國產(chǎn)EDA卡在了哪里？

作者：何律衡，編輯：李墨天

繼光刻機(jī)之后，EDA有望成為集成電路產(chǎn)業(yè)新的出圈詞匯。

隨著BIS的出口管制得到全球前三大EDA供應(yīng)商陸續(xù)證實，中國集成電路產(chǎn)業(yè)鏈再度迎來考驗。

EDA全稱Electronic Design Automation（電子設(shè)計自動化），是芯片生產(chǎn)使用的工業(yè)軟件的總稱，類似于建筑設(shè)計的CAD軟件——事實上，EDA最初就被視為CAD的一個分支。

作為芯片工程師的Photoshop，EDA把畫電路變成了素材排列組合+寫代碼，幾乎貫穿芯片生產(chǎn)的整個生命周期。ASML用來校準(zhǔn)光刻機(jī)鏡頭的專業(yè)軟件，便出自EDA開發(fā)商新思科技之手。

一旦離開了EDA工具，想在指甲蓋大小的芯片里集成上百億晶體管，無疑是天方夜譚。

相比半導(dǎo)體設(shè)備市場歐、美、日多家龍頭相互制約、相對分散的競爭格局，前三大EDA廠商壟斷了近80%的市場份額，且均為美國公司。與之對應(yīng)，國內(nèi)EDA爬坡多年，國產(chǎn)替代率僅勉強(qiáng)超過10%[2]。

EDA是美國集成電路產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢最大的板塊，也是國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈最薄弱的環(huán)節(jié)。

自動化與分工

EDA與集成電路產(chǎn)業(yè)幾乎同步出現(xiàn)，其誕生初衷是把設(shè)計電路從畫圖的體力活變成寫代碼的腦力活。

1966年，大名鼎鼎的仙童半導(dǎo)體從IBM挖來了工程師James Koford，直接匯報給公司創(chuàng)始人，也是“摩爾定律”的提出者戈登·摩爾本人，具體任務(wù)是設(shè)計一套方案，代替人力完成芯片的版圖繪制、測試、布線等必要步驟。

當(dāng)時，芯片設(shè)計師在完成邏輯電路設(shè)計后，需要在圖紙上手繪出晶體管及連接導(dǎo)線，即版圖。后續(xù)制造環(huán)節(jié)用到的各類器件、材料（包括光刻用的掩膜版），都基于這份版圖完成的，對準(zhǔn)確性要求極高，一旦出錯就要全盤推倒重來。

當(dāng)一塊電路板上只有十幾個晶體管時，手繪版圖難度自然不大，但當(dāng)晶體管數(shù)量擴(kuò)大到100個以上，容錯率就相當(dāng)?shù)土恕?/p>

一顆包含150個電路模塊（一個模塊里集成了許多晶體管）的芯片，要耗費四個工程師一周的時間，儼然勞動密集型產(chǎn)業(yè)。

1955年的索尼TR-55收音機(jī)里集成了5個晶體管；70年后，英偉達(dá)在B200芯片里塞進(jìn)了足足2080億個晶體管。如果沒有EDA工具，工作量難以想象。

有IBM的開發(fā)經(jīng)驗打底，James Koford和團(tuán)隊順利完成任務(wù)，開發(fā)出了邏輯模擬器、測試程序生成器以及自動布局布線軟件[4]，成功將四個工程師/一周的工時縮減到了一個工程師/一天。

以此為開端，EDA開始成為加快芯片生產(chǎn)流程的必備工具。

到70年代，摩托羅拉等芯片公司都開始用上了內(nèi)部開發(fā)的EDA工具。但一方面，當(dāng)時的EDA工具大多種類有限、功能簡陋；另一方面，每家半導(dǎo)體公司的EDA工具都只“適配”自家的芯片設(shè)計，在整個產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略價值也相對有限。

1974年，英特爾在以色列海法建立研發(fā)中心，核心工作就是研發(fā)更好的EDA工具，以支持80286等一系列CPU的設(shè)計，負(fù)責(zé)人就是去年底黯然下臺的英特爾CEO帕特·基辛格（Pat Gelsinger）。

當(dāng)時，英特爾總部需要定期將芯片設(shè)計的軟件版本從加州發(fā)送到以色列海法，后者編寫程序、完成自動化后，送回加州再進(jìn)行生產(chǎn)制造。70年代還沒有飛書和Slack，效率可想而知。

