以美國為首的芯片強國對出口中國的高端芯片 “卡脖子”，讓更多人意識到國產(chǎn)高端芯片自主可控重要性的同時，芯片產(chǎn)業(yè)鏈中小而精的EDA(Electronic Design Automation，電子設(shè)計自動化)工具的關(guān)鍵作用也成了關(guān)注的焦點。
芯片設(shè)計環(huán)節(jié)繁多，精細(xì)且復(fù)雜，EDA工具對于提升芯片設(shè)計效率，優(yōu)化芯片設(shè)計，保證芯片功能發(fā)揮著極為重要的作用。目前，美國三大EDA公司(Synopsys、Cadence、Mentor)占據(jù)全球EDA市場超過60%的市場份額，絕大部分芯片設(shè)計公司都需要三巨頭的EDA工具。因此，美國用EDA就能很容易卡住中國芯片行業(yè)的脖子。
國產(chǎn)化率僅10%左右的國產(chǎn)EDA，面對發(fā)展了二三十年的EDA三巨頭的技術(shù)和商業(yè)壁壘，想要進一步提升國產(chǎn)化率面臨極大挑戰(zhàn)。慶幸的是，開源的趨勢，AI和云技術(shù)的突破，給國產(chǎn)EDA帶來了換道超車百年一遇的好機會。
EDA國產(chǎn)化率10%左右，突破面臨瓶頸
EDA處于整個芯片產(chǎn)業(yè)鏈的上游，特點是小而精。據(jù)市場研究和顧問公司Gartner今年1月的初步統(tǒng)計結(jié)果，全球半導(dǎo)體收入2020年總收入達到4498億美元，比2019年增長7.3%。
僅看EDA市場，賽迪顧問高級分析師呂芃浩去年給出的數(shù)據(jù)是，2019年全球EDA市場規(guī)模為102.5億美元，中國EDA市場規(guī)模約為5.8億美元，占全球市場的5.6%，國內(nèi)EDA廠商總營收不到4.2億元，僅占全球市場份額的0.6%，國產(chǎn)化率僅10%左右。
“10%左右的國產(chǎn)化率，華大九天貢獻了大部分。因為國內(nèi)很多EDA公司都是以出售點工具為主，華大九天有面向模擬芯片的整套工具，所以市場的認(rèn)可度更高。”呂芃浩告訴雷鋒網(wǎng)：“國產(chǎn)EDA除了在模擬芯片領(lǐng)域有所進展，國微集團，概倫電子的部分工具也達到了國際領(lǐng)先水平，以芯華章為代表的公司把一些自研的EDA工具進行開源，也實現(xiàn)了一定的突破。”
呂芃浩認(rèn)為EDA 10%的國產(chǎn)化率很難突破，已經(jīng)進入瓶頸期。原因主要有兩個方面，一方面，中國的IC設(shè)計公司數(shù)量雖然有2218家，但營收過億的只有200多家，無論從技術(shù)還是財力水平，大部分中國芯片設(shè)計公司可能不會用正版軟件，市場增長有限。
另一方面，國產(chǎn)EDA還沒有實現(xiàn)數(shù)字芯片設(shè)計工具全流程，國內(nèi)營收過億的芯片設(shè)計公司還是會優(yōu)先選擇三巨頭的EDA產(chǎn)品。
也就是說，國內(nèi)的EDA市場增量有限，存量市場競爭激烈。呂芃浩認(rèn)為，“EDA的國產(chǎn)化率要進一步提升，必須要實現(xiàn)數(shù)字全流程，一旦實現(xiàn)了全流程，就可以迎來快速爆發(fā)期。然后，還需要改善生態(tài)。”
西南交通大學(xué)信息學(xué)院電子工程系副系主任邸志雄也認(rèn)為，國產(chǎn)EDA公司最艱難的是生存問題，然后是生態(tài)問題。“國內(nèi)EDA公司需要獲得芯片設(shè)計公司、晶圓代工廠的信任，才能解決生存問題。”邸志雄表示。
“當(dāng)前的國際形勢下，大部分芯片設(shè)計公司都意識到EDA可控的重要性，這是國產(chǎn)EDA獲得入場券的前提。”
