EDA國產(chǎn)化率僅10%左右 芯片國產(chǎn)當(dāng)自強

以美國為首的芯片強國對出口中國的高端芯片 “卡脖子”，讓更多人意識到國產(chǎn)高端芯片自主可控重要性的同時，芯片產(chǎn)業(yè)鏈中小而精的 EDA(Electronic Design Automation，電子設(shè)計自動化)工具的關(guān)鍵作用也成了關(guān)注的焦點。

芯片設(shè)計環(huán)節(jié)繁多，精細(xì)且復(fù)雜，EDA 工具對于提升芯片設(shè)計效率，優(yōu)化芯片設(shè)計，保證芯片功能發(fā)揮著極為重要的作用。目前，美國三大 EDA 公司(Synopsys、Cadence、Mentor)占據(jù)全球 EDA 市場超過 60% 的市場份額，絕大部分芯片設(shè)計公司都需要三巨頭的 EDA 工具。因此，美國用 EDA 就能很容易卡住中國芯片行業(yè)的脖子。

國產(chǎn)化率僅 10% 左右的國產(chǎn) EDA，面對發(fā)展了二三十年的 EDA 三巨頭的技術(shù)和商業(yè)壁壘，想要進(jìn)一步提升國產(chǎn)化率面臨極大挑戰(zhàn)。慶幸的是，開源的趨勢，AI 和云技術(shù)的突破，給國產(chǎn) EDA 帶來了換道超車百年一遇的好機會。

EDA 國產(chǎn)化率 10% 左右，突破面臨瓶頸

EDA 處于整個芯片產(chǎn)業(yè)鏈的上游，特點是小而精。據(jù)市場研究和顧問公司 Gartner 今年 1 月的初步統(tǒng)計結(jié)果，全球半導(dǎo)體收入 2020 年總收入達(dá)到 4498 億美元，比 2019 年增長 7.3%。

僅看 EDA 市場，賽迪顧問高級分析師呂芃浩去年給出的數(shù)據(jù)是，2019 年全球 EDA 市場規(guī)模為 102.5 億美元，中國 EDA 市場規(guī)模約為 5.8 億美元，占全球市場的 5.6%，國內(nèi) EDA 廠商總營收不到 4.2 億元，僅占全球市場份額的 0.6%，國產(chǎn)化率僅 10% 左右。

“10% 左右的國產(chǎn)化率，華大九天貢獻(xiàn)了大部分。因為國內(nèi)很多 EDA 公司都是以出售點工具為主，華大九天有面向模擬芯片的整套工具，所以市場的認(rèn)可度更高。”呂芃浩稱：“國產(chǎn) EDA 除了在模擬芯片領(lǐng)域有所進(jìn)展，國微集團(tuán)，概倫電子的部分工具也達(dá)到了國際領(lǐng)先水平，以芯華章為代表的公司把一些自研的 EDA 工具進(jìn)行開源，也實現(xiàn)了一定的突破。”

呂芃浩認(rèn)為 EDA 10% 的國產(chǎn)化率很難突破，已經(jīng)進(jìn)入瓶頸期。原因主要有兩個方面，一方面，中國的 IC 設(shè)計公司數(shù)量雖然有 2218 家，但營收過億的只有 200 多家，無論從技術(shù)還是財力水平，大部分中國芯片設(shè)計公司可能不會用正版軟件，市場增長有限。

另一方面，國產(chǎn) EDA 還沒有實現(xiàn)數(shù)字芯片設(shè)計工具全流程，國內(nèi)營收過億的芯片設(shè)計公司還是會優(yōu)先選擇三巨頭的 EDA 產(chǎn)品。

也就是說，國內(nèi)的 EDA 市場增量有限，存量市場競爭激烈。呂芃浩認(rèn)為，“EDA 的國產(chǎn)化率要進(jìn)一步提升，必須要實現(xiàn)數(shù)字全流程，一旦實現(xiàn)了全流程，就可以迎來快速爆發(fā)期。然后，還需要改善生態(tài)。”

西南交通大學(xué)信息學(xué)院電子工程系副系主任邸志雄也認(rèn)為，國產(chǎn) EDA 公司最艱難的是生存問題，然后是生態(tài)問題。“國內(nèi) EDA 公司需要獲得芯片設(shè)計公司、晶圓代工廠的信任，才能解決生存問題。”邸志雄表示。

