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连接人工脐带:国产EDA之路

更新时间:03-24 信息来源:知识自动化


“中兴事件”和“华为事件”的刺激,使人们很直观地感受到“卡脖子”之痛。电子设计自动化软件EDA正在被强烈聚焦。然而在整个半导体世界中,这是一个需要用放大镜才能找到的行业。在不被人关注的世界中,中国EDA行业已经落后得太远。

虚火旺盛?饥寒交迫的中国EDA,差钱得很

国家和资本都比以往更关注国产EDA,国家大基金一期和二期纷纷上马,形成良好的投资引导。与此同时也涌现出一批新做EDA的团队,良莠不齐,真假难辨。甚至有些企业,划拉一些源代码,包装卡位后坐等投资商来入股。中国EDA这个多年来饥寒交迫的产业,也总算有了一点点泡沫。

过去的十年,是中国集成电路产业飞速发展的十年。与之形成鲜明对照,EDA行业几乎颗粒无收,步履蹒跚。除了在少数领域有厂商在某些产品上做到全球前列,实现自主替代,绝大多数工具和技术都是依赖进口。

在EDA领域的投入也是严重不足的。尽管大基金给人的感觉是粮草充足,很多人认为不差钱。这是一种无知的假象,完全低估了发展EDA的资金需求。以国外著名EDA公司为例,在上世纪九十年代,一个一千多人的研发部门,每年的常规研发经费高达2.5亿美金,而且需要特殊攻关的时候,随时追加经费。相对而言,中国每年在EDA领域的投入,基本就是杯水车薪。美国新思Synopsys在2018年的研发费投入约10亿美元,其中投入在EDA领域的大约一半,为5亿美元,一年就35亿人民币。而中国所有EDA厂家加起来的收入,不会超过10亿。也就是中国EDA产业连续四年不吃不喝,把所有的收入都拿来去投入研发,也就是Synopsys一年的口粮。

2014年中国成立大基金1期,筹得1400亿人民币支持半导体行业的发展,17%用于设计公司,也就是238亿人民币用于扶持芯片设计公司。这其中,最多有3亿人民币进入了EDA工具。这种投入,简直就是向湖面上扔下的一个小石子。尽管看上去还有科技部、工信部和发改委在做部委的对口支撑,但奈何投入比例悬殊。如果看不清全球壁垒森严的EDA产业垄断格局,看不清全球EDA的研发投入力度,这样战局的胜负,一开始就会被锁定。

小路一条:从方法层面创新

“全流程、全方位”成为中国EDA厂商的使命,甚至成为国家任务。然而,这一条路,在中国基本是走不通的。当前整个集成电路设计制造过程及其配套的工具链和技术手段,都是植根于美国半导体产业的发展。这是一种美国控制全球半导体产业链的现实。正是因为中国的半导体商业迅速成长,或许有可能会威胁到美国的主导地位,才遭遇了对半导体产业发展的遏制。只要是按照现有的流程安排来做,就改变不了身在局中被支配的劣势地位。EDA禁运只是其中一个小手段。

最早从加州大学伯克利分校的实验室开始起源,EDA多年来与集成电路行业共同发展,到今天已经涵盖了设计、制造和IP核。由于EDA为集成电路行业提供了方法学,因此随着半导体行业的发展,EDA越来越大有用武之地。观察到美国的EDA产业发展,一路来在并购整合中向前走。尽管在过去有数百家EDA的小公司不断涌现,但几乎没有小公司能够足以长大,得以挑战巨头的地位——他们在挑战鲨鱼的路上已经被鲨鱼所噬。行业洗牌无数遍,但产业霸主依然是明导、铿腾、新思这三巨头。老的洗不掉,新的上不来,看上去是一个很奇怪的行业:一个缺乏惊喜的行业。

这种现象在中国也不陌生,也从来没有惊喜。这背后就是设计方法学的问题,也就是要理解环境,以定义正确的问题,围绕方法学来调动技术和人力,而非跟着既定路径前进。

设计方法学

图1:设计方法学

整个集成电路行业的发展,跟着选定路径走下去已经很久了。半导体庞大的行业,离不开现有的EDA三巨头。离开了代工厂,还有其他的代工厂可选;而离开了EDA三巨头,几乎没有其他工具可选。

过去EDA工具发展得不好,其中一个原因是因为国产EDA总是试图在既定布局里解决问题,跟在别人后面吃土还能找到更好的粮食?要么被拖死,要么是饿死,要么面黄肌瘦地100米开外跟随着。

代工厂和芯片设计公司打交道,桥梁和纽带就靠EDA软件,来传递意图。但这种载体,是否一定需要按照之前EDA安排好的流程,这其实是一个问号。如果有这样的EDA工具商,使命不是要做设计全流程,而是要加速代工厂和设计之间的互动,那同样也是一个非常优秀的选择。

设计公司和代工厂的分离,体现在技术流程中,就是前端和后端的分离。前端和后端之间,一般来说,都需要有一定的迭代。如果前端和后端的差距太大,那么可能就要推倒重来,或重做局部设计。

这个非常花时间,短则几周,长则几月。在既有框架下,工程师讨论的问题是,什么工具快一点,能让前端和后端之间的验证和迭代少花一些时间。

前端和后端分离是专业分工深化的成果,这种机制有效运行的前提是自由贸易体系中安全的供应链。但是,如果环境突变,供应链安全受到冲击,有没有勇气和能力跳出前后端分离的默认前提?