擁有20多年國際領(lǐng)先EDA企業(yè)技術(shù)開發(fā)及公司運營管理經(jīng)驗，2020年創(chuàng)立芯華章的王禮賓對雷鋒網(wǎng)(公眾號：雷鋒網(wǎng))說：“以前國內(nèi)做EDA的公司不多，也主要是做單點工具?，F(xiàn)在EDA受到國家重視，也有很大的市場空間，所以EDA公司都希望能夠做的更完整，但貪大求全也不可取。”
國際形勢的變化逼著中國芯片產(chǎn)業(yè)走出一條自己的路，國產(chǎn)EDA也迎來了一個絕佳機遇——開源EDA。
開源給國產(chǎn)EDA打破巨頭技術(shù)和商業(yè)壁壘的絕佳機會
開源技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了多年，開源軟件的蓬勃發(fā)展是目前軟件可以快速、低成本實現(xiàn)的一個關(guān)鍵。Linux、GNU、Android以及各種開源AI Framwork往往能夠產(chǎn)生革命性影響。如今，EDA開源也在快速向前推進。
2018年，美國國防部高級研究計劃局(DARPA)提出了兩個新的項目IDEA(Intelligent Design of Electronic Assets)和POSH(Posh Open Source Hardware)。
其中的原因，邸志雄認(rèn)為：“芯片的研發(fā)周期至少一兩年，成本很高，技術(shù)門檻也很高，嚴(yán)重阻礙了芯片設(shè)計領(lǐng)域的創(chuàng)新，這兩個項目從IP和EDA兩個維度縮短芯片設(shè)計流程，節(jié)省研發(fā)時間。我認(rèn)為從RISC-V指令集到POSH再到IDEA，這其實就是一個開源生態(tài)，能夠共同推動芯片行業(yè)的繁榮。”
相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，通過IDEA/POSH兩個開源項目的實施，可供使用的開源EDA數(shù)量增加了近一倍。
“國內(nèi)的EDA工具產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀是技術(shù)進入門檻高、人才方面師資與課程缺乏，開源可以打破技術(shù)和商業(yè)壁壘，整合優(yōu)化科技資源配置，高效的激發(fā)并加速創(chuàng)新，快速建設(shè)國內(nèi)集成電路設(shè)計生態(tài)圈。”王禮賓認(rèn)為。
那么，開源EDA能夠幫助國內(nèi)EDA產(chǎn)業(yè)迅速實現(xiàn)數(shù)字全流程嗎?王禮賓表示：“我覺得這取決于技術(shù)的導(dǎo)向和資源投入，芯華章有系統(tǒng)性的想法，但難度會越來越大，因為投入也會越來越多。還要看到，不同的EDA涉及的環(huán)節(jié)不同，開源的難易程度以及開源所能帶來的生態(tài)促進作用不同。”
邸志雄從技術(shù)的角度分析，開源的點工具如果沒有統(tǒng)一的接口，想要將點工具串起來很難。另外，已有的開源單點EDA工具絕大部分都沒有經(jīng)過商業(yè)的流片驗證。同時，在模擬芯片設(shè)計EDA工具與數(shù)字芯片物理實現(xiàn)EDA工具，特別需要開源工藝庫和PDK支持。
呂芃浩指出，開源是國產(chǎn)EDA實現(xiàn)數(shù)字全流程的一條路，但現(xiàn)在大家都是起步階段，有積累的情況下，實現(xiàn)完整的全流程會更快一些。