“當(dāng)前的國際形勢下，大部分芯片設(shè)計公司都意識到 EDA 可控的重要性，這是國產(chǎn) EDA 獲得入場券的前提。”

擁有 20 多年國際領(lǐng)先 EDA 企業(yè)技術(shù)開發(fā)及公司運營管理經(jīng)驗，2020 年創(chuàng)立芯華章的王禮賓表示：“以前國內(nèi)做 EDA 的公司不多，也主要是做單點工具?，F(xiàn)在 EDA 受到國家重視，也有很大的市場空間，所以 EDA 公司都希望能夠做的更完整，但貪大求全也不可取。”

國際形勢的變化逼著中國芯片產(chǎn)業(yè)走出一條自己的路，國產(chǎn) EDA 也迎來了一個絕佳機遇——開源 EDA。

開源給國產(chǎn) EDA 打破巨頭技術(shù)

和商業(yè)壁壘的絕佳機會

開源技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了多年，開源軟件的蓬勃發(fā)展是目前軟件可以快速、低成本實現(xiàn)的一個關(guān)鍵。Linux、GNU、Android 以及各種開源 AI Framwork 往往能夠產(chǎn)生革命性影響。如今，EDA 開源也在快速向前推進(jìn)。

2018 年，美國國防部高級研究計劃局(DARPA)提出了兩個新的項目 IDEA(Intelligent Design of Electronic Assets)和 POSH(Posh Open Source Hardware)。

其中的原因，邸志雄認(rèn)為：“芯片的研發(fā)周期至少一兩年，成本很高，技術(shù)門檻也很高，嚴(yán)重阻礙了芯片設(shè)計領(lǐng)域的創(chuàng)新，這兩個項目從 IP 和 EDA 兩個維度縮短芯片設(shè)計流程，節(jié)省研發(fā)時間。我認(rèn)為從 RISC-V 指令集到 POSH 再到 IDEA，這其實就是一個開源生態(tài)，能夠共同推動芯片行業(yè)的繁榮。”

相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，通過 IDEA/POSH 兩個開源項目的實施，可供使用的開源 EDA 數(shù)量增加了近一倍。

“國內(nèi)的 EDA 工具產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀是技術(shù)進(jìn)入門檻高、人才方面師資與課程缺乏，開源可以打破技術(shù)和商業(yè)壁壘，整合優(yōu)化科技資源配置，高效的激發(fā)并加速創(chuàng)新，快速建設(shè)國內(nèi)集成電路設(shè)計生態(tài)圈。”王禮賓認(rèn)為。

那么，開源 EDA 能夠幫助國內(nèi) EDA 產(chǎn)業(yè)迅速實現(xiàn)數(shù)字全流程嗎?王禮賓表示：“我覺得這取決于技術(shù)的導(dǎo)向和資源投入，芯華章有系統(tǒng)性的想法，但難度會越來越大，因為投入也會越來越多。還要看到，不同的 EDA 涉及的環(huán)節(jié)不同，開源的難易程度以及開源所能帶來的生態(tài)促進(jìn)作用不同。”

邸志雄從技術(shù)的角度分析，開源的點工具如果沒有統(tǒng)一的接口，想要將點工具串起來很難。另外，已有的開源單點 EDA 工具絕大部分都沒有經(jīng)過商業(yè)的流片驗證。同時，在模擬芯片設(shè)計 EDA 工具與數(shù)字芯片物理實現(xiàn) EDA 工具，特別需要開源工藝庫和 PDK 支持。

呂芃浩指出，開源是國產(chǎn) EDA 實現(xiàn)數(shù)字全流程的一條路，但現(xiàn)在大家都是起步階段，有積累的情況下，實現(xiàn)完整的全流程會更快一些。

既然如此，為何還說開源是國產(chǎn) EDA 的絕佳機會?雖然 EDA 開源不能在短期內(nèi)就讓國內(nèi) EDA 產(chǎn)業(yè)補足短板，但能從源頭上解決國產(chǎn) EDA 發(fā)展的人才之困。高端人才是國內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展最大的挑戰(zhàn)是業(yè)界共識，對于小而精的 EDA 產(chǎn)業(yè)更是如此。

