芯片設(shè)計EDA軟件的使用

什么是 EDA 軟件

EDA（Electronic Design Automation）是電子設(shè)計自動化軟件的簡稱，EDA 產(chǎn)業(yè)是集成電路設(shè)計最上游、最高端的產(chǎn)業(yè)，涵蓋了集成電路設(shè)計、布線、驗證和仿真等所有流程，是集成電路設(shè)計必需、也是最重要的軟件工具，被稱為“芯片之母”。EDA 軟件按產(chǎn)品類型細分包括：計算機輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）、印刷電路板（Printed Circuit Board，PCB）和多芯片模塊（Multichip Module，MCM）、集成電路設(shè)計和驗證、半導(dǎo)體知識產(chǎn)權(quán)（Intellectual Property，IP）。IP 即半導(dǎo)體集成電路設(shè)計中那些可以重復(fù)使用的、具有知識產(chǎn)權(quán)的設(shè)計模塊。集成電路設(shè)計公司無須對芯片每個細節(jié)進行設(shè)計，通過購買成熟可靠的 IP 方案，實現(xiàn)某個特定功能。這種類似搭積木的開發(fā)模式，縮短了芯片開發(fā)的時間，提高了芯片的可靠性。EDA 軟件廠商通常都提供成熟的半導(dǎo)體 IP 設(shè)計方案。

EDA 軟件的全球市場
目前，全球 EDA 工具的主要市場被三大巨頭瓜分，Synopsys、Cadence、Mentor Graphics 三巨頭擁有 EDA 工具大部分市場份額。三大 EDA 企業(yè)占全球市場的份額超過 60%，2018 年，Synopsys 全球市場份額領(lǐng)先，占比達到 32.10%；Cadence 次之，占比為 22.00%；Mentor Graphic 占比為 10.00%。這三大國外 EDA 廠商提供了 IC 設(shè)計行業(yè)最全面的 EDA 工具，覆蓋了芯片設(shè)計的整個流程，支持當(dāng)前最先進的芯片制造工藝，行業(yè)經(jīng)驗豐富，技術(shù)成熟，研發(fā)實力強大。三巨頭已經(jīng)開始探索將云計算、人工智能等技術(shù)引入 EDA 工具中。2018 年 5 月，Synopsys 公司推出了云端 IC Validator，作為云端芯片物理驗證方案；2020 年 3 月，Synopsys 推出了 DSO.ai（設(shè)計空間優(yōu)化 AI），這是業(yè)界第一個用于芯片設(shè)計的自主 AI 應(yīng)用程序。

國產(chǎn) EDA 軟件的起步
在發(fā)展初期，巴黎統(tǒng)籌委員會對我國實施禁運，國外 EDA 軟件無法進入中國，于是國內(nèi)開始自主研發(fā) EDA 軟件，1991 年，第一版國產(chǎn) EDA 軟件——熊貓系統(tǒng)上市，并且一度闖入國際市場。但 1994 年，“巴統(tǒng)”解散，國外 EDA 公司迅速進入中國市場，由于當(dāng)時我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)整體處于起步階段，人才、資金和產(chǎn)業(yè)鏈的缺乏導(dǎo)致國內(nèi) EDA 公司在競爭中節(jié)節(jié)敗退，市場份額大量流失，中國的 EDA 產(chǎn)業(yè)很快進入了低谷期。2008 年 4 月，國家“核高基”重大科技專項正式進入實施階段，EDA 領(lǐng)域也迎來了新一輪的國家支持，經(jīng)過行業(yè)整合，國內(nèi)出現(xiàn)了華大九天、芯愿景、廣立微、芯禾科技、概倫電子等一批優(yōu)質(zhì)企業(yè)，國產(chǎn) EDA 再度迎來發(fā)展。2018 年，我國某些芯片設(shè)計企業(yè)被產(chǎn)業(yè)鏈上游斷供，EDA 軟件的重要性再次凸顯。

國產(chǎn) EDA 軟件的困難

（1）國產(chǎn) EDA 軟件工具不夠全面，尤其是在數(shù)字電路方面，Synopsys 與 Cadence 公司壟斷了 SoC 設(shè)計主流程的 EDA 工具，在物理驗證、綜合方面，國產(chǎn) EDA 軟件技術(shù)與國際三巨頭差距很大，國產(chǎn) EDA 廠商還沒有能力全面支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展。國際 EDA 三巨頭積累了深厚的技術(shù)壁壘、專利壁壘，國產(chǎn) EDA 軟件總體上很難離開三大巨頭公司的平臺。

（2）第二，人才短缺，投入不足，沒有足夠的工程師來開發(fā)此類軟件。在研發(fā)投入方面，半導(dǎo)體行業(yè)觀察資料顯示，本土 EDA 企業(yè)龍頭華大九天，過去十年間所投研發(fā)資金也只有幾億元人民幣，而 Synopsys 僅 2018 年的研發(fā)投入就約為 10.8 億美元，Cadence 2018 年的研發(fā)投入約為 8.7 億美元。

（3）EDA 軟件轉(zhuǎn)換成本極高，新的玩家進入市場非常困難。國內(nèi)相關(guān)芯片設(shè)計人員早已熟悉國際三巨頭的 EDA 工具，原有的大量產(chǎn)品設(shè)計、技術(shù)積累都是基于三巨頭的 EDA 工具，難以承受 EDA 軟件轉(zhuǎn)換的成本，缺乏切換到國產(chǎn) EDA 軟件的動力。