既然如此，為何還說開源是國產(chǎn)EDA的絕佳機會?雖然EDA開源不能在短期內(nèi)就讓國內(nèi)EDA產(chǎn)業(yè)補足短板，但能從源頭上解決國產(chǎn)EDA發(fā)展的人才之困。高端人才是國內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展最大的挑戰(zhàn)是業(yè)界共識，對于小而精的EDA產(chǎn)業(yè)更是如此。
“在國內(nèi)的教學(xué)體系中，EDA教師一般隸屬于微電子或計算機學(xué)科，不管在哪個學(xué)科，EDA都屬于小眾，國內(nèi)能夠開設(shè)EDA課程的學(xué)校寥寥無幾，缺乏EDA教材，并且，對EDA感興趣的學(xué)生也很少。”邸志雄說。
“有了開源EDA，首先是案例有了，可以給理論課與實驗課比較好的支撐。另外，也能讓學(xué)生了解EDA內(nèi)部算法。還有，開源EDA也不需要購買昂貴的商業(yè)工具。再加上集成電路提升為一級學(xué)科，有了這些支持后，我認(rèn)為不管是開設(shè)EDA課程開始出版教材，都是利好。”
開源EDA也會對相關(guān)研究有積極作用。據(jù)悉，很多研究者的論文都基于開源EDA展開研究，但開源EDA被收購之后往往就走向閉源。“如果開源EDA能夠給大家提供一些比較完整的EDA環(huán)境和流程，對于而言就可以有一個基準(zhǔn)的參考模型，進而可以驗證算法或模型的有效性。因此，無論是科研還是教學(xué)，對開源EDA需求的迫切性都很高。”
開源EDA不僅能夠降低學(xué)校人才培養(yǎng)的難度，也能吸引更多人加入到EDA行業(yè)，加速創(chuàng)新。王禮賓說：“EDA是跨計算機、軟件、集成電路的交叉學(xué)科，開源等于給了一個產(chǎn)品的母版，降低了研發(fā)的門檻，還可以激發(fā)和加速科研院所、高等院校、企業(yè)、愛好者的創(chuàng)新，優(yōu)化資源配置，通過開源的實踐，培養(yǎng)出很多EDA人才。”
“當(dāng)產(chǎn)業(yè)界拿到了更好的開源產(chǎn)品，會加大開源EDA軟件的使用頻度和廣度，這樣的大范圍應(yīng)用，會為開源EDA提供更多的測試數(shù)據(jù)，進一步催熟開源EDA工具的發(fā)展和創(chuàng)新，最后形成正反饋的EDA開源生態(tài)。”王禮賓進一步指出。
國內(nèi)的EDA公司不僅抓住了開源EDA的機遇，還可以借AI、云計算等新技術(shù)換道超車。
國產(chǎn)EDA將換道超車
作為開源EDA的先鋒派，芯華章在2020年九月上線了中國首個開源EDA技術(shù)社區(qū)EDAGit，并且開源了兩款EDA工具。王禮賓介紹，目前芯片公司在一個芯片項目中投入的精力大量是用于驗證，因為芯片失敗帶來的損失輕則是一次投片數(shù)億元的費用打水漂，重則影響產(chǎn)品的上市時間或者公司的信譽，導(dǎo)致客戶的流失，可能帶來致命的打擊。因此，驗證，特別是硬件驗證，是科技領(lǐng)先的重要制勝點之一。
芯華章已經(jīng)開源的兩款EDA工具都與驗證相關(guān)，EpicSim是基于經(jīng)典EDA方法學(xué)并進行強化、創(chuàng)新的開源仿真工具，仿真器是功能驗證最不可或缺的一環(huán)。另外一款開源工具是形式驗證“靈驗”，形式驗證的優(yōu)勢在于完備、窮盡的驗證，不需要復(fù)雜的環(huán)境搭建，設(shè)計收斂效率高，適合用于早期的模塊驗證。
“芯華章所專注的數(shù)字驗證領(lǐng)域，與晶圓廠和先進制程之間沒有直接的緊密關(guān)聯(lián)，因此對于我們來說，技術(shù)突破的關(guān)鍵在于人才。對于后端與晶圓廠對接的布局布線等環(huán)節(jié)，就必須考慮到打通開源產(chǎn)品在不同的工藝節(jié)點上的應(yīng)用。”王禮賓說。