“在國內(nèi)的教學(xué)體系中，EDA 教師一般隸屬于微電子或計算機學(xué)科，不管在哪個學(xué)科，EDA 都屬于小眾，國內(nèi)能夠開設(shè) EDA 課程的學(xué)校寥寥無幾，缺乏 EDA 教材，并且，對 EDA 感興趣的學(xué)生也很少。”邸志雄說。

“有了開源 EDA，首先是案例有了，可以給理論課與實驗課比較好的支撐。另外，也能讓學(xué)生了解 EDA 內(nèi)部算法。還有，開源 EDA 也不需要購買昂貴的商業(yè)工具。再加上集成電路提升為一級學(xué)科，有了這些支持后，我認(rèn)為不管是開設(shè) EDA 課程開始出版教材，都是利好。”

開源 EDA 也會對相關(guān)研究有積極作用。據(jù)悉，很多研究者的論文都基于開源 EDA 展開研究，但開源 EDA 被收購之后往往就走向閉源。“如果開源 EDA 能夠給大家提供一些比較完整的 EDA 環(huán)境和流程，對于而言就可以有一個基準(zhǔn)的參考模型，進(jìn)而可以驗證算法或模型的有效性。因此，無論是科研還是教學(xué)，對開源 EDA 需求的迫切性都很高。”

開源 EDA 不僅能夠降低學(xué)校人才培養(yǎng)的難度，也能吸引更多人加入到 EDA 行業(yè)，加速創(chuàng)新。王禮賓說：“EDA 是跨計算機、軟件、集成電路的交叉學(xué)科，開源等于給了一個產(chǎn)品的母版，降低了研發(fā)的門檻，還可以激發(fā)和加速科研院所、高等院校、企業(yè)、愛好者的創(chuàng)新，優(yōu)化資源配置，通過開源的實踐，培養(yǎng)出很多 EDA 人才。”

“當(dāng)產(chǎn)業(yè)界拿到了更好的開源產(chǎn)品，會加大開源 EDA 軟件的使用頻度和廣度，這樣的大范圍應(yīng)用，會為開源 EDA 提供更多的測試數(shù)據(jù)，進(jìn)一步催熟開源 EDA 工具的發(fā)展和創(chuàng)新，最后形成正反饋的 EDA 開源生態(tài)。”王禮賓進(jìn)一步指出。

國內(nèi)的 EDA 公司不僅抓住了開源 EDA 的機遇，還可以借 AI、云計算等新技術(shù)換道超車。

國產(chǎn) EDA 將換道超車

作為開源 EDA 的先鋒派，芯華章在 2020 年九月上線了中國首個開源 EDA 技術(shù)社區(qū) EDAGit，并且開源了兩款 EDA 工具。王禮賓介紹，目前芯片公司在一個芯片項目中投入的精力大量是用于驗證，因為芯片失敗帶來的損失輕則是一次投片數(shù)億元的費用打水漂，重則影響產(chǎn)品的上市時間或者公司的信譽，導(dǎo)致客戶的流失，可能帶來致命的打擊。因此，驗證，特別是硬件驗證，是科技領(lǐng)先的重要制勝點之一。

芯華章已經(jīng)開源的兩款 EDA 工具都與驗證相關(guān)，EpicSim 是基于經(jīng)典 EDA 方法學(xué)并進(jìn)行強化、創(chuàng)新的開源仿真工具，仿真器是功能驗證最不可或缺的一環(huán)。另外一款開源工具是形式驗證 “靈驗”，形式驗證的優(yōu)勢在于完備、窮盡的驗證，不需要復(fù)雜的環(huán)境搭建，設(shè)計收斂效率高，適合用于早期的模塊驗證。

數(shù)字仿真器流程

“芯華章所專注的數(shù)字驗證領(lǐng)域，與晶圓廠和先進(jìn)制程之間沒有直接的緊密關(guān)聯(lián)，因此對于我們來說，技術(shù)突破的關(guān)鍵在于人才。對于后端與晶圓廠對接的布局布線等環(huán)節(jié)，就必須考慮到打通開源產(chǎn)品在不同的工藝節(jié)點上的應(yīng)用。”王禮賓說。