而伴隨芯片生產(chǎn)環(huán)節(jié)不斷細(xì)分，EDA軟件也愈發(fā)繁雜，為了保證開發(fā)效率，英特爾只能把EDA研發(fā)部門分成三個環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)細(xì)分成四個部門，分散在全球十幾個研究中心。

持續(xù)的研發(fā)投入和沉重的管理負(fù)擔(dān)，推動了EDA軟件最大的一次變革：EDA從半導(dǎo)體公司的研發(fā)部門變成了一個獨立的產(chǎn)業(yè)，第三方EDA供應(yīng)商開始出現(xiàn)。

1985年，通用電氣率先將其EDA部門拆分成為一家獨立公司，并改名為新思科技。這一時期創(chuàng)立的還有Mentor Graphics和Cadence，如今的EDA三大巨頭正式集結(jié)。

由于芯片設(shè)計和生產(chǎn)需要的投資越來越大，英特爾、AMD這類芯片公司也樂于使用第三方工具，為自己節(jié)約成本。三巨頭憑借與頂級芯片公司的綁定關(guān)系，逐步確立了領(lǐng)導(dǎo)地位，一直延續(xù)至今。

同一時期，中國的EDA軟件也開始蹣跚起步。

蜜糖與砒霜

1988年秋天，北京集成電路設(shè)計中心匯聚了來自全國17家單位的120多名學(xué)者和技術(shù)人員，國內(nèi)第一套自研EDA軟件——“ICCAD Ⅲ級系統(tǒng)”開發(fā)工作就此鋪開[6]。

中國第一家集成電路專業(yè)化工廠成立在1978年，雖然3英寸設(shè)備可以從日本和美國引進(jìn)[7]，但EDA卻受限于“巴統(tǒng)協(xié)議”，無法使用海外先進(jìn)產(chǎn)品，與全球水平隔了幾個世代，嚴(yán)重制約了國內(nèi)芯片研發(fā)的發(fā)展。

“巴統(tǒng)”全稱巴黎統(tǒng)籌委員會，由美英國等17個西方國家在1949年組建，對冷戰(zhàn)的另一方實施戰(zhàn)略物資和高技術(shù)產(chǎn)品的封鎖，EDA作為芯片生產(chǎn)的關(guān)鍵工具，自然是重點把控對象。

“ICCAD Ⅲ級系統(tǒng)”上馬的背景，便是這種技術(shù)封鎖之下的自主化。

五年后的1993年，包含28個設(shè)計工具的EDA軟件“熊貓系統(tǒng)”問世，雖然稱不上世界一流，但對缺少先進(jìn)EDA軟件的國內(nèi)芯片設(shè)計公司來說，已然雪中送炭，短時間內(nèi)就被20多家設(shè)計公司和研究機(jī)構(gòu)采用。

EDA作為典型的干中學(xué)、學(xué)中干工種，需要在具體的芯片設(shè)計環(huán)節(jié)中不斷積累經(jīng)驗改進(jìn)產(chǎn)品。當(dāng)時，“熊貓系統(tǒng)”定價便宜大碗，甚至還有美國芯片公司禁不住誘惑前來詢價[6]，看上去進(jìn)展一切順利。

然而“熊貓系統(tǒng)”問世第二年，“巴統(tǒng)”伴隨蘇聯(lián)解體失去了存在價值，封鎖和管制徹底放開，三巨頭之一的Cadence當(dāng)年就宣布進(jìn)入中國市場，次年，新思科技和Mentors Graphics也拍馬趕到。

EDA工具成長的關(guān)鍵是不怕不好用，只怕沒人用，海外三巨頭自然很清楚這一點。面對初生的假想敵“熊貓系統(tǒng)”，Cadence對雙方重合的工具大幅降價甚至免費提供，再利用自身更齊全的工具箱和經(jīng)過驗證的成熟方案，迅速搶占市場。

面對這種降維打擊，“熊貓系統(tǒng)”自然難以招架，遺憾折戟。

“熊貓系統(tǒng)”偃旗息鼓后，三巨頭又將戰(zhàn)略方向轉(zhuǎn)向了高校和科研機(jī)構(gòu)。1995年，新思科技一口氣向清華大學(xué)捐贈了20套價值百萬美元的Design Compiler，同時成立對應(yīng)的電子設(shè)計中心，慷慨的不像資本主義世界的公司。

每家EDA開發(fā)商都有自己的數(shù)據(jù)格式和使用邏輯，彼此并不兼容。類似于不同語種的學(xué)習(xí)，新思科技的目的，是試圖讓自己的EDA工具成為芯片工程師的“母語”，雖然客觀上推動了國內(nèi)芯片設(shè)計的進(jìn)步，但讓集成電路產(chǎn)業(yè)對自己產(chǎn)生了依賴。

