶體的閘長。

　　3、 為什麼在14nm以下，電源及熱效應控制非常重要？

　　製程工藝到一定程度下，電路與電路之間的距離降低到一定程度就會出現量子隧穿效應，量子隧穿是一個量子力學概念，既這些電子呈現的是不可知規律運動會造成半導體的漏電率急劇上升，這就需要更多的能源來控制電子運動上。宏觀上表現為處理器的發熱量增加，但是性能沒有太大的變化。

　　4、 為什麼說7nm是物理極限？

　　柵長大於7nm的時候一定程度上能有效解決漏電問題。而在採用現有晶片材料的基礎上，電晶體柵長一旦低於7nm，電晶體中的電子就很容易產生量子隧穿效應，為晶片的製造帶來巨大的挑戰。除非尋找到新的材料來替代矽製作7nm以下的電晶體，不然現有材料能實現7nm量產就是已經是極限了。

　　5、 為什麼說EDA在14nm製程上是個分水嶺？

　　晶片設計公司希望通過工藝升級生產更高性能，更低功耗和更小晶片。為解決7nm漏電效應，為了滿足相應工藝的生產規則，需要在支持晶片設計尤其是後端設計階段的EDA工具增加了大量的硬性規則，使EDA設計的變通性大大降低，而在14nm以上，則沒有太多硬性規則。所以在14nm以下，EDA工具必須結合特定晶片廠商的工藝製程，而在14nm以上則不需要。

　　上面的問題也是在整理這些文章時候曾經疑惑的，弄清楚這些問題，那麼國產EDA發展的最大瓶頸也就比較清楚了：如果沒有自主可控的14nm以下晶片設計、工藝及生成能力，探討國產EDA在未來的競爭就沒有意義。

　　而另外一個瓶頸則是人才，如果文中所說的數據是準確的，國內EDA開發的工程師只有1500名的話，那麼顯然會面臨無人可用的困境。軟體本質上就是勞動密集型產業，而工業軟體更是這樣，不僅僅需要程式設計師，還需要大量的工程科學家，數學家，物理學家等等參與其中。不過事實一再證明：再宏大的軟體，真正的核心人員也就是幾個人而已。

　　不過本人還是比較贊同Brian Bailey在文章中的觀點：「與半導體製造宏偉計劃的投資相比，EDA對中國來說幾乎是小錢。 」「如果有了足夠的時間和資金投入，又沒有什麼壓力非得在明天就要從EDA軟體上盈利，那麼中國的EDA開發企業還不努力，那就真是瘋了。 」

　　一、中國發展EDA的優劣勢

　　這是Brian Bailey近期發表在《半導體工程》的評論文章，Brian Bailey是《半導體工程》EDA技術的編輯。

　　Semiconductor Engineering（半導體工程）由晶片設計師，工程師，新聞工作者，最終用戶，行業組織和標準機構創建，旨在提供對日益複雜的設計，測試，驗證，集成和製造半導體任務的見解，並深入探索行業發展的所有市場動態。

　　像大家所知道的，如果沒有好的EDA流程，中國的半導體投資將會面臨風險。所以，雖然中國自己的商業EDA事業目前還未成功，但這項任務必然會繼續下去。

　　目前，中國還沒有向世界宣布它已經準備好推出一套EDA工具。世界其他國家只滿足於看到他們到目前為止所做的不合格的嘗試，並認為他們不具備開發具有競爭力EDA軟體的能力而將把計劃取消。但實際是，鑑於當前的國際政治氛圍，中國十有八九正在努力解決這個問題。

　　中國正在致力於利用所有最新技術建設世界級晶圓廠產能。政府正在籌集必要的資金來確保實現這一目標，而且他們擁有實現這一目標的耐力。中國已經擁有了14nm製程finFETs，並且正在致力於研究7nm製程。為了不依賴西方國家設備，中國甚至正在發展自己的EUV能力。

