你不會以為EDA軟件開發(fā)就只需要軟件工程師吧？
在剛剛過去的12月28日，EDA廠商概倫電子正式登陸科創(chuàng)板。作為國內(nèi)EDA板塊第一股，概倫電子一上市就受到狂熱追捧，開盤第一天股價(jià)漲幅53.57%，市盈率達(dá)到驚人的575.28倍。
EDA第一股在金融市場上的成功卻掩飾不了這個(gè)行業(yè)嚴(yán)峻的現(xiàn)實(shí)。根據(jù)概倫電子招股說明書中披露的行業(yè)數(shù)據(jù)顯示，三大EDA巨頭——新思科技Synopsys、鏗騰電子Cadence、西門子EDA（原明導(dǎo)Mentor Graphics）——全球市占率超過77%，如果加上第四是德科技Keysight、第五ANSYS，那么前五大國外EDA 公司累計(jì)占有了約 85%的份額，留下國產(chǎn)廠商在夾縫中生存。
圖：全球EDA市場份額，內(nèi)圈至外圈分別為 2018-2020 年數(shù)據(jù)（資料來源：概倫電子招股說明書）
IC產(chǎn)業(yè)卡脖子的危機(jī)讓我們認(rèn)識到了EDA軟件的重要性和落后的現(xiàn)實(shí)，但從軟件工程的角度來看，我國并不是一個(gè)軟件開發(fā)的弱國。每年從各大院校畢業(yè)的軟件工程師不計(jì)其數(shù)，程序員如今依然是一個(gè)高收入的金領(lǐng)工種。比如在OA信創(chuàng)領(lǐng)域，在國家的推動下，計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)、辦公自動化軟件、數(shù)據(jù)庫軟件、云計(jì)算軟件等等基礎(chǔ)軟件都在陸續(xù)實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)替代。
那我們不禁要問，同樣是基礎(chǔ)軟件，為什么國產(chǎn)EDA目前的形勢依然不容樂觀？換句話來問，EDA軟件到底難在哪兒，以至于我國這么龐大的軟件人才儲備竟然還搞不定？
EDA：先有物理，后有軟件
EDA的作用一句話就可以說明白：用軟件模擬的方式達(dá)到預(yù)設(shè)的各種電路性能指標(biāo)，然后再去foundry廠流片。如果IC設(shè)計(jì)時(shí)各種參數(shù)都達(dá)標(biāo)，但片子流回來一測，數(shù)據(jù)飄到天上去，這就是徹底的失敗。那么如何保證EDA里的電路設(shè)計(jì)跟真實(shí)芯片之間性能一致呢？
答案是：精準(zhǔn)的器件模型。
IC電路的基本單元是晶體管，稱為CMOS管。在EDA里需要一套數(shù)學(xué)公式來描述晶體管的基本物理參數(shù)關(guān)系，比如最基本的柵極G、源極S、漏極D的電壓—電流關(guān)系，類似于電阻的電壓和電流公式I=U/R。晶體管的U-I公式當(dāng)然會更復(fù)雜，但基本思路和原理是一致的。這套數(shù)學(xué)公式稱為晶體管的器件模型。
圖：N型晶體管和P型晶體管截面圖
用數(shù)學(xué)公式表征的器件模型就是EDA軟件和實(shí)際工藝制程之間的橋梁，器件模型越準(zhǔn)確，EDA仿真的電路就越接近于真實(shí)芯片。那這個(gè)器件模型很難嗎？
答案是：難，特別難。
由于芯片的種類和應(yīng)用場景多種多樣，器件模型要能反映晶體管在各種工作條件下的實(shí)際情況，那么模型的類型至少要包括：直流、交流、靜態(tài)、瞬態(tài)、噪聲、壓力、射頻、可靠性……
更大的難度在于，如今晶體管的尺寸已經(jīng)縮小至納米尺度，在這個(gè)尺度下，晶體管會產(chǎn)生很多量子效應(yīng)，比如短溝道效應(yīng)、彈道輸運(yùn)效應(yīng)……工藝制程每前進(jìn)一個(gè)世代，晶體管尺寸每縮小一次，就會出現(xiàn)更多物理效應(yīng)。對晶體管建模先要從量子力學(xué)、半導(dǎo)體物理等理論層面理解一個(gè)新效應(yīng)背后的物理機(jī)理是什么，然后再用數(shù)學(xué)公式去描述新產(chǎn)生的物理效應(yīng)對電流、電壓、電阻等基本物理量的影響。
這還沒完。
芯片大致可以分為數(shù)字芯片和模擬芯片，數(shù)字芯片里晶體管的的工作模式只有高電壓和低電壓，即“1”和“0”。實(shí)際上，數(shù)字芯片會允許有一個(gè)可接受的工作電壓區(qū)間，比如說電壓在0.1—0.3V被視為“0”，電壓在0.3—06V被視為“1” 。那模型的精度就可以有一定的容錯(cuò)率。