一本武林秘籍練久了就會形成心得和肌肉記憶，用慣了新思編程軟件的工程師，不一定能適應(yīng)Cadence的編程環(huán)境。同時期國產(chǎn)操作系統(tǒng)和Windows有來有回，當(dāng)時有媒體請還是金山總經(jīng)理的雷軍點評微軟，后者說了句意味深長的話：

“世界上沒有白吃的代價，人家撒網(wǎng)，讓你來鉆。”

中國的EDA軟件就像一本殘缺的武林秘籍，縱使招式齊全，但沒有受眾，終究無法開門立派，就此與國內(nèi)芯片設(shè)計的發(fā)展節(jié)奏脫鉤，劃上了一個充滿遺憾的句號。

被掐住的七寸

BIS上一次針對中國發(fā)布EDA出口禁令是在2022年，此次全面斷供，除了打擊范圍更廣之外，也給國內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)的未來蒙上了一層迷霧。

EDA公司大多采用固定期間授權(quán)的方式，假設(shè)芯片設(shè)計公司簽了3年的授權(quán)合同，在這3年內(nèi)，設(shè)計公司不僅能用完整的EDA工具，還能獲得軟件更新和對應(yīng)的技術(shù)支持。

根據(jù)新思科技的解釋，中國公司此前取得的授權(quán)仍然有效，但倘若BIS禁令落實，合同有效期過后將無法續(xù)簽，意味著中國公司無法獲得后續(xù)的更新和支持。

如果無法使用最先進(jìn)的EDA工具，對中國公司最直接的影響是難以跟上先進(jìn)工藝的進(jìn)步節(jié)奏，比如先進(jìn)制程芯片的流片和生產(chǎn)。

流片可以理解為代工廠為生產(chǎn)芯片前的“試產(chǎn)”，用來測試芯片的功能性能是否符合設(shè)計預(yù)期，并驗證芯片設(shè)計方案與代工廠的工藝適配，這其中涉及一個關(guān)鍵的概念——PDK。

PDK全稱Process Design Kit，即工藝設(shè)計包，可以理解為代工廠某一節(jié)點的用戶使用說明”，其中包括這一節(jié)點的設(shè)計規(guī)則、仿真模型、技術(shù)文件等設(shè)計參數(shù)[8]。

假設(shè)一家芯片公司的一款芯片需要在臺積電3nm制程上制造，就需要臺積電提供3nm的PDK，芯片公司根據(jù)PDK的參數(shù)指導(dǎo)進(jìn)行芯片設(shè)計，否則將導(dǎo)致芯片與臺積電3nm工藝適配度不過關(guān)，達(dá)不到流片標(biāo)準(zhǔn)。

這與EDA軟件有什么關(guān)系呢？別忘了，EDA軟件的客戶除了設(shè)計公司，還有芯片代工廠。

臺積電的N2節(jié)點就點滿了Cadence和新思科技的工具鏈，制作PDK也采用了后者的EDA工具。芯片設(shè)計公司如果沒有事前取得EDA廠商的授權(quán)，連PDK都打不開，更別說流片了。

而對于3nm等先進(jìn)工藝節(jié)點，代工廠還會時不時改良翻新，比如臺積電3nm至今為止已經(jīng)推出了N3B、N3E、N3P、N3X四個版本，每個版本都對應(yīng)不同的PDK，需要EDA廠商同步更新相關(guān)工具。

一旦EDA廠商停止向芯片設(shè)計公司授權(quán)，意味著后者無法取得代工廠最新的PDK，基于新工藝的設(shè)計和流片同樣無從談起。

PDK是EDA公司、芯片設(shè)計公司、代工廠以及整個集成電路產(chǎn)業(yè)鏈共生關(guān)系的縮影。

集成電路產(chǎn)業(yè)經(jīng)過漫長時間的分工與整合，產(chǎn)業(yè)鏈上下游的各個環(huán)節(jié)，存在著“互相適配”的綁定關(guān)系。

一顆芯片從設(shè)計到封裝完成，需要用到ARM的指令集和架構(gòu)、Cadence的EDA工具、Toppan的掩模版、ASML的光刻機(jī)、東京電子的刻蝕機(jī)、KLA的封測設(shè)備、信越化學(xué)的硅晶圓、霍尼韋爾的靶材、東京應(yīng)化的光刻膠等等。