　　但是中國仍然存在一個巨大的弱點。他們後端設計軟體嚴重依賴美國EDA工具。14nm是在EDA中所說的轉折點，因為小於14nm晶圓廠無法獨立完成，需要晶圓廠和EDA之間進行緊密合作。到那時，中國就不能再使用盜版軟體用於後端設計了。相反，他們將不得不與美國EDA公司合作，這可能會帶來問題。但即使沒有這個問題，如果美國決定不再向中國出售EDA軟體，或者向任何希望在中國晶圓廠製造晶片的公司出售EDA軟體，那麼中國的晶圓廠就會閒置。我認為這不會發生。

　　我確信中國現在正在政府支持下研究自己的EDA工具。這些工具目前可能不是很好，也不能與美國EDA達到同樣的優化設計，但就像製造業一樣，自主必須從某一階段開始學習和起步。中國不需要開發EDA軟體賣給別人。他們只需要確保自己的要求能夠得到支持。而且，如果西方繼續提高技術壁壘，他們的晶片設計公司將會有一條退路。因此，我相信他們會對任何這樣的計劃保持沉默，並繼續購買市場上最好的工具，直到他們擁有足夠的競爭力。提前傳宣對中國沒有任何好處。

　　現在讓我們關注一下中國發展自己的EDA可能擁有的優勢。

　　首先，雖然EDA公司能夠看到大量設計對發展EDA是有好處的，但這些EDA公司必須非常謹慎地處理這些數據。如果設計數據被洩露，EDA公司就會遇到大麻煩。但中國卻不是這樣，他們的政府可以讓他們的EDA研究團隊看到中國正在進行的每一個設計的全部。而隨著人工智慧能夠逐漸取代傳統啟發式技術，人工智慧成為駕馭設計工具的一種方式，這種趨勢對中國來說無疑是一個優勢。考慮到正在申請的專利數量，中國在人工智慧各個領域可能處於領先地位，而且他們可以獲得更多用於人工智慧擁有訓練和學習的數據。

　　中國的第二個優勢是，他們不必理會現有商業EDA工具中長期起來的所有遺留問題。由於EDA公司都曾在發展時期做過一些古怪和獨特的事情，現有的EDA中曾經插入了無數的調整和變通方法，這些都成為了該工具遺產的一部分，即使軟體開發公司已經不再需要它們，但卻不能刪除這些遺留問題（註：這說的是軟體中的各種補丁問題，一套軟體越龐大，越複雜，開放周期越長，其中包含的潛在的陷阱，和無法被取代的遺留項就越多，只能不斷的打補丁，這是任何軟體都存在的現實，對於存在大量算法的軟體來說更是這樣，前人所寫的編碼，對於後來者來說，很可能就是不知所云，但商業軟體一般沒有能力和資本在新版本把代碼推倒重來，即使是微軟這樣的公司也做不到）。當從一張白紙上開始，更可能開發出一套乾淨的工具。還有一種可能，中國可能不允許自己的設計公司玩那種一次性的瘋狂把戲。如果一家公司開發出了真正獨特而優秀的技術，那麼該技術更有可能與他人分享。合作往往會帶來更快的創新。

　　中國的第三個優勢是，現在全球的EDA格局正在迅速變化。20年前，我們有邏輯綜合。後來，時序不能閉合時，合成必須完全重新設計以考慮布局和時序。於是，物理合成應運而生。我們正處在另一個可能導致EDA工具再次被改寫的變革的風口浪尖上，那就是電源。電源已經上升為一個主要的優化因素，但更重要的是，熱量會損壞晶片或導致晶片過早老化，不能在不考慮功耗和散熱性的情況來設計晶片了。此外，熟悉電源的布局和布線工具可能會產生更好的布局，從而使晶片運行起來更冷更快。功率也必須在系統級考慮，尤其是當需要進行異構矽集成時，熱模型和熱量/功率分析必須在晶片堆棧之間進行。

　　因此，如果EDA公司打算進行根本性的軟體重構，他們就必須投入與中國公司相同的資金和精力來實現這一點。與半導體製造計劃的成本相比，EDA計劃對中國來說幾乎是小錢。但是美國的個別公司卻並非如此，它們必須獲利才能實現融資。