但模擬芯片里，各種參數(shù)是連續(xù)變化的，不存在“0”到“1”之間的跳變，模型就要精準(zhǔn)的描述所有變化，對精度要求會更高。尤其是射頻芯片，工作頻率高達(dá)GHz，在如此高頻的振蕩電路里，芯片襯底會產(chǎn)生很多寄生效應(yīng)，各種寄生電阻、寄生電容、寄生電感都會出現(xiàn)，模型要包含所有寄生效應(yīng)，對半導(dǎo)體基礎(chǔ)物理理論的理解要求更高，另一方面對foundry廠工藝的一致性要求也更高。
圖：射頻電路里晶體管襯底各種寄生效應(yīng)的等效電路
這也是為什么我們能有一批還不錯(cuò)的數(shù)字芯片設(shè)計(jì)公司，比如海思、展銳、瑞芯微、全志……但在模擬芯片和射頻芯片領(lǐng)域，國產(chǎn)廠家與國外的差距更大，更不容易追趕。
因此，對于EDA軟件，先有量子力學(xué)、半導(dǎo)體物理、固體物理的物理知識，然后才是對物理知識的軟件化。我們在EDA上的劣勢反映的其實(shí)是在半導(dǎo)體基礎(chǔ)科學(xué)上的弱勢。
芯片設(shè)計(jì)EDA的終極考驗(yàn)是——數(shù)學(xué)
器件模型的建立一般是foundry廠來完成，foundry對工藝線上制造出來的每一個(gè)器件都會建立一套數(shù)學(xué)模型，然后打包成PDK（process design kits，工藝設(shè)計(jì)工具包）發(fā)給IC設(shè)計(jì)公司使用。
IC設(shè)計(jì)公司將各種模塊的IP綜合在一起，然后EDA軟件調(diào)用PDK里的數(shù)學(xué)公式計(jì)算整個(gè)電路的綜合參數(shù)。于是，考驗(yàn)芯片設(shè)計(jì)類EDA軟件的時(shí)候到了。
以海思麒麟9000為例，這塊5nm制程的芯片包含了153億個(gè)晶體管，一個(gè)晶體管對應(yīng)一套數(shù)學(xué)公式，要算出這么多晶體管組合在一起的整體計(jì)算結(jié)果，考驗(yàn)的是EDA軟件的算法有效性和快捷性。而且EDA還要理解晶體管與晶體管之間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，按照一定的區(qū)域劃分出不同的電路單元分塊計(jì)算。從下圖就能十分清晰的看出，設(shè)計(jì)類EDA軟件的核心競爭力在于數(shù)學(xué)和高效算法。
圖：芯片設(shè)計(jì)類EDA技術(shù)概覽（資料來源：概倫電子招股說明書）
再以芯片中的金屬布線為例，麒麟9000中的153億個(gè)晶體管都要用金屬導(dǎo)線連接起來，靠人去布線是不可能的，只能靠EDA軟件里的算法來實(shí)現(xiàn)，還要盡可能減少金屬導(dǎo)線的總長度。畢竟金屬導(dǎo)線越長，芯片的制作成本越高。
在數(shù)學(xué)里，這個(gè)問題可以抽象成找到遍歷153億個(gè)節(jié)點(diǎn)的最短路徑問題，這是圖論里的一個(gè)經(jīng)典問題。其最初最簡單版本是七橋問題，即找到走完一個(gè)城市內(nèi)7座橋的最短路線。
圖：數(shù)學(xué)圖論中的七橋問題和抽象圖表示
從7個(gè)節(jié)點(diǎn)到153億個(gè)節(jié)點(diǎn)，對芯片金屬布線算法的要求可見一斑。如此復(fù)雜的金屬布線靠人去檢驗(yàn)也是不可能的，同樣也只能靠算法自己檢驗(yàn)。IC設(shè)計(jì)師們常說的跑電路仿真，實(shí)際上軟件內(nèi)部真正運(yùn)行的是各種極其復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法。
圖：芯片內(nèi)部金屬導(dǎo)線顯微鏡放大圖
因此，與其說設(shè)計(jì)類EDA是電子工程軟件，不如說它是數(shù)學(xué)軟件。先有數(shù)學(xué)上的突破，才有EDA的易用性。否則，如果算法太慢，一塊芯片仿真的時(shí)間以天、甚至以月來計(jì)，計(jì)算結(jié)果還不一定正確，那這樣的EDA軟件哪個(gè)設(shè)計(jì)公司會用呢？
國產(chǎn)EDA軟件的成色到底如何
聊完EDA的技術(shù)難點(diǎn)，再來看看國產(chǎn)EDA公司的產(chǎn)品到底有多少技術(shù)含量，競爭力如何。還是以已經(jīng)上市的概倫電子為樣本。
從其招股說明書中可以知道，概倫電子的EDA產(chǎn)品主要有兩類客戶，制造類EDA工具的客戶是以臺積電、中芯國際、聯(lián)電為代表的foundry廠，用于中低頻工藝平臺、基帶芯片、存儲器芯片的器件建模，在較高工作頻率、射頻芯片的模型上還不能使用；設(shè)計(jì)類EDA工具的客戶是以三星電子、SK海力士、鎂光、長鑫存儲為代表的存儲器芯片公司。
