EDA作为“芯片之母”,在当前半导体产业链,特别是在高端芯片的设计领域中起着非常重要的作用。然而,全球高端EDA市场长期以来被Synopsys、Cadence、Siemens三大国际龙头企业所拥有,鲜见中国企业身影。近年来,随着中国半导体产业链的发展和崛起,中国自己研究开发的EDA软件也在不断取得实质性的突破。

合见工软Fellow、研发副总裁吴秋阳先生日前在2022国际集成电路展览会暨研讨会(IIC)上发表题为“解码高端芯片,加速数字经济”的主旨演讲时,重点分析了EDA行业的发展历史与现状、产业环境、机遇和挑战,并详细介绍了合见工软如何通过打造数字验证全流程和系统级电子设计EDA解决方案来助力突破式发展。

合见工软Fellow、研发副总裁吴秋阳

EDA的发展现状与产业环境

吴秋阳首先回顾了EDA行业的四个发展阶段:

第一阶段是EDA诞生之前,从电子管到晶体管,电路设计从手工绘制发展到计算机辅助。

第二阶段是可编程逻辑器件开始成熟,这一阶段的标志是1980年发表的《超大规模集成电路系统导论》,它提出用可编程的硬件语言(HDL)来实现电路编程,对电路进行自动综合和模拟,以及设计流程的自动化。在这个过程中,我们也对设计流程进行了很多的抽象,形成了很多点工具,对痛点和难点进行自动化和算法化。这个阶段的特点是,除了三大国际EDA公司之外,很多其他公司能够提供局部最优解,这些局部最优解往往和全局最优解吻合度较高,所以点工具是可以生存的。

第三阶段是到2000年之后,由于制程进一步演进,如果只在前端进行逻辑设计,不考虑后端制造工艺要求就会形成设计无法收敛,所以就促成了全流程的集成,算法也变得具有前瞻性,比如逻辑综合的时候就要考虑布局布线的影响,更进一步在设计过程中考虑制造工艺的可能性。由于技术上的底层逻辑,基本上形成了以美国Synopsys、Cadence两大公司为主建立的完整的准封闭式平台的现状;还有两家公司Siemens EDA和Ansys也有自己的拳头产品,从而在产业链中有立足之地。

第四阶段是2015年之后,EDA行业进入探索与突破阶段。大数据、云计算、机器学习、人工智能、开源EDA、硅编译器、异构芯片、3D等技术在上下游扩展,对EDA提出了更高的新发展要求。市场形成了Synopsys、Cadence、Siemens EDA为代表的三大EDA龙头企业。这个阶段有不少新的概念和方向,有些昙花一现并没有落地结果,但有一些做出了不错的成绩。

 

EDA面向的是全球半导体市场,中国进口芯片中只有35%用在国内设备上,但却消耗了全球芯片总量的77%以上。然而,用于芯片设计的EDA工具选择虽不少,但是三大国际EDA公司长期拥有约80%市场份额,中国国产EDA市场份额大约只有10-12%。

发展高性能芯片的机遇和挑战

 “我们的客户都是针对高端芯片,那么高端芯片的需求在哪里呢?”吴秋阳分析称,EDA支撑起了5000亿美元规模的半导体行业,以及数十万亿美元规模的数字经济。到2025年,中国希望将数字经济核心产业增加值占国内生产总值的比重提高到10%。“这是一个了不起的愿景,需要我们在包括云计算、人工智能、大数据、自动驾驶、5G通信和工业物联网在内的各个领域全面发力。”

在他看来,无论是提供产品还是提供服务,其差异化往往都是从最底层的硬件开始。

首先,受全球疫情和区域不稳定局势等问题干扰,为了确保供应链的自主可控和安全可靠,各个系统厂商都希望能够控制自己芯片的设计制造。

其次,“合久必分”。一直以来,能够提供算力和通信的都是CPU/GPU这样的通用型标准芯片,但缺点是无法在细分场景下实现最佳优化。为了让自己的产品或者服务具备差异化竞争优势,不少系统厂商纷纷开始涉足芯片行业,有的甚至会针对不同场景设计不同的芯片,例如亚马逊面向计算密集、I/O密集和机器学习加速就设计了三款不同的芯片,这些对EDA企业而言都是很好的机会。

最后,全球气候变暖,低功耗高能效的产品也是人类文明的发展方向。高科技公司也需要设计自己独有的高能效、低能耗、高性能产品,这也带来了很多机会和挑战。

“中国芯片自给率的目标是在2025年实现70%,但中国IC芯片目前在国际市场的份额只有4%,差距非常大,要实现70%的芯片自给率还需要很大的投入和努力。”吴秋阳援引分析机构的数据称,用于半导体制造的材料、设备和EDA,将是实现该目标的三大支柱。其中,涉及EDA的有两个方向:一是涵盖高性能计算、人工智能、通用CPU、GPU等应用的芯片级EDA,二是用于2.5D、3D先进封装、Chiplet等领域的系统级EDA。

 

他指出,规模、复杂度、市场与生态是高性能芯片发展道路上面临的主要挑战:从规模来讲,芯片越来越大,复杂度也大幅提升,不仅需要通过工艺,还需要通过先进的封装技术来实现,在软件层次与多源多版本方面也需要持续增加IP的集成;在市场与生态方面,越来越短的窗口期等各种因素给高性能芯片发展带来了很大的挑战。

