目前，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(Electronics Design Automation EDA)市場(chǎng)規(guī)模只占半導(dǎo)體市場(chǎng)的2%，但是通過EDA設(shè)計(jì)并制造出的集成電路年產(chǎn)值達(dá)到近5000億美元。那么EDA在產(chǎn)業(yè)鏈的作用是什么?國內(nèi)EDA的發(fā)展?fàn)顩r和行業(yè)趨勢(shì)是怎樣的?
EDA在集成電路產(chǎn)業(yè)鏈中舉足輕重
EDA最近被媒體冠以“芯片之母”的稱號(hào)，其產(chǎn)業(yè)鏈的重要性可見一斑。然而EDA今日的地位并非一日鑄就，是隨著時(shí)間推移而成就的。
回顧EDA的發(fā)展歷史。EDA從20紀(jì)70年代誕生，當(dāng)時(shí)主要以PCB自動(dòng)化設(shè)計(jì)為主，集成電路的自動(dòng)化設(shè)計(jì)并不流行。此時(shí)的摩爾定律剛剛起步，一塊芯片上只有幾千個(gè)晶體管，可以通過人力手工設(shè)計(jì)，加上那時(shí)的計(jì)算機(jī)技術(shù)并不發(fā)達(dá)，個(gè)人電腦和中小型服務(wù)器并不普及，EDA的發(fā)展比較緩慢，導(dǎo)致此時(shí)EDA在產(chǎn)業(yè)鏈上起到的只是基本的輔助作用。
進(jìn)入本世紀(jì)之后，一方面，三家大EDA公司(Synopsys、Cadence、Mentor)通過多次并購整合，完善設(shè)計(jì)全流程，奠定了三巨頭競爭格局。另一方面，EDA公司開始深入制造領(lǐng)域，發(fā)展出了OPC等制造EDA的工具以及可制造性設(shè)計(jì)(DFM)工具。同時(shí)，晶圓廠成為了EDA的深度用戶，不僅在制造方面需要使用EDA工具，在標(biāo)準(zhǔn)單元庫、SRAM設(shè)計(jì)上都需要使用。此外，領(lǐng)先晶圓廠每兩年開發(fā)一代工藝，其中EDA的整套設(shè)計(jì)流程需要在新工藝上驗(yàn)證。EDA也開始在早期工藝研發(fā)中介入，幫助解決更復(fù)雜的設(shè)計(jì)規(guī)則以及種種難題。晶圓廠提供的Signoff簽核流程決定了設(shè)計(jì)公司設(shè)計(jì)出的芯片能否在晶圓制造廠順利生產(chǎn)。而Signoff簽核的主要工具就是EDA，可以說EDA是架起了設(shè)計(jì)與制造溝通的橋梁。同時(shí)，先進(jìn)工藝不斷迭代也驅(qū)動(dòng)了EDA的創(chuàng)新。可見，此時(shí)此刻EDA在產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)有著舉足輕重的作用。
如今的集成電路，從系統(tǒng)架構(gòu)開始，落實(shí)到功能的定義和實(shí)現(xiàn)，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)芯片的版圖設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，集成了人類智慧的最高成果。以華為最新的7nm麒麟990芯片來說，其中集成了103億顆晶體管，若沒有EDA，設(shè)計(jì)這樣復(fù)雜的電路并保證良率是無法想象的?？梢奅DA賦能了集成電路設(shè)計(jì)與制造的創(chuàng)新，當(dāng)之無愧的站在了產(chǎn)業(yè)鏈的頂端。
發(fā)展具有特色的EDA產(chǎn)品
目前，中國的集成電路制造工藝落后于世界領(lǐng)先水平，無法為國內(nèi)EDA提供更多創(chuàng)新和發(fā)展空間。此外，人才是可持續(xù)發(fā)展的主要?jiǎng)恿χ唬欢?，國?nèi)EDA人才較少，導(dǎo)致目前國內(nèi)EDA公司從業(yè)人員不足千人，缺乏統(tǒng)籌規(guī)劃，也使得我國EDA發(fā)展相對(duì)落后。反觀國外領(lǐng)先EDA公司通過內(nèi)生發(fā)展和收購整合，以及跨國公司的優(yōu)勢(shì)在全球范圍內(nèi)網(wǎng)羅優(yōu)秀人才。
即便是生存環(huán)境不利的情況下，國內(nèi)EDA產(chǎn)業(yè)仍然發(fā)展出了具有特色的產(chǎn)品，并取得了一定的成績。比如華大九天在模擬和面板領(lǐng)域的設(shè)計(jì)、概倫(博達(dá)微)在SPICE參數(shù)提取和存儲(chǔ)器仿真、廣立微在工藝研發(fā)早期良率測(cè)試與提升，以及國微集團(tuán)在數(shù)字設(shè)計(jì)上的突破等。另外，相對(duì)冷門的產(chǎn)業(yè)也迎來了一些突破，例如全芯智造作為初創(chuàng)公司選擇了相對(duì)冷門的制造EDA并取得了一定成就。然而，目前國內(nèi)EDA公司仍然沒有覆蓋設(shè)計(jì)全流程，主要難點(diǎn)在于EDA細(xì)分市場(chǎng)規(guī)模最大的數(shù)字設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。
