当前中国芯片行业的那些“命门”:不为人知的EDA

黄琨

芯片

5月15日,中国科技行业迎来噩耗,美国对中国半导体领域最尖端企业华为的制裁终于来到最后阶段。

在将华为纳入商品管制目录刚刚1周年之时,美国商务部加大了对其技术封锁的力度,而且一次就使出了全力——从之前含有25%美国技术和组件的产品禁止出口,跳过了10%的阶段,直接宣布,只要使用美国技术和设备的厂商,想要向华为提供产品时,都要向美国商务部申请。

考虑到美国在半导体领域的技术积累,这基本上等于切断了华为从外界获得芯片技术和产品支持的可能。

其中最为直观的影响是,以前华为赖以生存最顶尖工艺制程芯片的台积电,现在就无法再为其代工。甚至有说法称,在这一限制条件下,中芯国际、华虹半导体等国内晶圆代工厂也将受限。

除此以外,受影响最大、后果同样致命的还有一个不太为人所注意的领域——EDA。

要命的EDA

EDA,即电子设计自动化(Electronics Design Automation),在20世纪60年代中期从计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助测试(CAT)和计算机辅助工程(CAE)的概念发展而来的。

EDA是一种概念,但我们在日常使用时,常常代指EDA技术和EDA工具。

在集成电路产业初期,芯片设计是靠芯片工程师“画”出来的。但随着半导体工艺制程的发展,芯片的集成度越来越高,一枚拇指大小的芯片上可以集成百亿个晶体管,人工布线便显得捉襟见肘。

适逢计算机技术的发展,从上世纪70年代中期开始,半导体领域开发人员开始试图将设计和绘图一起自动化,并开发了第1批二维CAD、三维SAD软件工具。

紧接着,单晶硅在80年代成为集成电路制造的主流材料,使得可以设计的芯片的复杂性大大增加,对芯片设计的要求也相应提高。于是,该领域内也出现了使用特定编程语言进行芯片设计的思路,构成了现在EDA工具的基础。

现代EDA技术就是以计算机为工具,设计者在EDA软件平台上,用硬件描述语言VerilogHDL完成设计文件,然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真,直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。

简单说,就是开发人员只要告诉电脑自己想要做什么,EDA软件就会在一定程度上自动完成后续开发工作,这在集成电路极其复杂的今天相当重要。

20世纪90年代,半导体技术大发展,以高级语言描述、系统级仿真和综合技术为特点的EDA工具也逐渐成型。

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在EDA工具之中,按主要功能或主要应用场合,可以分为电路设计与仿真工具、PCB设计软件、IC设计软件、PLD设计工具及其它EDA软件。当我们说到华为、高通等手机芯片厂商时,对应的主要是IC设计软件,其主要具备以下几种功能:

1、设计输入工具,这是任何一种EDA软件必须具备的基本功能。

2、设计仿真工具,用以验证设计是否正确。

3、逻辑综合工具,可以把HDL变成门级网表。

4、静态时序分析工具,在时序上对电路进行验证。

5、形式验证工具,从功能上对综合后的网表进行验证。

6、可测性设计工具,将一些特殊结构在设计阶段植入电路。

7、布局布线工具,用于标准单元、门阵列实现交互布线。

8、寄生参数提取工具,分析信号完整性问题,防止因导线耦合导致信号噪声。

9、物理验证工具。

10、模拟电路仿真器。

目前,芯片产业链已经形成了设计、制造、封装、测试、销售的稳定分工环节,EDA工具作为芯片设计中最重要的环节,算得上是整条产业链的起点。可以说,如果没有EDA工具,现在的芯片公司将寸步难行。

遗憾的是,据国内外媒体报道,EDA工具在美国商务部的商品管制清单之内。从去年开始,国际三大EDA软件公司——Cadence、Mentor、Synopsys就已经断供华为,暂停软件更新,也不再向其销售新的EDA相关产品。

虽然华为暂时还能使用已经获得授权的产品,但如果相关产品得不到更新,将无法跟上代工厂工艺制程的进步。因此,国产EDA尽快取得突破,达到国际水平,是一件相当紧迫的事情。

那么,目前国产EDA工具和国际水平有多大差距?

