浅谈国产EDA软件开发

浅谈国产EDA软件开发

来源:内容转载自公众号「芯论语-天高云淡Andi863」,谢谢。

摘 要:

浅谈国产EDA软件开发

随着美国对中国芯片产业的打压逐步升级,卡脖子由芯片向着核心技术延伸,大家发现EDA软件也是要补的短板,发展国产EDA软件的呼声很高。EDA软件虽然也是一种软件,但开发时要运用大量半导体和微电子学知识,而且它的市场容量很有限,养不活大批EDA软件公司。因此,国产EDA软件的开发要科学规划,要避免低水平竞争,避免蜂拥而上。

集成电路(芯片)产业是信息技术产业的核心,是支撑经济社会发展和保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业。EDA软件是芯片设计的必备工具,因而是芯片产业的重要基石之一。虽然从商业角度看,EDA软件是研发难度大、要持续不断更新和投入、净利润率也不高的“苦逼”行业,但从重要性角度看,它是一个“极其重要”的行业,可以说是重中之重,需要政府高度重视、科学规划和大力支持,加快国产EDA软件行业发展势在必行。笔者从自身经历和对行业的观察,浅谈对国产EDA软件开发的想法,并提出了6点发展建议。

一、揭开EDA软件的神秘面纱

EDA软件就是电子设计自动化(Electronics Design Automation)软件。它是设计集成电路(芯片)的必备工具,因此也叫EDA工具。设计人员在工作站上使用EDA软件,要把数十亿(甚至上百亿)个晶体管、存储单元、电阻、电容等安排在1cm²不到的硅片面积上,并连接成极其复杂的电路,例如CPU、SOC、Flash芯片等,而且要保证设计万无一失后,才能送到制造厂去加工。EDA软件的任务流程一般包括:1.硬件描述语言(HDL)输入;2.逻辑编译、简化和分割;3.电路综合、优化、布局和布线;4.电路仿真模拟;5.生成制造数据。如果说设计芯片很难,那么设计EDA软件就更难。

可以说,没有EDA软件就没有各种复杂芯片,就没有各式各样的智能设备,因而就没有了我们今天的工业信息化、通信便利化、生活智能化的社会。

EDA软件是从上世纪70年代开始,逐步从计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助测试(CAT)和计算机辅助工程(CAE)等技术演变而来,已有50多年的发展史。它大致经历了三个发展阶段(参考4)。

第一阶段是CAD时代(二十世纪七十到八十年代)。这个时期的CAD主要功能是交互图形编辑,晶体管级布图设计、布局布线、设计规则检查,门级电路模拟和验证等。

第二阶段是EDA软件走向商业化(九十年代)。这一阶段,硬件描述语言VHDL和Verilog产生了,这为EDA软件的商业化打下良好的基础。随着硬件描述语言的标准化和芯片设计方法的不断发展,推动了EDA软件的普及和发展。这个时期EDA软件的特征是高级语言描述、系统级仿真和综合技术、以及正向(Top Down)设计方法成为主流。

第三阶段是EDA软件进入系统级设计阶段(本世纪开始)。这一时期在仿真验证和设计两个层面,支持标准硬件描述语言的EDA软件的功能更加强大,更大规模的可编程逻辑器件不断推出,系统级、行为级硬件描述语言趋于更加高效和简单,使更大规模的系统级芯片(SoC)设计成为可能。

经过最近三十年的市场博弈,不断兼并,强者恒强。全球EDA市场仍然由Synopsys、Cadence和Mentor三家EDA厂商所垄断,大的格局并没有变化。

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图1.全球最大的三家EDA软件供应商

2018年可以看作人工智能(AI)的元年,国际著名EDA厂商已经开始研发具有AI功能的EDA软件,试图在EDA软件中应用AI算法赋能芯片设计。今年3月12日,Synopsys推出业界首个用于芯片设计的自主AI应用程序DSO.AI(Design Space Optimization AI),这是电子设计技术上所取得的重大突破。3月18日,Cadence发布了经过数百次先进工艺流片验证的数字全流程新版软件,采用了支持机器学习(ML)功能的布局布线和物理优化引擎,吞吐量最高提升3倍,功率、性能和面积(PPA)最高提升20%,助力设计更卓越的芯片。而Mentor的机器学习(ML)OPC可以将光学邻近效应修正(OPC)输出预测精度提升到纳米级,同时将执行时间缩短3倍(参考5)。