“我們開源的 EDA 工具都可以很好地應(yīng)用在芯片項目的早期驗證和院校教學(xué)當(dāng)中，希望可以拋磚引玉推動資源整合優(yōu)化，讓芯片設(shè)計者和 EDA 工具的研發(fā)人員都用上芯華章開源的 EDA 工具，這樣會很快形成一個新的技術(shù)生態(tài)圈，激發(fā)這兩類人群的創(chuàng)新活力，實現(xiàn) EDA 技術(shù)壁壘和商業(yè)壁壘的突破，提高集成電路創(chuàng)新鏈整體效能。”

邸志雄說：“芯華章的數(shù)字驗證工具實現(xiàn)了國內(nèi)從無到有的突破，其‘靈驗(EpicFV)’開源形式驗證 EDA 也是全球第一款。驗證類型的工具銷售額占所有 EDA 工具銷售額的 30% 左右，需求量大且市場價值高。”

我們了解到，芯華章的 EpicSim 工具已經(jīng)被商業(yè)芯片設(shè)計公司采用，并且在實際設(shè)計中也達(dá)到了仿真速度提升兩倍的目標(biāo)。

“堅持開源這條路，肯定是 EDA 國產(chǎn)化一個非常好的途徑。”呂芃浩說。

除了開源，AI 和云計算等前沿技術(shù)也能幫助國產(chǎn) EDA 換道超車。王禮賓認(rèn)為：“國外 EDA 巨頭已經(jīng)發(fā)展了幾十年，如果用傳統(tǒng)的方法和架構(gòu)，想要追趕巨頭肯定需要很多年。但新技術(shù)和新架構(gòu)可以讓我們不必采用以前的方法，在一個新的起跑線上出發(fā)，開發(fā)出更先進(jìn)的 EDA 工具。”

比如芯華章使用到的 LLVM 技術(shù)，傳統(tǒng)的 EDA 工具只支持 x86 架構(gòu)服務(wù)器，如果要應(yīng)用到 ARM 或 RISC-V 架構(gòu)的服務(wù)器，就需要花費大量時間進(jìn)行移植。采用 LLVM 架構(gòu)，從一開始就能很容易支持不同架構(gòu)，可以省去后期的移植，實現(xiàn)換道超車。

至于 AI 技術(shù)的作用，邸志雄認(rèn)為，AI 不能從根本上推動 EDA 工具的發(fā)展，但可以看作一個類似預(yù)測的黑盒，解決一些較為復(fù)雜的問題。

呂芃浩的觀點是，全球都在研究 AI 技術(shù)與 EDA 技術(shù)結(jié)合，國內(nèi)的 AI 技術(shù)全球領(lǐng)先，這種優(yōu)勢在一定程度上有助于我們加快追趕步伐。還有不可忽略的云技術(shù)，隨著云計算的發(fā)展，云上設(shè)計芯片能夠減少芯片設(shè)計流程中耗時較多的芯片設(shè)計驗證時間。

小結(jié)

EDA 技術(shù)作為產(chǎn)業(yè)鏈的源頭，必須進(jìn)行革新，產(chǎn)業(yè)鏈才能夠得到整體效率的提升。2021 年是 “十四五規(guī)劃”的開局之年，首次明確指出需要在集成電路設(shè)計工具上進(jìn)行突破。

在 EDA 國產(chǎn)化率不高、巨頭有強大的技術(shù)和商業(yè)壁壘的情況下，開源是國產(chǎn) EDA 換道超車的好路徑，十四五綱要也將開源技術(shù)上升到國家層面。芯華章率先在國內(nèi)上線開源社區(qū)，并免費開源兩款數(shù)字驗證 EDA 工具，對于降低 EDA 行業(yè)的門檻、培養(yǎng)人才以及加速創(chuàng)新都有積極作用。

開源、AI、云計算前沿技術(shù)的突破，讓中國 EDA 行業(yè)迎來了百年一遇換道超車的好機會。呂芃浩預(yù)期，按照現(xiàn)在的進(jìn)度、趨勢以及市場信息，加上國家資金和政策的支持，國產(chǎn) EDA 在 5 年內(nèi)基本實現(xiàn)全流程應(yīng)該沒有問題。

打破 EDA 巨頭的壁壘挑戰(zhàn)重重，但我們有理由保持樂觀。

關(guān)鍵詞： 芯片 國產(chǎn) EDA