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【IC设计】EDA,半导体市场中不可小觑的2%

来源:中国电子报    原作者:韩明    

目前,电子设计自动化(Electronics Design Automation EDA)市场规模只占半导体市场的2%,但是通过EDA设计并制造出的集成电路年产值达到近5000亿美元。那么EDA在产业链的作用是什么?国内EDA的发展状况和行业趋势是怎样的?

EDA在集成电路产业链中举足轻重

EDA最近被媒体冠以“芯片之母”的称号,其产业链的重要性可见一斑。然而EDA今日的地位并非一日铸就,是随着时间推移而成就的。

回顾EDA的发展历史。EDA从20纪70年代诞生,当时主要以PCB自动化设计为主,集成电路的自动化设计并不流行。此时的摩尔定律刚刚起步,一块芯片上只有几千个晶体管,可以通过人力手工设计,加上那时的计算机技术并不发达,个人电脑和中小型服务器并不普及,EDA的发展比较缓慢,导致此时EDA在产业链上起到的只是基本的辅助作用。

进入本世纪之后,一方面,三家大EDA公司(Synopsys、Cadence、Mentor)通过多次并购整合,完善设计全流程,奠定了三巨头竞争格局。另一方面,EDA公司开始深入制造领域,发展出了OPC等制造EDA的工具以及可制造性设计(DFM)工具。同时,晶圆厂成为了EDA的深度用户,不仅在制造方面需要使用EDA工具,在标准单元库、SRAM设计上都需要使用。此外,领先晶圆厂每两年开发一代工艺,其中EDA的整套设计流程需要在新工艺上验证。EDA也开始在早期工艺研发中介入,帮助解决更复杂的设计规则以及种种难题。晶圆厂提供的Signoff签核流程决定了设计公司设计出的芯片能否在晶圆制造厂顺利生产。而Signoff签核的主要工具就是EDA,可以说EDA是架起了设计与制造沟通的桥梁。同时,先进工艺不断迭代也驱动了EDA的创新。可见,此时此刻EDA在产业链已经有着举足轻重的作用。

如今的集成电路,从系统架构开始,落实到功能的定义和实现,最终实现整个芯片的版图设计与验证,是一项复杂的系统工程,集成了人类智慧的最高成果。以华为最新的7nm麒麟990芯片来说,其中集成了103亿颗晶体管,若没有EDA,设计这样复杂的电路并保证良率是无法想象的。可见EDA赋能了集成电路设计与制造的创新,当之无愧的站在了产业链的顶端。

发展具有特色的EDA产品

目前,中国的集成电路制造工艺落后于世界领先水平,无法为国内EDA提供更多创新和发展空间。此外,人才是可持续发展的主要动力之一,然而,国内EDA人才较少,导致目前国内EDA公司从业人员不足千人,缺乏统筹规划,也使得我国EDA发展相对落后。反观国外领先EDA公司通过内生发展和收购整合,以及跨国公司的优势在全球范围内网罗优秀人才。

即便是生存环境不利的情况下,国内EDA产业仍然发展出了具有特色的产品,并取得了一定的成绩。比如华大九天在模拟和面板领域的设计、概伦(博达微)在SPICE参数提取和存储器仿真、广立微在工艺研发早期良率测试与提升,以及国微集团在数字设计上的突破等。另外,相对冷门的产业也迎来了一些突破,例如全芯智造作为初创公司选择了相对冷门的制造EDA并取得了一定成就。然而,目前国内EDA公司仍然没有覆盖设计全流程,主要难点在于EDA细分市场规模最大的数字设计和验证。

EDA迎来历史性发展机遇

目前,EDA在国际市场上已经发展成为了相对成熟的产业,而每年增长率只有10%左右。但这并不代表日后发展的机会在变小。在未来,EDA的发展趋势有三个方面:

第一,AI赋能。人工智能在EDA行业的起步并不晚,早在本世纪早期,EDA公司就开始利用机器学习算法进行辅助建模等工作。随着人工智能的蓬勃发展,人们对芯片无人设计产业有了更大的信心。例如,Google通过AI在数字电路布局布线上取得了一定进展,有希望通过机器学习自动生成芯片设计的方法,甚至可以应用“compiler”算法在源头直接产生RTL,进而完成RTL到GDS的全流程自动化设计。从制造的角度来看,应用人工智能进行器件建模、OPC建模、图像识别、良率分析近期也将能实现。可见,AI赋能从点到面,新的芯片设计方法即将诞生。

第二,EDA上云。云计算作为互联网发展最快的领域之一,目前已经实现了设计EDA上云,此外,国际领先的设计公司和制造厂都在云计算上进行了诸多尝试。然而,若想实现全面推广,商业模式需要转变,将原有的EDA按授权期限收费的模式,转变为按需、按使用时间、按使用数据量等新思路收费。

第三,异构集成。这是指将分别制造的元件用封装等形式集成到更高的层次,提供更强的功能和性能。在过去的五年中,2.5D/3D先进封装取得了关键的进展,尤其在GPU芯片与DRAM的集成上,以及FPGA的集成上。其中EDA可帮助进行多界面物理的分析,如电性、磁性、机械、光学等不同模型的建立和界面之间模型的转换,还包括热分析、可靠性分析等。此外,EDA还可在芯片设计早期进行系统集成,建立从裸片-封装-PCB-系统的闭环建模和分析流程。此外,未来异构集成技术的进一步发展需要EDA公司与产业链的紧密合作,为异构集成提供整个系统的设计和验证工具,确保高良率和高可靠性。

此外,虽然目前国内EDA发展的土壤依然薄弱,技术短板多,人才紧缺,但是随着EDA产业逐步受到重视,也迎来了历史性的发展机遇。但是这其中需要政策、资本、制造业以及产业链形成合力,帮助原本薄弱的EDA行业能够快速发展。

对于EDA公司自身而言,想做到发展,首先要树立战略冗余的观念,即在电路上增加冗余电路,保证整个芯片不受到部分电路失效的影响,从而保证正常工作以及良率。此外,EDA公司在考虑商业和市场价值的同时,也要勇于做“冗余”补短板,可从产业链上的某个细分领域做起。其次,在细分领域要做到“一招鲜”,努力成为全球产业链中密不可分的一部分。最后,追求创新求变,积极布局下一代EDA。此创新除了技术创新,还可以是流程创新、商业模式创新、跨界创新等。比如人工智能技术的发展、先进工艺研发流程的迭代等都为布局下一代EDA提供了契机。同时这也需要有领军人才,能够敏锐洞察技术发展趋势、摆脱束缚、突破创新。

目前,以AI与5G为首的“新基建”呼之欲出,国内集成电路投资发展如火如荼,EDA产业迎来风口。同时,EDA企业需要在有全局眼光的基础上,放下身段,苦练内功,抓住历史机遇,为半导体事业做出更大贡献。

封面图片来源:拍信网