EDA迎來歷史性發(fā)展機(jī)遇
目前，EDA在國際市場(chǎng)上已經(jīng)發(fā)展成為了相對(duì)成熟的產(chǎn)業(yè)，而每年增長率只有10%左右。但這并不代表日后發(fā)展的機(jī)會(huì)在變小。在未來，EDA的發(fā)展趨勢(shì)有三個(gè)方面：
第一，AI賦能。人工智能在EDA行業(yè)的起步并不晚，早在本世紀(jì)早期，EDA公司就開始利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行輔助建模等工作。隨著人工智能的蓬勃發(fā)展，人們對(duì)芯片無人設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)有了更大的信心。例如，Google通過AI在數(shù)字電路布局布線上取得了一定進(jìn)展，有希望通過機(jī)器學(xué)習(xí)自動(dòng)生成芯片設(shè)計(jì)的方法，甚至可以應(yīng)用“compiler”算法在源頭直接產(chǎn)生RTL，進(jìn)而完成RTL到GDS的全流程自動(dòng)化設(shè)計(jì)。從制造的角度來看，應(yīng)用人工智能進(jìn)行器件建模、OPC建模、圖像識(shí)別、良率分析近期也將能實(shí)現(xiàn)?？梢姡珹I賦能從點(diǎn)到面，新的芯片設(shè)計(jì)方法即將誕生。
第二，EDA上云。云計(jì)算作為互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展最快的領(lǐng)域之一，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)EDA上云，此外，國際領(lǐng)先的設(shè)計(jì)公司和制造廠都在云計(jì)算上進(jìn)行了諸多嘗試。然而，若想實(shí)現(xiàn)全面推廣，商業(yè)模式需要轉(zhuǎn)變，將原有的EDA按授權(quán)期限收費(fèi)的模式，轉(zhuǎn)變?yōu)榘葱?、按使用時(shí)間、按使用數(shù)據(jù)量等新思路收費(fèi)。
第三，異構(gòu)集成。這是指將分別制造的元件用封裝等形式集成到更高的層次，提供更強(qiáng)的功能和性能。在過去的五年中，2.5D/3D先進(jìn)封裝取得了關(guān)鍵的進(jìn)展，尤其在GPU芯片與DRAM的集成上，以及FPGA的集成上。其中EDA可幫助進(jìn)行多界面物理的分析，如電性、磁性、機(jī)械、光學(xué)等不同模型的建立和界面之間模型的轉(zhuǎn)換，還包括熱分析、可靠性分析等。此外，EDA還可在芯片設(shè)計(jì)早期進(jìn)行系統(tǒng)集成，建立從裸片-封裝-PCB-系統(tǒng)的閉環(huán)建模和分析流程。此外，未來異構(gòu)集成技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展需要EDA公司與產(chǎn)業(yè)鏈的緊密合作，為異構(gòu)集成提供整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工具，確保高良率和高可靠性。
此外，雖然目前國內(nèi)EDA發(fā)展的土壤依然薄弱，技術(shù)短板多，人才緊缺，但是隨著EDA產(chǎn)業(yè)逐步受到重視，也迎來了歷史性的發(fā)展機(jī)遇。但是這其中需要政策、資本、制造業(yè)以及產(chǎn)業(yè)鏈形成合力，幫助原本薄弱的EDA行業(yè)能夠快速發(fā)展。
對(duì)于EDA公司自身而言，想做到發(fā)展，首先要樹立戰(zhàn)略冗余的觀念，即在電路上增加冗余電路，保證整個(gè)芯片不受到部分電路失效的影響，從而保證正常工作以及良率。此外，EDA公司在考慮商業(yè)和市場(chǎng)價(jià)值的同時(shí)，也要勇于做“冗余”補(bǔ)短板，可從產(chǎn)業(yè)鏈上的某個(gè)細(xì)分領(lǐng)域做起。其次，在細(xì)分領(lǐng)域要做到“一招鮮”，努力成為全球產(chǎn)業(yè)鏈中密不可分的一部分。最后，追求創(chuàng)新求變，積極布局下一代EDA。此創(chuàng)新除了技術(shù)創(chuàng)新，還可以是流程創(chuàng)新、商業(yè)模式創(chuàng)新、跨界創(chuàng)新等。比如人工智能技術(shù)的發(fā)展、先進(jìn)工藝研發(fā)流程的迭代等都為布局下一代EDA提供了契機(jī)。同時(shí)這也需要有領(lǐng)軍人才，能夠敏銳洞察技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)、擺脫束縛、突破創(chuàng)新。
目前，以AI與5G為首的“新基建”呼之欲出，國內(nèi)集成電路投資發(fā)展如火如荼，EDA產(chǎn)業(yè)迎來風(fēng)口。同時(shí)，EDA企業(yè)需要在有全局眼光的基礎(chǔ)上，放下身段，苦練內(nèi)功，抓住歷史機(jī)遇，為半導(dǎo)體事業(yè)做出更大貢獻(xiàn)。