“我們開源的EDA工具都可以很好地應(yīng)用在芯片項目的早期驗證和院校教學(xué)當(dāng)中，希望可以拋磚引玉推動資源整合優(yōu)化，讓芯片設(shè)計者和EDA工具的研發(fā)人員都用上芯華章開源的EDA工具，這樣會很快形成一個新的技術(shù)生態(tài)圈，激發(fā)這兩類人群的創(chuàng)新活力，實現(xiàn)EDA技術(shù)壁壘和商業(yè)壁壘的突破，提高集成電路創(chuàng)新鏈整體效能。”
邸志雄說：“芯華章的數(shù)字驗證工具實現(xiàn)了國內(nèi)從無到有的突破，其‘靈驗(EpicFV)’開源形式驗證EDA也是全球第一款。驗證類型的工具銷售額占所有EDA工具銷售額的30%左右，需求量大且市場價值高。”
雷鋒網(wǎng)了解到，芯華章的EpicSim工具已經(jīng)被商業(yè)芯片設(shè)計公司采用，并且在實際設(shè)計中也達到了仿真速度提升兩倍的目標(biāo)。
“堅持開源這條路，肯定是EDA國產(chǎn)化一個非常好的途徑。”呂芃浩說。
除了開源，AI和云計算等前沿技術(shù)也能幫助國產(chǎn)EDA換道超車。王禮賓認(rèn)為：“國外EDA巨頭已經(jīng)發(fā)展了幾十年，如果用傳統(tǒng)的方法和架構(gòu)，想要追趕巨頭肯定需要很多年。但新技術(shù)和新架構(gòu)可以讓我們不必采用以前的方法，在一個新的起跑線上出發(fā)，開發(fā)出更先進的EDA工具。”
比如芯華章使用到的LLVM技術(shù)，傳統(tǒng)的EDA工具只支持x86架構(gòu)服務(wù)器，如果要應(yīng)用到ARM或RISC-V架構(gòu)的服務(wù)器，就需要花費大量時間進行移植。采用LLVM架構(gòu)，從一開始就能很容易支持不同架構(gòu)，可以省去后期的移植，實現(xiàn)換道超車。
至于AI技術(shù)的作用，邸志雄認(rèn)為，AI不能從根本上推動EDA工具的發(fā)展，但可以看作一個類似預(yù)測的黑盒，解決一些較為復(fù)雜的問題。
呂芃浩的觀點是，全球都在研究AI技術(shù)與EDA技術(shù)結(jié)合，國內(nèi)的AI技術(shù)全球領(lǐng)先，這種優(yōu)勢在一定程度上有助于我們加快追趕步伐。還有不可忽略的云技術(shù)，隨著云計算的發(fā)展，云上設(shè)計芯片能夠減少芯片設(shè)計流程中耗時較多的芯片設(shè)計驗證時間。
小結(jié)
EDA技術(shù)作為產(chǎn)業(yè)鏈的源頭，必須進行革新，產(chǎn)業(yè)鏈才能夠得到整體效率的提升。2021年是“十四五規(guī)劃”的開局之年，首次明確指出需要在集成電路設(shè)計工具上進行突破。
在EDA國產(chǎn)化率不高、巨頭有強大的技術(shù)和商業(yè)壁壘的情況下，開源是國產(chǎn)EDA換道超車的好路徑，十四五綱要也將開源技術(shù)上升到國家層面。芯華章率先在國內(nèi)上線開源社區(qū)，并免費開源兩款數(shù)字驗證EDA工具，對于降低EDA行業(yè)的門檻、培養(yǎng)人才以及加速創(chuàng)新都有積極作用。
開源、AI、云計算前沿技術(shù)的突破，讓中國EDA行業(yè)迎來了百年一遇換道超車的好機會。呂芃浩預(yù)期，按照現(xiàn)在的進度、趨勢以及市場信息，加上國家資金和政策的支持，國產(chǎn)EDA在5年內(nèi)基本實現(xiàn)全流程應(yīng)該沒有問題。
打破EDA巨頭的壁壘挑戰(zhàn)重重，但我們有理由保持樂觀。