在摩爾定律的推進(jìn)過程中，每個環(huán)節(jié)的研發(fā)和改進(jìn)都需要上下游環(huán)節(jié)的配合協(xié)作、相互適配，由此形成了環(huán)環(huán)相扣的共同體。這個過程中積累的Know How會成為某種意義上的“標(biāo)準(zhǔn)”，進(jìn)一步拉高行業(yè)門檻。

集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，可以看作產(chǎn)業(yè)鏈每個環(huán)節(jié)肩并肩在摩爾定律的跑道上奔跑。其殘酷之處在于，沒有人會停下來等掉隊的人。一旦跟不上大部隊的節(jié)奏，追趕的代價就會成倍增加。

美國EDA三巨頭在90年代的高速增長的原因，是他們與同時期最頂級的半導(dǎo)體公司一起經(jīng)歷了集成電路產(chǎn)業(yè)進(jìn)步最快的階段，通過一系列收購參與了“標(biāo)準(zhǔn)”的確立。

另一方面，伴隨集成電路產(chǎn)業(yè)分工的細(xì)化，每一個環(huán)節(jié)的技術(shù)難度和投資規(guī)模都望而生畏，進(jìn)一步提高了挑戰(zhàn)者面臨的困難。

上世紀(jì)70年代，日本通產(chǎn)省牽頭，集合富士通、日立、三菱、東芝、NEC五家公司，“僅僅”用了290億日元的財政補(bǔ)貼，就換來了4000多件技術(shù)專利和一條完整的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈：做材料的京瓷和住友，做掩模版的TOPPAN，做設(shè)備的東京電子，和做光刻機(jī)的佳能和尼康。

時至今日，僅臺積電一家公司一年的資本開支就逼近400億美元，想要復(fù)刻日本人當(dāng)年的成績，幾乎是天方夜譚。

中國大陸集成電路產(chǎn)業(yè)的薄弱，一個重要原因是在產(chǎn)業(yè)高速迭代的周期參與度不足，導(dǎo)致錯過了產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)則的適配過程。

這也一定程度揭示了國內(nèi)EDA工具發(fā)展困境的真相：并非程序員不夠努力，而是整個產(chǎn)業(yè)鏈在全球分工中的存在感不足。

尾聲

2023年，華為輪值董事長徐直軍曾宣布實現(xiàn)14nm EDA工具全鏈條國產(chǎn)化[9]，不可忽視的大背景，是14nm工藝從設(shè)計、制造、到封測的國產(chǎn)供應(yīng)鏈的全線打通。

同樣，要實現(xiàn)更先進(jìn)工藝的國產(chǎn)EDA工具突破，也需要上下游一起進(jìn)步。

無論是芯片設(shè)計、芯片制造還是EDA工具，它們終究是一個“工程問題”而非“科學(xué)問題”。兩者的核心區(qū)別在于，科學(xué)問題是一道答案未知的數(shù)學(xué)題，有可能題目本身就是錯的；但工程問題有明確的解，能不能做出來考驗自身能力。

EDA工具的特殊性在于，它在商業(yè)上類似操作系統(tǒng)和指令集，競爭力很大程度上來自產(chǎn)業(yè)上下游共同構(gòu)建的生態(tài)。換句話說，不怕你反復(fù)搖擺，就怕你下決心另起爐灶。

當(dāng)年“熊貓系統(tǒng)”的誕生，恰恰來自密不透風(fēng)的封鎖，過去數(shù)十年里，中國集成電路產(chǎn)業(yè)面對的絕望，也遠(yuǎn)不止這一次。

參考資料

[1]?Synopsys at Bank of America Conference: Navigating Regulatory Challenges

[2]?中國EDA產(chǎn)業(yè)白皮書

[3]?1966: Computer Aided Design Tools Developed for ICs, Computer History Museum

[4]?Oral History of Fairchild Micromosaic and Micromatrix Programs, Computer History Museum

[5]?Coping with the Complexity of Microprocessor Design at Intel – A CAD History, Pat Gelsinger

[6]?錯失15年的中國EDA產(chǎn)業(yè)，最終走上崛起之路，集微網(wǎng)

[7]?未曾忘卻的記憶：回旋在酒仙橋地區(qū)的集成電路夢，朱貽瑋

[8]?什么是PDK？它在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)起著什么樣的作用，OFweek電子工程網(wǎng)

[9]?突破“烏江天險”，實現(xiàn)戰(zhàn)略突圍——徐直軍在硬、軟件工具誓師大會上的講話，徐直軍

編輯：李墨天視覺設(shè)計：疏睿

責(zé)任編輯：何律衡