　　現有EDA軟體的開發團隊規模並不是特別大，而且開發一套合格的EDA所需要的時間也不是那麼長。這也是80、90年代有那麼多EDA初創公司的原因。是的，雖然隨著當今工具和方法論之間的緊密集成，這比那時創建EDA單一功能的工具要困難得多，但是如果有了足夠的時間和資金投入，又沒有什麼壓力非得在明天就可以宣布要從EDA軟體上盈利，那麼中國的EDA開發企業還不努力，那就真是瘋了。

　　二、中國EDA之問

　　這是Stewart Randall於2019年11月發表在《Technode》上的兩篇有關中國EDA軟體評論文章的第一篇。Stewart Randall是Intralink公司的電子和嵌入式軟體主管。

　　Intralink是英國一家專門為進入東北亞的美國和歐洲公司提供市場準入和業務發展服務的諮詢公司。公司大多數客戶是由機構支持的技術公司，但它也適用於廣泛領域的中型和跨國公司。

　　中國能否在集成電路（IC）領域實現獨立自主？這是一個經常被問到的問題，在接下來的幾個月裡，我們打算闡明中國在哪些方面有優勢，哪些方面存在缺陷。這是個複雜的問題，但我們可以先給出結論：中國不會太快實現晶片獨立。

　　原因有很多，但一個重要原因是電子設計自動化工具（EDA），這是目前IC設計的一個關鍵層，基本上由美資或至少受美國出口管制的公司主導。對於一些專業應用來說，會有一些國產替代，而且更多的替代產品也即將出現，但EDA這個類別是中國努力實現晶片獨立的阿喀琉斯之踵，特別是對於那些全球野心的中國公司來說。

　　什麼是EDA工具？

　　簡單來說EDA工具是用來設計IC和印刷電路板的軟體工具。儘管全球4，500-5，000億美元的晶片產業中，它們只佔大約100億美元左右，但EDA對半導體的設計和創新至關重要。

　　不同功能的EDA工具在設計流程中完成不同的任務工作，所有的晶片設計人員不僅要進行設計，還要對晶片進行分析、驗證和調試。這不是依靠手工就可以完成的各種，尤其是考慮到現代設計會可能包含數百億個電晶體的複雜性。EDA工具可以細分為五種主要的子類別：設計、仿真、驗證、製造準備和功能安全。這些工具針對的任務混合在一起執行也沒有問題，但成熟的做好還是更傾向于堅持一套流程，以保持晶片設計更簡單、快速和便宜。

　　誰是主要供應商？

　　雖然EDA行業出現過很多公司，但目前該行業主要由三家龍頭企業主導：Synopsys、Cadence和MentorGraphics。這些企業都是美國公司，直到最近，Mentor被西門子收購，但它的總部仍然設在美國，並且除了所有權外其他都依然是一家美國公司。這三家公司加起來大約佔據全球EDA市場的60%到70%，其中Synopsys就佔了三分之一以上。

　　

　　就我個人而言，我在中國還沒有遇到一家無工廠晶片設計供應商說過他們沒有採用Synopsys或Cadence的設計流程，或者沒有使用它們的工具。雖然有些公司可能會用其他公司的工具來補充Cadence或Synopsys的部分流程，但這通常針對的是極少情況，這些在他們的設計任務中並不佔主要地位。

　　從我所掌握的情況來看，中國95%左右的EDA市場是由這三家公司瓜分掉的。

　　這對中國意味著什麼？

　　與我的客戶和業內的中國人交談後發現，Synopsys和Cadence無法再與華為或BIS實體名單上的任何企業合作。在華為昇騰910 AI晶片的發布會上，華為輪值董事長進一步證實了Synopsys和Cadence不能再與華為合作。

　　這不是一場災難。像海思這樣的公司將不再從EDA供應商那裡獲得支持，但他們依靠當前的授權還可以使用這些工具，並且知道如何使用它們。如果他們在2020年之前繼續推出晶片，我不會感到驚訝。

　　美國海思的禁售成為法規，海思將無限期地失去授權。這將意味著海思得不到他的競爭對手能夠獲得的技術支持，如所有最新的補丁、更新和改進。也許當前的許可證可能已經到期，因此無法續籤。

