芯片国产当自强,EDA 换道超车 “百年一遇”的好机会来了

以美国为首的芯片强国对出口中国的高端芯片 “卡脖子”,让更多人意识到国产高端芯片自主可控重要性的同时,芯片产业链中小而精的 EDA(Electronic Design Automation,电子设计自动化)工具的关键作用也成了关注的焦点。

芯片设计环节繁多,精细且复杂,EDA 工具对于提升芯片设计效率,优化芯片设计,保证芯片功能发挥着极为重要的作用。目前,美国三大 EDA 公司(Synopsys、Cadence、Mentor)占据全球 EDA 市场超过 60% 的市场份额,绝大部分芯片设计公司都需要三巨头的 EDA 工具。因此,美国用 EDA 就能很容易卡住中国芯片行业的脖子

国产化率仅 10% 左右的国产 EDA,面对发展了二三十年的 EDA 三巨头的技术和商业壁垒,想要进一步提升国产化率面临极大挑战。庆幸的是,开源的趋势,AI 和云技术的突破,给国产 EDA 带来了换道超车百年一遇的好机会。

EDA 国产化率 10% 左右,突破面临瓶颈

EDA 处于整个芯片产业链的上游,特点是小而精。据市场研究和顾问公司 Gartner 今年 1 月的初步统计结果,全球半导体收入 2020 年总收入达到 4498 亿美元,比 2019 年增长 7.3%。

仅看 EDA 市场,赛迪顾问高级分析师吕芃浩去年给出的数据是,2019 年全球 EDA 市场规模为 102.5 亿美元,中国 EDA 市场规模约为 5.8 亿美元,占全球市场的 5.6%,国内 EDA 厂商总营收不到 4.2 亿元,仅占全球市场份额的 0.6%,国产化率仅 10% 左右。

“10% 左右的国产化率,华大九天贡献了大部分。因为国内很多 EDA 公司都是以出售点工具为主,华大九天有面向模拟芯片的整套工具,所以市场的认可度更高。”吕芃浩称:“国产 EDA 除了在模拟芯片领域有所进展,国微集团,概伦电子的部分工具也达到了国际领先水平,以芯华章为代表的公司把一些自研的 EDA 工具进行开源,也实现了一定的突破。”

吕芃浩认为 EDA 10% 的国产化率很难突破,已经进入瓶颈期。原因主要有两个方面,一方面,中国的 IC 设计公司数量虽然有 2218 家,但营收过亿的只有 200 多家,无论从技术还是财力水平,大部分中国芯片设计公司可能不会用正版软件,市场增长有限。

另一方面,国产 EDA 还没有实现数字芯片设计工具全流程,国内营收过亿的芯片设计公司还是会优先选择三巨头的 EDA 产品。

也就是说,国内的 EDA 市场增量有限,存量市场竞争激烈。吕芃浩认为,“EDA 的国产化率要进一步提升,必须要实现数字全流程,一旦实现了全流程,就可以迎来快速爆发期。然后,还需要改善生态。”

西南交通大学信息学院电子工程系副系主任邸志雄也认为,国产 EDA 公司最艰难的是生存问题,然后是生态问题。“国内 EDA 公司需要获得芯片设计公司、晶圆代工厂的信任,才能解决生存问题。”邸志雄表示。

“当前的国际形势下,大部分芯片设计公司都意识到 EDA 可控的重要性,这是国产 EDA 获得入场券的前提。”

拥有 20 多年国际领先 EDA 企业技术开发及公司运营管理经验,2020 年创立芯华章的王礼宾表示:“以前国内做 EDA 的公司不多,也主要是做单点工具。现在 EDA 受到国家重视,也有很大的市场空间,所以 EDA 公司都希望能够做的更完整,但贪大求全也不可取。”

国际形势的变化逼着中国芯片产业走出一条自己的路,国产 EDA 也迎来了一个绝佳机遇——开源 EDA。

开源给国产 EDA 打破巨头技术

和商业壁垒的绝佳机会

开源技术已经发展了多年,开源软件的蓬勃发展是目前软件可以快速、低成本实现的一个关键。Linux、GNU、Android 以及各种开源 AI Framwork 往往能够产生革命性影响。如今,EDA 开源也在快速向前推进。

