轉載至《中國電子報》
作者：陳炳欣
2/3nm工藝、3D IC、第三代半導體、AI芯片均等2021年炙手可熱的技術當中都少不了一個身影——EDA工具。如果缺少了它，全球所有芯片公司都有可能停擺。按照加州大學圣迭戈分校AndrewKahng教授推測，EDA的技術進步可以讓設計效率提升近200倍，將消費級SoC的設計成本從77億美元降低到4500萬美元。隨著集成電路工藝技術的持續演進，EDA已成為撬動整個產業尤其是設計業發展的重要支點。
與芯片設計業互為促進
隨著摩爾定律的持續演進，集成電路的復雜程度指數級上升，現在集成度最高的芯片已經集成了數萬億個晶體管，未來芯片的集成度將會更高。依靠人工繪圖已經不可能完成這樣的設計任務，利用計算機輔助手段解決問題已是必然選擇。而伴隨集成電路60多年的發展歷程，EDA產業也歷經了從計算機輔助設計（CAD）發展進化到電子系統設計自動化（EDA）的演變，越來越深入地嵌入到集成電路產業當中，扮演著芯片破局支點的重要角色。
芯片作為現代電子產品的核心部件，一直充當著“大腦”的位置，技術含量高度密集，開發難度也是水漲船高。“設計一款芯片開發者首先要明確需求，定義諸如指令集、功能、輸入輸出管腳、性能與功耗等關鍵信息，再將電路劃分成多個模塊，清晰地描述出對每個模塊的要求。然后再由‘前端’開發者根據每個模塊功能設計出電路，運用計算機語言建立模型并驗證其功能準確無誤。‘后端’開發者則要根據電路設計出‘版圖’，將數以億計的電路按其連接關系，有規律地翻印到一個硅片上。”這是一位設計工程師對記者介紹芯片開發時的描述。如此復雜的設計，不能有任何缺陷，否則是無法修補的，必須從頭再來。如果重新設計加工，一般至少需要一年時間，再投入上千萬美元的經費，有時候甚至需要上億美元。
也正因為如此，現在的芯片設計已經離不開計算機設計軟件EDA的輔助。西門子EDA全球副總裁、中國區總經理凌琳就表示：“我進入這個行業的時候主流工藝仍然是0.25μm、0.18μm，現在已經演進到5nm、3nm。整個行業的工藝技術演進速度非常快，這是全體從者業共同努力的結果。EDA作為產業鏈上游的一個環節，涉及從設計到制造，從測試到量產的所有環節，是產業鏈中重要的一個部分。”
Cadence公司中國區總經理汪曉煜也指出，現在的芯片設計越來越復雜，GPU、CPU、DPU等超大規模和大算力SoC芯片的制造工藝基本采用了16nm、12nm、7 nm，甚至5 nm，根本離不開EDA工具的輔助。從仿真到版圖，從前端到后端，從模擬到數字再到混合設計，驗證及系統仿真，以及后面的工藝制造，現代EDA工具幾乎涵蓋了IC設計的方方面面。
3D IC毫無疑議是2021年集成電路領域最熱門的技術之一，吸引到臺積電、三星、英特爾、英偉達、AMD等幾乎所有龍頭廠商的全力進入。它的開發同樣少不了EDA廠商的身影。“隨著芯片制造工藝不斷接近物理極限，異構集成的3D IC先進封裝已經成為延續摩爾定律的最佳途徑之一。3D IC將不同工藝制程、不同性質的芯片以三維堆疊的方式整合在一個封裝體內，提供性能、功耗、面積和成本的優勢，能夠為5G、HPC、AI、汽車電子等領先應用提供更高水平的集成、更高性能的計算和更多的內存訪問。然而，3D IC是一個新興的領域，使用傳統的脫節的點工具和流程對設計收斂會帶來巨大的挑戰，而對信號、電源完整性分析的需求也隨著垂直堆疊的芯片而爆發式增長。”新思科技中國區副總經理許偉表示。
“3D IC今年特別熱，也是EDA公司的發展重點。作為一個新的領域，3D IC還沒有形成廣泛成熟的設計分析方案。傳統點工具組合形成的設計流程不再能滿足產品設計要求，無法覆蓋3D堆疊帶來的復雜信號、熱仿真等分析需求。這些年Cadence也在與客戶積極進行探討和實驗，基于長期以來在先進設計、板級和封裝領域的經驗，提出解決方案，目前Cadence現已推出3D IC全流程的相關設計和仿真工具以至通用一體化的設計平臺。”汪曉煜強調。
由此可以看出，EDA廠商一直伴隨集成電路技術的演進，作為產業鏈中關鍵的一個環節，共同推進技術的發展。或許在整個產業中，EDA的規模占比并不高。根據research and markets的數據，2020年全球EDA市場規模約為115億美元，預計到2025年達到145億美元。
三大廠商高度壟斷
回顧EDA的發展，大致經歷了三個階段。第一階段可以稱為計算機輔助設計（CAD）時代。20世紀70年代中期，隨著集成電路的誕生和發展，集成度逐漸提升，電路設計的復雜程度也隨之提高，設計人員開始嘗試使用CAD工具，以設計工程自動化替代手工繪圖。當時CAD的主要功能是交互圖形編輯、晶體管級版圖設計、布局布線、設計規則檢查、門級電路模擬和驗證等。
進入1980年代，隨著超大規模集成電路的出現和發展，電路設計復雜度進一步提高，設計工具功能開始包括自動布局布線、定時分析、邏輯模擬、仿真故障等，EDA行業開始進入到計算機輔助工程（CAED）時代。這個時期EDA的商業化也逐漸得到發展，現在的EDA三大廠商巨頭Synopsys、Cadence和西門子EDA（Mentor）相繼成立。