　　那麼中國企業能用什麼工具呢？他們能多快地重新培訓那些從大學時代就開始依賴美國工具的工程師來使用一套全新的工具？顯然會使設計晶片的速度會放緩，這會導致競爭落後於對手。

　　有替代品嗎？

　　一家純粹的中國公司可能會偷偷使用未經許可的EDA工具。事實上，這種情況被認為在中國比較普遍。我所接觸到的很多純國內公司都會在設計流程的某個環節這樣使用工具。

　　不過上市公司，尤其像華為這樣的國際大公司，就無法心存僥倖了。因為侵犯智慧財產權所負的法律責任太大。

　　也許像華為這樣的公司可以使用第三方設計服務，這將繞過BIS實體名單這個問題，但這意味著要外包設計。那這會意味著不再需要大量的設計工程師。而對於海思這顆中國IC設計皇冠上的明珠來說，不可能承認它不再設計晶片，至少不是整個設計。為了解決這個問題，中國必須要有自己的EDA解決方案。

　　三、中國的EDA工具為什麼落後

　　這是Stewart Randall於2019年11月發表在《Technode》上的兩篇有關中國EDA軟體評論文章的第二篇。

　　我在上周寫道，電子設計自動化（EDA）工具是中國爭取集成電路（IC）獨立自主的一個致命弱點。雖然這些工具在全球IC市場上只佔100億美元，相對較小。 但這些由美國或與美國有關聯的三大龍頭企業主導的工具對所有IC設計都至關重要。

　　這種EDA依賴帶來的問題不僅僅是華為和其IC設計子公司海思的問題，不僅僅是美國實體名單上其他希望自己設計晶片的公司的問題，也不僅僅是中國所有半導體公司的問題，而是中國政府面臨的問題。這聽起來並不誇張，中國所有的「自主研發」晶片都在使用以美國為主的EDA工具進行設計、驗證、確認等工作。中國晶片可能會搶佔新聞頭條，但中國政府知道中國企業並不都是像他們希望的那樣自力更生。

　　雖然只做中國國內的企業有可能逃避版權的懲罰，但如果他們想成為全球範圍內有力競爭者，則肯定會採取遵守智慧財產權的做法。所以中國必須開發自己的EDA工具。中國的國內公司，乃至華為，都在一直堅持開發EDA工具，不過我們尚未看到任何公開的顯著成果。華為公司所做的事情並不十分透明，而中國國內其他公司所取得的成果在成熟度和功能尚存較大欠缺。

　　中國EDA發展滯後

　　

　　中國從80年代中期就開始在EDA研發上投入，開發出了「Panda IC設計系統」。 不過，在我來到中國後，還沒有見到過真正使用這個系統的企業，所以我只能認為它並未取得成功。目前在中國比較知名的公司，包括華大九天、芯和、廣立微電子、概倫電子、ProPlus、藍海微和奧卡思微電。

　　但這些公司大多不能提供完整的設計流程。 唯一例外的是華大九天提供完整模擬IC的設計流程，它在平板顯示器方面與一些最大的製造商合作，包括，三星，CSOT，HKC和京東方。其他客戶包括理光、SK Hynix、Marvell和Sandisk。

　　除了華大在它的最擅長的領域相對取得了成功之外，中國的自主EDA軟體總體上一直非常艱難，不過這是什麼原因導致的呢？

　　造成這種差距有幾個原因：中國EDA工具不夠全面，沒有足夠具備開發此類軟體技能的工程師，市場準入困難，以及中國企業沒有足夠的渠道跟上晶片製造業發展。

　　什麼阻礙了中國EDA的發展？

　　全面性： 中國EDA工具根本不全面，尤其是在數字設計方面。大多數數字設計過程由Synopsys和Cadence主導。即使在設計流程的一兩個階段上，中國企業擁有具有競爭力的產品很難打入市場，因為三巨頭具有支持用戶從規格到生產的開發的能力而建立了行業壟斷的壁壘。所以中國企業只有打造一個整體解決方案，才能開始在國內展開各種層面上的競爭，但即便如此，也會由於各種因素而困難重重。