二、笔者的EDA软件开发旧事

笔者80年代在航天部七七一所读研的时候,参与了沈绪榜院士主持的部管预研课题“智能硅编译器”(Intelligent Silicon Compiler,后文简称:ISC)的研究。课题内容是研究如何用自然语言描述要设计的芯片,如何通过计算机把芯片描述一步步编译,最后生成制造芯片所需的芯片布图(Layout)数据。简单地说,ISC课题研究的是芯片的全自动设计方法,这是EDA的最高境界。即便今天看来,ISC的理想也是非常先进和高远。目前,国外三家EDA厂商的EDA软件还没有实现ISC的理想,也就是说还不能全自动地设计芯片。

把当前EDA软件ISC的理想相比较的话,差别在于:1.硬件描述语言(HDL)比自然语言低级;2.设计流程中的一个个软件工具是人工组织起来的,不是ISC那样自动完成的;3.芯片设计人员不但要熟练掌握EDA软件,更要具备丰富的芯片设计经验,而ISC对芯片设计人员的要求不高。

当然,ISC是一个预研课题,是一种方法论研究。在当时电脑配置极其低下(显示分辨率640X480、主频4Mhz、内存128KB、硬盘20MB)的条件下,ISC是无法真正开发出来并商业化运用。40年后的今天,在电脑配置极其豪华的条件下,全球最先进的EDA软件还没有实现ISC追求的目标。笔者研究生论文的工作集中在ISC的组成结构、专家库系统、布图描述语言、人机图形接口等方面,并完成了芯片布图的CIF格式和GDSII格式的互转软件,基于AutoCAD系统开发了坐标纸上芯片布图的数字化输入软件。

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图2.基于AutoCAD在微机上开发的Micro-CV系统

笔者算是国内较早的IC CAD软件开发者和系统应用者。当年七七一所购置的国外的IC CAD系统,包括Computer Vision系统(简称:CV系统)和阿波罗(Apollo)图形工作站。它们的主要功能是:坐标纸上芯片布图的数字化输入,用mSPICE软件对器件参数进行仿真,修改和检查芯片布图,全芯片的布局和布线,设计规则检查,大型绘图机绘制芯片布图等。90年代初期在深圳使用过Tanner公司的芯片布图编辑软件L-EDIT,已感受到EDA软件进步之神速。

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图3.小型机CV系统和阿波罗(Apollo)图形工作站

三、EDA软件是个苦逼的行业

说到要发展国产EDA软件,行外人士倒是信心满满,不就是设计个软件吗,但业内人会皱皱眉头说“EDA软件是个苦逼的行业”。这么说是有理由的,笔者认为有以下几方面的原因。

1.EDA软件开发很难,并且需要不断更新开发,不断研发投入,是一个持续“高度烧脑”的行业。EDA软件要处理数十亿(甚至上百亿)个电路元件,并把它们连接成理想功能的芯片。处理和连接的难度犹如把面积仅1cm²的芯片放大25万倍后,看到在半个深圳湾高新区的面积上,用最窄5毫米的线条(多晶硅、氧化层、外延层、离子注入区、上下层过孔、铝连线等)纵横交织构成一个“电路森林”,这种纵横交织有10~20层之多。EDA软件既要保证这种处理、连接、纵横交织完全不会出错,又要满足电路参数、速度、功能、面积、功耗等约束条件。所以,由事难想到做事的工具之难,设计EDA软件的难度可想而知。