2018 年,美国国防部高级研究计划局(DARPA)提出了两个新的项目 IDEA(Intelligent Design of Electronic Assets)和 POSH(Posh Open Source Hardware)。

其中的原因,邸志雄认为:“芯片的研发周期至少一两年,成本很高,技术门槛也很高,严重阻碍了芯片设计领域的创新,这两个项目从 IP 和 EDA 两个维度缩短芯片设计流程,节省研发时间。我认为从 RISC-V 指令集到 POSH 再到 IDEA,这其实就是一个开源生态,能够共同推动芯片行业的繁荣。”

相关统计数据显示,通过 IDEA/POSH 两个开源项目的实施,可供使用的开源 EDA 数量增加了近一倍。

“国内的 EDA 工具产业现状是技术进入门槛高、人才方面师资与课程缺乏,开源可以打破技术和商业壁垒,整合优化科技资源配置,高效的激发并加速创新,快速建设国内集成电路设计生态圈。”王礼宾认为。

那么,开源 EDA 能够帮助国内 EDA 产业迅速实现数字全流程吗?王礼宾表示:“我觉得这取决于技术的导向和资源投入,芯华章有系统性的想法,但难度会越来越大,因为投入也会越来越多。还要看到,不同的 EDA 涉及的环节不同,开源的难易程度以及开源所能带来的生态促进作用不同。”

邸志雄从技术的角度分析,开源的点工具如果没有统一的接口,想要将点工具串起来很难。另外,已有的开源单点 EDA 工具绝大部分都没有经过商业的流片验证。同时,在模拟芯片设计 EDA 工具与数字芯片物理实现 EDA 工具,特别需要开源工艺库和 PDK 支持。

吕芃浩指出,开源是国产 EDA 实现数字全流程的一条路,但现在大家都是起步阶段,有积累的情况下,实现完整的全流程会更快一些。

既然如此,为何还说开源是国产 EDA 的绝佳机会?虽然 EDA 开源不能在短期内就让国内 EDA 产业补足短板,但能从源头上解决国产 EDA 发展的人才之困。高端人才是国内集成电路产业发展最大的挑战是业界共识,对于小而精的 EDA 产业更是如此。

“在国内的教学体系中,EDA 教师一般隶属于微电子或计算机学科,不管在哪个学科,EDA 都属于小众,国内能够开设 EDA 课程的学校寥寥无几,缺乏 EDA 教材,并且,对 EDA 感兴趣的学生也很少。”邸志雄说。

“有了开源 EDA,首先是案例有了,可以给理论课与实验课比较好的支撑。另外,也能让学生了解 EDA 内部算法。还有,开源 EDA 也不需要购买昂贵的商业工具。再加上集成电路提升为一级学科,有了这些支持后,我认为不管是开设 EDA 课程开始出版教材,都是利好。”

开源 EDA 也会对相关研究有积极作用。据悉,很多研究者的论文都基于开源 EDA 展开研究,但开源 EDA 被收购之后往往就走向闭源。“如果开源 EDA 能够给大家提供一些比较完整的 EDA 环境和流程,对于而言就可以有一个基准的参考模型,进而可以验证算法或模型的有效性。因此,无论是科研还是教学,对开源 EDA 需求的迫切性都很高。”

开源 EDA 不仅能够降低学校人才培养的难度,也能吸引更多人加入到 EDA 行业,加速创新。王礼宾说:“EDA 是跨计算机、软件、集成电路的交叉学科,开源等于给了一个产品的母版,降低了研发的门槛,还可以激发和加速科研院所、高等院校、企业、爱好者的创新,优化资源配置,通过开源的实践,培养出很多 EDA 人才。”

“当产业界拿到了更好的开源产品,会加大开源 EDA 软件的使用频度和广度,这样的大范围应用,会为开源 EDA 提供更多的测试数据,进一步催熟开源 EDA 工具的发展和创新,最后形成正反馈的 EDA 开源生态。”王礼宾进一步指出。