　　人才：中國大部分EDA工具開發工程師實際上是為三大巨頭工作的：在中國有1500多名這樣的工程師，其中只有300名在國內公司工作。再看Synopsys一家公司，在全球就擁有超過5000名這樣的工程師。另外想要進入EDA行業的國內企業還必須與利潤更豐厚，待遇更好的行業爭奪軟體人才。例如在阿里巴巴、騰訊等公司進行應用軟體開發，薪酬待遇要比在一家苦苦掙扎的中國EDA公司高的多。

　　市場準入： 國內超過95%的市場被三巨頭所佔據，這造成市場準入難度很高。即使有公司能夠開發出一整套工具，短期內也很難獲從三巨頭手裡搶奪到可觀的市場份額。晶片企業已經習慣了一定的設計流程，更麻煩的是，中國工程師們自大學時代起開始就使用來自三巨頭的EDA。這些困難都使得國內EDA行業對潛在的投資者吸引力降低，進一步而限制了其發展。

　　與先進工藝的集成： 設計與工藝之間的聯繫是EDA流程的關鍵部分。三巨頭與世界領先的晶圓廠和晶圓代工廠合作，對他們的工藝流程有著深入的了解，而中國國內企業往往只有在開發出新工藝新流程後才能接觸到，即便能接觸到，也不一定能得到完全的準入。這使得國內企業很難設計和改進自己的軟體，從而得以與三大巨頭的產品展開競爭。

　　版權問題：如上曾提到過的，EDA工具在中國存在比較嚴重的版權問題。因為這些工具價格昂貴。晶片的知識產品很難「破解」，但是軟體就比較容易。一般只關注中國國內市場的企業，就容易通過這種方法來節省成本。這也意味著政府可能會將EDA工具的投資排在較低的優先級，因為即使被禁運，仍然可能獲得用於軍用等專用晶片設計的軟體工具。

　　國家支持的EDA

　　中國政府已經開始在支持EDA工具的開發，我預計未來幾年內支持力度會加大。現在，國內開發EDA的企業可向政府申請返還30%的開發成本，上限為3000萬元人民幣（約合430萬美元）。

　　中國政府還資助了一些公司。例如，國威集團從中央和深圳市政府獲得了4億元人民幣開發經費。另外，華大九天在過去幾年中也獲得了數億資金，它們不僅來自於風險投資，還來自於國有的「大基金」。

　　政府資助顯然值得歡迎，也起到了一定的幫助作用，但是和三大巨頭內部的研發投入相比，這點小錢根本算不上什麼。如果中國真的想在EDA領域實現獨立，還需要做更多的工作。中國政府最近宣布的290億美元半導體基金，可能會在一定程度上對EDA的發展有所幫助，但是其中有多少會投入到EDA領域還有待觀察。我猜測，與投資於存儲器、晶圓廠設備和傳統無工廠晶片的金額相比，這個數字很小。

　　結束語

　　中國目前在EDA上的困境為國內企業帶來了機遇。政府投資，加上龐大的國內市場，意味著EDA行業有足夠的環境來成長和改善。不過，中國需要以漸進方式來發展EDA，不應讓EDA企業過於依賴政府的扶持。如果把所有的東西都由國產同類產品（如果有的話）替代，可能意味著產品上市時間變慢，最終產品也會落後。一刀切地採用國家採購政策是有風險的，可能會阻礙創新。只有當國產EDA工具或整個設計工藝在某種程度上處於相對公平的競爭環境時，才應該進行國產化轉換，而且扶持也應該基於階段性目標，以避免造成類似國企的低效運作。

　　我可以預見未來國內EDA企業將在中國國內某些晶片開展競爭，例如模擬設計或更簡單的物聯網設計。不過在全球範圍內的競爭將會更困難，如果不能從國外晶圓廠和代工廠獲得最先進的工藝技術，國內EDA公司將始終處於劣勢。中國可以減少對國外的依賴，但至少目前還沒有辦法在這個領域完全獨立。

打開APP閱讀更多精彩內容

聲明：本文內容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網站授權轉載。文章觀點僅代表作者本人，不代表電子發燒友網立場。文章及其配圖僅供工程師學習之用，如有內容圖片侵權或者其他問題，請聯繫本站作侵刪。 侵權投訴