另外,一般软件开发完成后,基本可以定型并大量销售,未来的维护只是在发现错误(Bug)后,打个补丁或者更新一个版本。但是,EDA软件首先不能出现Bug,另外随着半导体工艺的进步(或者革命性变革),EDA软件都要随着开发升级版本(或者革命性新版本),并且它的销售数量非常有限。因此,大的研发投入和较少的销售数量,决定了EDA软件价格不菲。

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图4. 1cm²的芯片放大25万倍后,可以看到在半个深圳湾高新区的面积上,布满了最窄5毫米的线条纵横交织构成的“电路森林”,纵向堆叠多达10~20层之多。2.人才培养难度较大,人才紧缺,薪水较高,EDA软件是一个真正的高技术行业。EDA软件开发不同于一般软件开发,它交叉在软件工程学、半导体和微电子学两个领域之间。目前高校还没有这样二合一的学科设置,既要学软件专业,又要学半导体和微电子专业。目前从业者可以是工作中半路转行,恶补另外一个学科的知识;也可以是两个专业的人配合工作,各取所长。笔者专业是计算机硬件兼顾软件工程,读研时学了超大规模集成电路和半导体工艺课程,所以对EDA软件开发有一定了解。但是,如果是学半导体和微电子专业的人,工作中转向从事EDA软件编程,要掌握软件工程的知识难度较大。目前EDA软件人才紧缺,资深高级人才更缺,需要国家有计划地在高校中定向培养。

3.用户数量非常有限,市场不大,EDA软件是一个净利润率不高的行业。市场容量不大可以理解,中国纯芯片设计公司也就1000多家,其中大多是中小企业,很难做到按需购买正版国产EDA软件。即便每家都买,假如平均每年每家购买100万元的国产EDA软件(国外EDA软件另当别论),则国产EDA软件市场容量为10亿多元。假如每家购买500万元,则国产EDA软件市场容量也仅50亿元的规模。

再来看看国外三家龙头EDA厂商的情况。根据股票市场的公开信息,2019年,三家EDA软件公司的总收入合计不超过80亿美元,估计全球EDA软件市场规模不超过100亿美元。2019年Synopsys和Cadence的总收入分别是33.61亿美元和23.36亿美元,净利润分别为5.324亿美元和9.89亿美元,净利润率分别是15.8%和42.3%。(2019年Cadence净利润率急增,原因不明。笔者推测原因是华为大资金购买了Cadence软件的永久许可权,为之带来了超额利润?需要进一步求证)。从历年的情况可以看出,EDA软件行业的发展呈现小幅平稳增长态势,难有爆发式增长的情形,净利润率基本在10%~15%之间变化。所以说EDA软件行业是一个高投入、净利润率不高的行业。

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图5.Synopsys和Cadence近5年的净利润率变化情况(来源:根据公开资料整理)

四、EDA软件是我国必补短板

去年5月16日,美国商务部以国家安全为由把华为纳入实体清单。过后Synopsys、Cadence和Mentor三家EDA软件厂商相继宣布与华为终止合作。很佩服华为具有先见之明,之前已购买了部分EDA软件的永久许可(Licence),今后虽然得不到原厂技术支持和最新升级,但可以维持一年半载,争取时间另求生机。相比芯片和元器件断供,EDA软件断供对华为的打击更大。意味着如果没有国外最新EDA软件支持,华为将无法设计新的高性能芯片,包括手机芯片、服务器芯片、人工智能芯片等,原来的“备胎芯片团队”也将无法做事。

目前美国还没有对中国所有芯片公司禁售EDA软件,如果这种极端的情况发生,国内大约1000多家纯芯片设计公司将无法正常开展业务。EDA软件设备原材料工艺技术是“卡”在我们芯片产业“脖子”上的四只手。正如美国警察肖万非法“锁喉”弗洛伊德一样,任何一只手发力都让我们的芯片产业“无法呼吸!”。因此,发展国产EDA软件再苦再难,这个事关我们信息技术(IT)产业安危的短板必须补上。