这是一个可兹打破的盒子。或者重新从头按照别人的历史轨迹跟着做,或者提出一开始就融合前端后端。如果代工厂对客户的需求有良好的沟通渠道和很好的数据结构,就可以让客户在做设计的时候,不需要考虑前后端了,一步到位。这样的概念包含很多核心技术。但必须跳开原有平台,才有可能在局部去超越。

要从系统上重新思考每个环节,而不是半路搭人家的快车去做全流程的工具。

大路一方:重新连接脐带 

全世界任何一个国家都不像中国这样,集中了这么多的代工厂。这些代工厂都是巨资投入和巨额运转费用。今后如何与卡脖子钢刀共舞,这或许是中国半导体行业迫切需要关注的问题。

各个代工厂的产能,非常重要的是良率、性能、同等工艺节点下同等价格,这是硬实力。这是靠跟EDA工具厂商,共同磨合而形成的。对于从未合作过的EDA厂商,代工厂既不可能提供物理综合,也不可能提供物理逻辑。代工厂最重要的,是把设计信息提供清楚了,提供充分了。同时也了解使用这些信息的设计公司他的目标是什么,怎么互相互动起来,怎么沟通起来。

在过去,EDA已经和代工厂紧密地嵌合在一起。但是在中国,又有设备、产线、技术都引进进来,国外的EDA工具已经天然在闭环之中。而国产EDA的供应链早就被切断。

重新连接人工脐带,通过人为的方法,让代工厂和EDA的设计信息滚在一起。

芯片设计公司的基本逻辑是,设计完成后,需要去代工厂做流片。这里面有两个风险,一是设计品未必能流片成功;二是成功后未必符合要求。一般而言,这是靠整个EDA流程保证的。而现在,由于EDA全流程都掌握在三巨头手中,想打破僵局只能另辟蹊径。跳出原有体系外,规避很多由于历史原因形成的非必要问题。

从创新角度,这其实也有破局的切入点。在过去的几十年的长河中, Magma(微捷码)是为数不多的几乎对三巨头形成挑战的新兴力量。1997年,成立之初即与业界领先者 Cadence和Avanti等在“物理设计”方面展开竞争,并且越战越强。通过高通、博通和德州仪器等关键客户,Magma在融合设备领域表现尤为突出。一度上市,成为EDA领域最后一家上市公司。2008财年实现了2亿美元的年收入成为当时EDA领域的第四大厂商。四年后被Synopsys以5亿美元现金收购。

Magma的迅速崛起,首先它抓住了“物理综合”这一新的设计方法学兴起的机会,并且采用了创新的商业模式。在前两三年,微捷码使用投资人的融资支持运营。代工厂使用微捷码的工具流片,不成功则不付钱;等到代工厂赚钱了,微捷码再去收钱。微捷码Magma先行承担流片失败的风险,向代工厂延后收取更高的费用。

现在看起来,当时这种商业模式实在是太先进了,它抓住了芯片代工厂在美国爆发的机会。同样,现在中国EDA也面临着这样的机会。中国大陆拥有86家晶圆代工厂,全球之最。搞清楚代工厂对EDA的需求在哪里,或许要比单纯地解决2000家芯片设计公司(2019年数据)的需求来得更紧迫。

中国晶圆代工厂与国外绑定得非常紧密,包括设计流程、知识库、工艺等。而设计工具更是首当其冲,很多知识库、工艺就是绑定在工具上。由于采用的是国际的设备、国际的设计信息,很多在国外代工厂已经流片成功,因此无需担当风险。

而采用国内的设计工具,的确存在风险。极有可能同样的设计参数信息,但却无法流片成功,或者良率很低甚至无法工作。代工厂就要不断调整工艺,调得是火眼金睛,调得是九死一生,最后价格可能成倍翻涨。

然而,长此下去,无人关心EDA工具的成长,那么这种卡脖子就会一直存在,随时可能窒息。如果代工厂不着急,中国EDA很难发展起来。

可是中国有这么多晶圆厂,为什么不能有些工厂拿出来做尝试呢?就像是拥有许多棋牌室有诸多人在玩牌。没有制定自有规则的尝试,拿所有的棋牌室和玩牌的人,都不得不被规则制定者所统治。中国EDA破局之术,最需要改变现状的,恰好是中国代工厂。

如何提高这些代工厂的产能,如何提高代工厂支持客户的能力,怎么将只能在国外流片的高端芯片拿回来。假如有一天,国外的代工厂不允许流片了,这个问题将如何解决?设计工具、工艺的答案,都分别是什么,这是需要鲜明地喊出来的一个问题。

很显然,中国EDA工具的发展,需要加大对EDA共性技术投资,消除晶圆代工厂中工艺流程中的风险。这比开发全方位、全流程的工具的传统老路子,要有价值得多。

小记:期待新局面

在中国EDA的发展历史上,留下很多遗憾。因为不懂,所以原样照搬;因为照搬,所以原地打转。设计方法学的问题,一直未能解决;而十年来,中国半导体行业飞速发展,也未能拉着EDA的手一起飞扬。

然而,EDA三巨头,利润率和其他工业软件厂商比起来,也是相对低的(新思五年平均利润率14%,而ANSYS五年平均利润率37%)。十几年来,在国外已经很难看到对EDA领域的直接投资,因为EDA的回报很低,新公司被收购的机会也越来越渺茫。这个市场正在充斥着衰老的气息。

与此同时,国际环境正在变得更加严峻,拐弯抹角收购、引入技术和从外部空降兵团,都是很危险的举措。在这个时候,中国蓬勃发展的半导体工厂,令人看到全新的希望。中国的自主EDA企业,已经没有可能去跟随三巨头的步伐而前进,只有立足设计方法学层面的创新,立足中国是晶圆工厂的沃土,才能找到破土的机会。

鸣谢概伦电子董事长刘志宏博士和副总梅晓东的大力支持。


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