進入20世紀90年代之后，芯片已經可以集成上億個晶體管，硬件語言也實現標準化，推動了EDA設計工具的進一步發展和普及。設計工程師開始從電路設計轉向系統設計，以高級語言描述、系統級仿真和綜合技術為特點的EDA就此出現，行業進入電子系統設計自動化（EDA）時代。
也是在這個時期，EDA行業經歷多番合縱連橫，逐漸形成了Synopsys、Cadence和MentorGraphics（SiemensEDA）三強加多點供應商的市場格局。根據馭勢資本的資料，三大EDA廠商均擁有完整且優勢明顯的全流程EDA工具，且部分流程工具在細分領域擁有絕對優勢。三家企業占據了全球EDA市場約70%的份額，這個占比在中國市場可能更高，達到90%以上。其他企業則為擁有部分領域的全流程EDA工具或者聚焦于某些特定領域或用途點工具的企業。例如Ansys在熱分析、壓電分析等領域占據優勢；Keysight的EEsof在電磁仿真、射頻綜合等領域具有優勢；華大九天在FPD面板領域有領先優勢。
由此亦可看出，發展并且擁有全流程工具對于EDA企業來說顯得至關重要。
EDA格局或將再次改變
隨著集成電路設計復雜度的提升、新工藝的發展，當前的EDA又呈現出新的發展趨勢，即人工智能、云計算等技術在EDA行業的應用與融合。它們的發展或將再次改變EDA行業的發展格局，推動EDA進入一個新的時代。
日前，Synopsys宣布，亞馬遜公司旗下的云計算服務平臺部署了新思科技的VCS FGP技術。在云端運行相關技術，可讓設計團隊實現更高的效率，縮短驗證收斂時間，獲得優異的硬件性價比。許偉表示：“EDA上云是一個發展趨勢，不管是算力還是大數據等云計算端都有著自身的優勢，將有越來越多設計公司從自建私有云向公有云過度。”云技術的運算能力與儲存容量與EDA技術融合，可以在很大程度上解決當前IC設計面臨的算力缺口，為開發者提供實時可用的算力、更加靈活高效的開發環境、更加優化的成本，并縮短產品上市時間。
國微思爾芯資深副總裁林鎧鵬也指出，EDA上云對于企業來說，最直接就是有望解決算力問題，特別是對初創企業非常有利。無論是設計還是驗證，IC設計公司對算力的需求都非常大，很多小公司承受不起，只能用時間來換金錢。如果云端有更好的解決方案，對于它們來說將有非常大的幫助。
人工智能與EDA的融合也值得關注。芯片敏捷設計是未來發展的一個主要方向，深度學習等算法能夠提高EDA軟件的自主程度，提高IC設計效率，縮短芯片研發周期。據有關報告顯示，機器學習在EDA的應用可以分為四個方面：數據快速提取模型；布局中的熱點檢測；布局和線路；電路仿真模型。目前，諸多EDA企業都在人工智能方面進行了深入的布局與開發。汪曉煜表示：“人工智能在大規模數字芯片優化、數字仿真驗證、PCB設計綜合等領域都有著巨大的發揮空間。以仿真驗證為例，當前企業花費在仿真驗證上的運算資源與時間呈指數級升高。采用機器學習，生產力提升的效率甚至可以達到10倍以上。”
國內EDA發展道阻且長
我國企業也非常重視EDA的開發。上世紀八十年代中后期，我國便開始投入自有集成電路計算機輔助設計系統的開發，并在攻堅多年之后，成功推出首套國產EDA——熊貓系統。這也是中國EDA產業的開端。然而，隨著EDA對集成電路產業的戰略意義不斷提高，特別是近幾年以來，已經有越來越多的企業開始切入這一賽道。國內目前已有了幾十家EDA公司。
然而，眾多企業的投入也導致國內EDA產業出現小而分散的問題。雖然在采訪中林鎧鵬認為，當前國內EDA產業與二十年前美國的情形有些相似，處于行業發展早期競爭階段，幾十家并不算多。然而，實現情況卻是一些國內企業或許在個別點工具或者部分細分領域具有一定優勢，短板卻是產品不夠全面，以任何一家之力都無法覆蓋整個EDA產業鏈。難以提供全流程的產品正在成為國內EDA企業的主要問題。畢竟只有提供全流程產品才能更好支撐整個產業的發展。
借鑒國際經驗，EDA的發展過程中，資本發揮了關鍵的作用，收購和并購成為EDA企業實現產品線整合的核心手段之一。然而，以目前國內的發展情況，短期內通過經濟手段實現整合并不現實。那么，如何才能實現國內EDA產業的全流程化呢？
芯華章科技產品和業務規劃總監楊曄表示，EDA行業有其特殊性，它涵蓋了芯片產業從上游設計到下游封裝測試的全鏈條，在這么長的產業鏈里，國產EDA企業勢必沒辦法貪多求全，應該集中精力做自己最熟悉和擅長的一部分，因此，芯華章聚焦于驗證這一決定芯片成敗的領域進行突破。
除了聚焦某塊領域進行突破，針對這樣的狀況，楊曄認為：“國內產業在發展初期階段更應該注重倡導‘開放’，加強企業間的協同配合，目的是加強工具間的協同性，建設更完善的行業生態，提高芯片驗證效率，共同建設開放共榮的生態圈。”
深圳鴻芯微納有限公司首席技術官王宇成也認同這樣的方式：“整合的方式有很多種，以目前國內的情況來說，經濟上的整合并不現實。另一種可行的方式是進行技術上的整合，如果能把國內不同領域的EDA工具，甚至不同的點工具，以某種方式加以整合，最終給用戶提供一個完整的解決方案，將具有非常高的價值。”
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