国内的 EDA 公司不仅抓住了开源 EDA 的机遇,还可以借 AI、云计算等新技术换道超车。

国产 EDA 将换道超车

作为开源 EDA 的先锋派,芯华章在 2020 年九月上线了中国首个开源 EDA 技术社区 EDAGit,并且开源了两款 EDA 工具。王礼宾介绍,目前芯片公司在一个芯片项目中投入的精力大量是用于验证,因为芯片失败带来的损失轻则是一次投片数亿元的费用打水漂,重则影响产品的上市时间或者公司的信誉,导致客户的流失,可能带来致命的打击。因此,验证,特别是硬件验证,是科技领先的重要制胜点之一。

芯华章已经开源的两款 EDA 工具都与验证相关,EpicSim 是基于经典 EDA 方法学并进行强化、创新的开源仿真工具,仿真器是功能验证最不可或缺的一环。另外一款开源工具是形式验证 “灵验”,形式验证的优势在于完备、穷尽的验证,不需要复杂的环境搭建,设计收敛效率高,适合用于早期的模块验证。

数字仿真器流程

“芯华章所专注的数字验证领域,与晶圆厂和先进制程之间没有直接的紧密关联,因此对于我们来说,技术突破的关键在于人才。对于后端与晶圆厂对接的布局布线等环节,就必须考虑到打通开源产品在不同的工艺节点上的应用。”王礼宾说。

“我们开源的 EDA 工具都可以很好地应用在芯片项目的早期验证和院校教学当中,希望可以抛砖引玉推动资源整合优化,让芯片设计者和 EDA 工具的研发人员都用上芯华章开源的 EDA 工具,这样会很快形成一个新的技术生态圈,激发这两类人群的创新活力,实现 EDA 技术壁垒和商业壁垒的突破,提高集成电路创新链整体效能。”

邸志雄说:“芯华章的数字验证工具实现了国内从无到有的突破,其‘灵验(EpicFV)’开源形式验证 EDA 也是全球第一款。验证类型的工具销售额占所有 EDA 工具销售额的 30% 左右,需求量大且市场价值高。”

我们了解到,芯华章的 EpicSim 工具已经被商业芯片设计公司采用,并且在实际设计中也达到了仿真速度提升两倍的目标。

“坚持开源这条路,肯定是 EDA 国产化一个非常好的途径。”吕芃浩说。

除了开源,AI 和云计算等前沿技术也能帮助国产 EDA 换道超车。王礼宾认为:“国外 EDA 巨头已经发展了几十年,如果用传统的方法和架构,想要追赶巨头肯定需要很多年。但新技术和新架构可以让我们不必采用以前的方法,在一个新的起跑线上出发,开发出更先进的 EDA 工具。”

比如芯华章使用到的 LLVM 技术,传统的 EDA 工具只支持 x86 架构服务器,如果要应用到 ARM 或 RISC-V 架构的服务器,就需要花费大量时间进行移植。采用 LLVM 架构,从一开始就能很容易支持不同架构,可以省去后期的移植,实现换道超车。

至于 AI 技术的作用,邸志雄认为,AI 不能从根本上推动 EDA 工具的发展,但可以看作一个类似预测的黑盒,解决一些较为复杂的问题。

吕芃浩的观点是,全球都在研究 AI 技术与 EDA 技术结合,国内的 AI 技术全球领先,这种优势在一定程度上有助于我们加快追赶步伐。还有不可忽略的云技术,随着云计算的发展,云上设计芯片能够减少芯片设计流程中耗时较多的芯片设计验证时间。

小结

EDA 技术作为产业链的源头,必须进行革新,产业链才能够得到整体效率的提升。2021 年是 “十四五规划”的开局之年,首次明确指出需要在集成电路设计工具上进行突破。

在 EDA 国产化率不高、巨头有强大的技术和商业壁垒的情况下,开源是国产 EDA 换道超车的好路径,十四五纲要也将开源技术上升到国家层面。芯华章率先在国内上线开源社区,并免费开源两款数字验证 EDA 工具,对于降低 EDA 行业的门槛、培养人才以及加速创新都有积极作用。

开源、AI、云计算前沿技术的突破,让中国 EDA 行业迎来了百年一遇换道超车的好机会。吕芃浩预期,按照现在的进度、趋势以及市场信息,加上国家资金和政策的支持,国产 EDA 在 5 年内基本实现全流程应该没有问题。

打破 EDA 巨头的壁垒挑战重重,但我们有理由保持乐观。

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