“三座大山”

EDA产业是集成电路领域内的一个“小产业”。尽管相关技术和产品非常重要,但根据前瞻产业研究院数据,截至2018年,全球EDA市场规模仅97.15亿美元,整个芯片产业规模近5000亿美元,EDA占比不到2%。

重要但是规模不大,且技术门槛高,这就使得这个行业非常容易被相关领域的巨头垄断起来。事实也确实如此,垄断的就是前面提到的3家——美国的Synopsys、Cadence和德国的Mentor。这3家寡头共同占据了全球EDA市场的60%。

其中,Synopsys在2008年超过Cadence,成为全球最大的EDA企业,目前占全球EDA市场3成左右份额。其优势在于数字前端、数字后端和PT signoff,他们最有名的产品是逻辑综合工具DC和时序分析工具PT,几乎独霸相应领域。

Cadence曾经是全球第1,但在2008年被超越,目前市场占有率在20%左右。其强项在于模拟或混合信号的定制化电路和版图设计,功能很强大,PCB也相对较强,但是signoff的工具偏弱。

Mentor在“三巨头”中偏弱。该公司在90年代曾遇到经营困境,直到2017年被西门子收购才恢复并迅速发展,目前市占率在10%左右。其强项在于后端布局布线,在PCB上也有较大优势,优势是Calibre signoff和DFT。但其在产品全面性方面不如另外2家。

半导体

除此以外,全球还有多家较小的EDA软件公司扮演着不同的角色。那么中国公司又如何?

2018年,中国现存的10余家EDA公司销售额共3.5亿元,只占到全球市场份额的0.8%,而且技术研发方面,也以16nm及28nm工艺支持为主。

很显然,国内EDA软件公司在全球市场上的竞争力微乎其微,可能有人认为,他们在国内市场的表现会更好一些。然而事实并非如此。相反,国内市场被寡头垄断的程度更甚于国外。

2018年我国EDA软件市场市场份额约为5亿美元左右,而Synopsys、Cadence和Mentor占了其中95%。

EDA

之所以国内外EDA公司有如此巨大的差距,主要是因为历史欠账。

我国开始研发EDA的过程并不比西方晚多少。1984年,首个以电子设计自动化为主题的销售展览刚刚在设计自动化会议上举办,我国就在1986年,在被国际封锁的情况下,动员全国17家单位,召集200多位专家齐聚原北京集成电路设计中心,开发我国自由的集成电路计算机辅助设计系统。

1992年,超大规模集成辅助设计系统熊猫IC CAD通过鉴定,覆盖了全定制集成电路正向设计的全部功能,获得当年的国家科技进步一等奖,也被视作冲破西方封锁的里程碑。

没想到的是,该项目甫一成功,对岸就迅速解除了对中国的EDA禁令,加上后来“市场换技术”的思路占主流,导致此后的十数年间,美国高端成熟的EDA工具如同狼群一般在中国市场攻城略地,中国EDA自主厂商的研发脚步也因此变缓,走上了“二次开发”“代理集成”的附属式发展道路。

直到近几年来,国内如华大九天、芯愿景、芯禾科技、广立微、博达微等EDA公司才重新崭露头角。这些企业虽然在全流程产品上和海外巨头还有不小的差距,但在具体工具上各有所长,个别点工具功能强大,在某些专业的领域也站住了脚。

EDAEDA

目前,我国企业在工具的完整性方面与国外企业相比,有明显的差距。而EDA的重要性不言而喻,一旦EDA受制于人,整个芯片软件产业的发展都可能停摆,发展国产EDA迫在眉睫。面临国际环境不确定性,本土EDA企业有望厚积薄发,在技术创新、融资运营上有所提升,打破EDA厂商竞争格局。

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