（4）國產(chǎn) EDA 工具缺乏與先進工藝的結(jié)合。芯片 EDA 軟件的最大特點是它與芯片代工廠具有高度的綁定關(guān)系，設(shè)計芯片時需要芯片代工廠提供的數(shù)據(jù)包，稱之為工藝設(shè)計套件（PDK）。PDK 是集成電路設(shè)計公司、芯片代工廠和 EDA 廠商的溝通橋梁，當(dāng)開始一個新的半導(dǎo)體工藝時，需要預(yù)先開發(fā)一套 PDK，PDK 用代工廠的語言定義了一套反映代工廠工藝的文檔資料，包含芯片的設(shè)計規(guī)則、模擬模型、單元規(guī)格、數(shù)據(jù)的文件。PDK 數(shù)據(jù)包更新頻繁，通常會不斷優(yōu)化，并且對 EDA 軟件有綁定及校驗的作用，一般只支持當(dāng)前最新版的 EDA 工具。國際 EDA 三巨頭在新工藝開發(fā)階段與世界領(lǐng)先的晶圓代工廠如臺積電、三星電子均有全方位合作，對生產(chǎn)工藝有很深刻的理解，而國內(nèi) EDA 廠商只能在代工廠工藝開發(fā)完以后拿到部分數(shù)據(jù)，無法接觸到先進工藝的核心部分，難以針對先進工藝設(shè)計改良 EDA 軟件，造成與國際 EDA 三巨頭的客觀差距。

國產(chǎn) EDA 軟件的機遇

（1）國家意志的支持。隨著國家加大對核心芯片國產(chǎn)化的政策、資金投入，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈自給率低的問題得到了整個社會輿論和資本的關(guān)注與重視，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈國產(chǎn)替代成為關(guān)系到國家安全的亟待解決的問題。EDA 軟件作為芯片設(shè)計階段最重要的工具，國產(chǎn)化需求自然會讓國產(chǎn) EDA 廠商有更多的機會。出于對供應(yīng)商供貨穩(wěn)定性、安全性的考慮，國內(nèi)芯片設(shè)計公司會更有動力拓展供貨商來源，增加使用國產(chǎn) EDA 軟件的比例。2018 年 9 月，國家集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金戰(zhàn)略投資國內(nèi) EDA 軟件龍頭企業(yè)華大九天，從此 EDA 軟件的發(fā)展進入國家隊的統(tǒng)籌規(guī)劃中。

（2）巨大的市場需求和增長潛力。2019 年，中國半導(dǎo)體市場規(guī)模為 1547 億美元，占了全球市場份額的 33%，已經(jīng)成為全球最大的半導(dǎo)體消費國，規(guī)模相當(dāng)于美國、歐盟及日本的總和，其中芯片設(shè)計行業(yè)市場規(guī)模約為 440.7 億美元，年復(fù)合增長率為 25.9%，市場規(guī)模暫居世界第二。我國芯片設(shè)計企業(yè)的數(shù)量自 2012 年以來逐年增加，逐步進入全球市場的主流競爭格局中，截至 2019 年年底，我國芯片設(shè)計企業(yè)達到 1780 家。在 2019 年全球前 50 家芯片設(shè)計企業(yè)中，我國企業(yè)占據(jù)了 10 個席位，并且培育出華為海思等達到國際先進水平的芯片設(shè)計巨頭，巨大的產(chǎn)業(yè)規(guī)模為國產(chǎn) EDA 軟件的發(fā)展提供了足夠大的市場。

（3）第三，我國芯片代工工藝的進步。隨著我國芯片代工廠的發(fā)展，國產(chǎn) EDA 廠商有了與芯片代工廠深度合作的可能。目前中芯國際已經(jīng)能夠量產(chǎn) 14nm 的芯片，同時 12nm、7nm 也在測試之中，離國際先進水平只差 1 至 2 代。國產(chǎn) EDA 軟件廠商與中國先進芯片代工廠商綁定，使在物理驗證、綜合等領(lǐng)域完善 EDA 軟件成為可能。芯片設(shè)計公司、EDA 廠商和芯片代工廠合作進行 EDA 軟件研發(fā)，制定國產(chǎn) EDA 軟件的開發(fā)規(guī)范，成立 EDA-IP- 代工廠聯(lián)盟，帶動 EDA 軟件協(xié)同發(fā)展極有希望。

（4）云計算、人工智能等技術(shù)與 EDA 技術(shù)的融合為國產(chǎn) EDA 技術(shù)后來居上提供可能。隨著芯片設(shè)計的規(guī)模和復(fù)雜程度逐年增長，芯片設(shè)計需要處理大量計算，芯片驗證是一項計算尤為密集的任務(wù)，云計算技術(shù)可以滿足計算密集需求；同時，隨著人工智能逐漸成為市場的主要驅(qū)動力，將人工智能引入 EDA 工具，可以幫助芯片設(shè)計達到更優(yōu)化的目標，開發(fā)性能更高的終端產(chǎn)品。我國在云計算、人工智能等領(lǐng)域與國際先進技術(shù)差距不大，基于云計算、人工智能的 EDA 技術(shù)可將我國 EDA 企業(yè)與國際三巨頭的技術(shù)差距大大縮小，我國企業(yè)有機會通過引入云計算、人工智能實現(xiàn)彎道超車。

審核編輯 黃昊宇