由于存儲器芯片內(nèi)晶體管的工作模式較為簡單，只工作在0和1的狀態(tài)，不涉及復(fù)雜的電路性能計(jì)算。因此，其設(shè)計(jì)類EDA軟件在一般的IC設(shè)計(jì)公司里使用較少。最更大的差距在于，EDA巨頭們將芯片IP也集成在設(shè)計(jì)軟件里，更加降低IC設(shè)計(jì)公司的設(shè)計(jì)門檻。從下圖就可以看到，新思科技Synopsys和鏗騰電子Cadence還是全球第二、第三大IP授權(quán)公司。將IP和EDA綁定，IC設(shè)計(jì)公司的使用粘性會更強(qiáng)，國產(chǎn)EDA要在IC設(shè)計(jì)領(lǐng)域打破國外壟斷會更難。
圖：全球10大芯片IP公司（資料來源：IPnest 2021.4）
在EDA軟件里最核心的半導(dǎo)體器件模型上，概倫電子使用的依然是BSIM、HiSIM、PSP這些外國的器件模型。其中BSIM和PSP是美國的，HiSIM是日本的。從這個(gè)角度也可以看出，EDA三大巨頭全部都創(chuàng)始于美國不是沒有原因。沒有國產(chǎn)半導(dǎo)體器件模型，對應(yīng)于芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域里，就是沒有一套自主開發(fā)的指令集。
綜合產(chǎn)品的各個(gè)維度，可以看到國產(chǎn)EDA軟件的差距依然巨大。概倫電子在從其招股說明書中是這么說的：“新思科技、鏗騰電子、西門子 EDA 等國際競爭對手相比，公司在產(chǎn)品種類豐富度上存在較為明顯的差距。前述國際競爭對手豐富多樣的產(chǎn)品種類可以滿足下游客戶的多方面需求，為其提供一站式采購選擇。公司產(chǎn)品種類相對國際競爭對手較少，導(dǎo)致公司在產(chǎn)品銷售協(xié)同效應(yīng)上處于劣勢，同時(shí)在公司經(jīng)營中產(chǎn)品失敗的風(fēng)險(xiǎn)難以分散。”
從披露出的信息來看，概倫電子對每家客戶的EDA授權(quán)使用費(fèi)大致在100萬元/年。而從網(wǎng)上收集到的信息顯示，Cadence一個(gè)license費(fèi)用大致在一百萬美元，價(jià)格差距6—7倍。
圖：概倫電子EDA 工具主要業(yè)務(wù)指標(biāo)（資料來源：概倫電子招股說明書）
寫在最后
華為最困難的那兩年里，任正非在很多媒體采訪中都會說這么一句話：搞芯片光砸錢不行，得砸數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、化學(xué)家。
明白了EDA軟件的核心技術(shù)難點(diǎn)就會明白，任正非的這句話絕不是心血來潮。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的物理基礎(chǔ)是量子力學(xué)、固體物理、納米材料，沒有在基礎(chǔ)理論上以十年計(jì)的長期積累，要想取得實(shí)質(zhì)性的突破是不可能的。而基礎(chǔ)理論研究更適合于高校、研究院來搞。
好消息是，國內(nèi)一批頂級大學(xué)都陸續(xù)成立了集成電路學(xué)院，如清華大學(xué)、北京大學(xué)、華中科技大學(xué)、北京理工大學(xué)、天津理工大學(xué)、中山大學(xué)……，尤其是北京大學(xué)在集成電路學(xué)院成立的新聞通稿里這樣寫道：
北京大學(xué)集成電路學(xué)院將加強(qiáng)與北京大學(xué)計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、材料等多個(gè)優(yōu)勢學(xué)科的交叉融合，著力集成微納電子、電子設(shè)計(jì)自動化、集成電路設(shè)計(jì)、集成電路制造、集成微納系統(tǒng)五個(gè)重點(diǎn)方向。其中隱然已經(jīng)有劍指EDA軟件的意思。
更好的消息也來了，2021年11月4日，華中科技大學(xué)的一支團(tuán)隊(duì)在ICCAD2021（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)國際會議）芯片布局布線算法競賽中獲得第一名。
路還很遙遠(yuǎn)，但至少曙光初現(xiàn)了。
編輯：ZQY 最后修改時(shí)間：2022-07-14