从最难的验证市场开始

之所以选择最难的验证市场,吴秋阳解释说,当前解决高端芯片设计开发的最大挑战就是来自验证阶段。从下图可以看到,随着制程工艺的不断演进,验证成本增加得很快,最先进芯片开发成本的30%以上来自验证阶段。以高通今年发布的自动驾驶芯片为例,它需要验证效率的提升、验证的可预期性、验证的质量保证、以及验证的多样化需求。

 

合见工软销售副总裁刘海燕随后在接受AspenCore独家专访时也表达了同样的观点。她表示,在EDA领域的众多细分方向中,验证伴随着芯片设计的全过程,随着工艺的演进和设计的复杂化,验证工具的开发存在较高的技术壁垒和准入门槛,目前已经成为研发工具成本占比最高的一部分,因此验证领域的突破对中国芯片产业发展至关重要。

为了应对高端芯片在验证方面的种种挑战,合见工软提出基于验证任务驱动的全场景数字验证系统,从软硬件核心验证引擎出发,到验证管理与调试定位,以及完善的验证解决方案。从去年3月正式运营至今,合见工软已经推出了多款EDA产品和解决方案,包括数字仿真器UVS、FPGA原型验证系统UV APS、仿真调试工具UVD、验证效率提升平台VPS、系统级IP验证方案HIPK等,以更好地解决芯片开发中的功能验证、调试和大规模测试管理等不同任务的挑战。

此外,随着制程工艺的不断演进,摩尔定律效应日渐趋缓,2纳米或者1纳米时会表现得更加明显,所以先进封装会是未来的方向,特别是Chiplet已成为芯片设计业的主流技术趋势之一,随之带来了设计规模、设计工具、设计检查等方面的挑战。这就需要打破IC、Interposer、Package、PCB设计协同的壁垒,建立系统级一体化设计和检查环境。

为此,合见工软在先进封装设计、板级设计领域进行了相应的布局。合见工软于今年6月推出了先进封装协同设计检查工具UVI的Sign-off级完整功能版,可在同一设计环境中导入多种格式的IC、Interposer、Package和PCB数据,支持全面的系统互连一致性检查;此外合见工软也在着力开发PCB和封装设计EDA产品方案。

中国EDA企业的当务之急

目前我们正处在“百年未有之大变局"中,而芯片行业又挺立在"大变局”的潮头。众所周知,EDA是我们的“芯片之母”,在整个芯片的设计生产制造过程中,扮演着着举足轻重的作用。那么,在当前的大形势下,中国EDA企业的当务之急是什么?成为很多人关心的话题。

“我认为是集中优势兵力打攻坚战、攻克关键的工具链节点,进而再实现由点到面的突破。”刘海燕回应称,EDA是芯片设计、生产、制造过程中必不可少的一环,也是相对比较特殊的行业。作为技术壁垒极高、重研发投入、工具链很长、人才也非常稀缺的小众市场/利基市场,EDA行业需要长时间的技术积累和产品迭代,是一个需要做生态的平台型企业。而我国的EDA行业相对来说起步较晚,所以本土EDA企业面临着时间短、任务重、挑战大的难题。

不可否认的是,中国给予了EDA产业非常良好的产业发展环境,但刘海燕仍呼吁整个行业要避免内卷、避免资源分散,共同支持真正有足够技术实力、能产品落地、能做生态、并有强大并购整合能力的公司做大做强,真正做到资源集中、人才集中、资本集中,做好产品与服务,涌现出一些真正具有全球竞争力的领先的EDA公司。

但这条路绝非“一蹴而就”。熟悉EDA行业的人士都比较清楚,国际EDA巨头的发展轨迹,都是经过了非常多次的并购,才逐步将“点”工具连成全流程工具。相比之下,中国EDA企业总量仍然偏少,行业整合对我们来说是否还比较遥远?刘海燕不否认强大的并购整合能力是EDA企业的必备技能之一,但她指出,“我们目前存在的问题,不是企业总数够不够多,而是真正有技术含量、有被并购和整合价值的公司太少。”

合见工软从去年3月正式运营以来,除了立足自研产品外,也同时并购了两家公司:一家专注于FPGA原型验证,一家专注于PCB系统检查与评审,其背后所蕴藏的收购逻辑是——“一家好的EDA或工业软件公司,它的产品一定是多维度的:既有自己的立足之本,可在短期内支撑公司的营业业绩;又有中期目标,未来几年内的产品路线图清晰明确;当然,还要有更长期的战略性布局。”

合见工软为自己设定的目标,是在未来2-3年内在某些领域拥有全球领先的技术和产品,在未来5-8年能够成为世界领先的EDA公司。

今年6月,合见工软宣布完成Pre-A轮超11亿人民币融资,至此,该公司已完成两轮融资,累计融资金额近30亿人民币。除了拥有全球EDA领域顶尖人才和深耕EDA产业的优秀管理团队外,国家层面的基金、产业资本以及战略客户的大力支持也功不可没,可以感受到整个EDA和半导体行业迫切需要那些能够真正做到技术领先、产品落地的公司做大做强,以解决行业的切肤之痛。

责编:Lefeng.shao
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