目前,国内EDA软件厂商有华大九天、广立微、概伦电子、芯禾科技等近十家公司,并且近几年都加大了研发投入,但还难以与国外先进EDA软件相提并论。现实情况是,1.国产EDA软件在特定功能上有特点和特色,应用于某些小众场合没有问题,(这也是他们面对国外EDA三巨头的生存之道)。但是能形成全流程大范围应用的产品较少。2.有国外先进EDA软件可用情况下,国产EDA软件认可度很低,从研发、使用、反馈、提升的“正反馈”链条难以形成,产品快速迭代和竞争力提升无法完成,制约了国产EDA软件的成熟。所以有个奇怪的说法,国外EDA软件禁止之时将是国产EDA软件行业的春天。3.EDA软件人才紧缺,需要国家有计划地定向培养。

五、发展国产EDA软件的建议

根据对国内外EDA软件行业的了解,结合我们芯片产业补短板、强弱项的实际情况,笔者对发展国产EDA软件有一些粗浅的想法,并高度关注4个问题。难度较大,要正确面对;避免无序,要顶层设计;配合重要,要规范当先;市场有限,要避免盲从。以下是笔者对发展国产EDA软件的建议。

1.成立联盟:建议成立由政府主管部门或研究机构牵头,由国内龙头EDA企业、晶圆厂、高校和研究机构、重点IC设计企业组成的“国家EDA软件开发产学研联盟”,共商良策,共促国产EDA软件发展。

2.起草规范:在联盟中成立专家组,以现有国产EDA软件为基础,制定国产EDA软件的开发规范。包括功能模块规范、数据库规范、数据交换接口规范、用户交互界面规范等。避免遍地开花、无序开发、软件工具之间不能协同、低层次竞争等情况发生,避免造成宝贵的时间和资源浪费。

3.上云架构:除了传统云下架构外,考虑增加基于超算平台和云平台的国产EDA软件的云上架构,二种总体架构并列考虑,开发者同时研发两个版本的EDA软件。目前国外EDA软件还未普及云上模式。国产EDA软件最好能以云服务的形式向IC企业、高校师生、甚至系统企业提供服务,便于国产EDA软件普及。

4.应用AI技术:在构建国产EDA软件总体架构时,要把人工智能(AI)技术的应用放在重要位置。否则,我们在起点就已落后于国外EDA软件了。

5.认领开发:EDA软件的功能模块可由龙头EDA软件企业认领开发、悬赏揭榜开发,政府给予大力资助。一个功能模块可由1~3家EDA软件企业承担,可冠名自己的品牌,进行市场自由竞争。政府动态监管和支持,优胜劣汰。

6.推广平台:适时依托国家IC基地,在全国布局成立国产EDA软件推广平台,政府大力支持国产EDA软件的推广及应用。结语:EDA软件的研发投入很大,需要长期的知识和经验积累,而且即使有了产品上市,今后还要跟随芯片技术进步而不断投入升级研发。所以,EDA软件行业是个十分艰苦的行业。同时,EDA软件市场十分有限,净利润率也不高,不能养活太多公司。所以,EDA软件虽然处在补短板、强弱项的风口上,还请那些没有思想准备、准备炒概念、想赚快钱、想拿政府资助的企业绕道吧,避免轰轰烈烈过后一地鸡毛。希望把机会留给那些对EDA行业有深刻了解,有技术积累,有报国情怀的企业家们,让他们的资金投入和辛勤劳动获得更多回报,让国产EDA软件的短板补齐,支持芯片行业健康发展。参考资料

1.周祖成,EDA的机遇与挑战,微信公众号【芯人类】,2019.7.272.赵元闯,华大九天刘伟平谈国产EDA突围之路,微信公众号【芯思想】,2019.8.133.李严峰,再谈本土EDA竞争力顺便聊聊DTCO在中国落地,微信公众号

【芯思想】,2019.12.30

4.EDA365电子论坛,EDA发展历史及现状,搜狐网:

https://www.sohu.com/a/377306647_120012815,2020.3.3

5.邸志雄,谷歌会超越三大巨头垄断芯片EDA设计工具吗?

微信公众号【网络交换FPGA】,2020.4.28

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