淺談國產(chǎn)EDA軟件開發(fā)

隨著美國對中國芯片產(chǎn)業(yè)的打壓逐步升級，卡脖子由芯片向著核心技術(shù)延伸，大家發(fā)現(xiàn)EDA軟件也是要補的短板，發(fā)展國產(chǎn)EDA軟件的呼聲很高。EDA軟件雖然也是一種軟件，但開發(fā)時要運用大量半導體和微電子學知識，而且它的市場容量很有限，養(yǎng)不活大批EDA軟件公司。因此，國產(chǎn)EDA軟件的開發(fā)要科學規(guī)劃，要避免低水平競爭，避免蜂擁而上。

集成電路(芯片)產(chǎn)業(yè)是信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的核心，是支撐經(jīng)濟社會發(fā)展和保障國家安全的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性和先導性產(chǎn)業(yè)。EDA軟件是芯片設(shè)計的必備工具，因而是芯片產(chǎn)業(yè)的重要基石之一。雖然從商業(yè)角度看，EDA軟件是研發(fā)難度大、要持續(xù)不斷更新和投入、凈利潤率也不高的“苦逼”行業(yè)，但從重要性角度看，它是一個“極其重要”的行業(yè)，可以說是重中之重，需要政府高度重視、科學規(guī)劃和大力支持，加快國產(chǎn)EDA軟件行業(yè)發(fā)展勢在必行。筆者從自身經(jīng)歷和對行業(yè)的觀察，淺談對國產(chǎn)EDA軟件開發(fā)的想法，并提出了6點發(fā)展建議。 

一、揭開EDA軟件的神秘面紗

 EDA 軟件 就是電子設(shè)計自動化(Electronics Design Automation)軟件。它是設(shè)計集成電路(芯片)的必備工具，因此也叫 EDA工具。 設(shè)計人員在工作站上使用EDA軟件，要把數(shù)十億(甚至上百億)個晶體管、存儲單元、電阻、電容等安排在1cm2不到的硅片面積上，并連接成極其復雜的電路，例如CPU、SOC、Flash芯片等，而且要保證設(shè)計萬無一失后，才能送到制造廠去加工。EDA軟件的任務(wù)流程一般包括： 1. 硬件描述語言(HDL)輸入； 2. 邏輯編譯、簡化和分割； 3. 電路綜合、優(yōu)化、布局和布線； 4. 電路仿真模擬； 5. 生成制造數(shù)據(jù)。如果說設(shè)計芯片很難，那么設(shè)計EDA軟件就更難。 可以說，沒有EDA軟件就沒有各種復雜芯片，就沒有各式各樣的智能設(shè)備，因而就沒有了我們今天的工業(yè)信息化、通信便利化、生活智能化的社會。 EDA軟件是從上世紀70年代開始，逐步從計算機輔助設(shè)計(CAD)、計算機輔助制造(CAM)、計算機輔助測試(CAT)和計算機輔助工程(CAE)等技術(shù)演變而來，已有50多年的發(fā)展史。它大致經(jīng)歷了三個發(fā)展階段(參考4)。 第一階段 是CAD時代(二十世紀七十到八十年代)。這個時期的CAD主要功能是交互圖形編輯，晶體管級布圖設(shè)計、布局布線、設(shè)計規(guī)則檢查，門級電路模擬和驗證等。 第二階段 是EDA軟件走向商業(yè)化(九十年代)。這一階段，硬件描述語言VHDL和Verilog產(chǎn)生了，這為EDA軟件的商業(yè)化打下良好的基礎(chǔ)。隨著硬件描述語言的標準化和芯片設(shè)計方法的不斷發(fā)展，推動了EDA軟件的普及和發(fā)展。這個時期EDA軟件的特征是高級語言描述、系統(tǒng)級仿真和綜合技術(shù)、以及正向（Top Down）設(shè)計方法成為主流。 第三階段 是EDA軟件進入系統(tǒng)級設(shè)計階段(本世紀開始)。這一時期在仿真驗證和設(shè)計兩個層面，支持標準硬件描述語言的EDA軟件的功能更加強大，更大規(guī)模的可編程邏輯器件不斷推出，系統(tǒng)級、行為級硬件描述語言趨于更加高效和簡單，使更大規(guī)模的系統(tǒng)級芯片(SoC)設(shè)計成為可能。 經(jīng)過最近三十年的市場博弈，不斷兼并，強者恒強。全球EDA市場仍然由Synopsys、Cadence和Mentor三家EDA廠商所壟斷，大的格局并沒有變化。 

圖1.全球最大的三家EDA軟件供應(yīng)商 2018年可以看作人工智能(AI)的元年，國際著名EDA廠商已經(jīng)開始研發(fā)具有AI功能的EDA軟件，試圖在EDA軟件中應(yīng)用AI算法賦能芯片設(shè)計。今年3月12日，Synopsys推出業(yè)界首個用于芯片設(shè)計的自主AI應(yīng)用程序DSO.AI(Design Space Optimization AI)，這是電子設(shè)計技術(shù)上所取得的重大突破。3月18日，Cadence發(fā)布了經(jīng)過數(shù)百次先進工藝流片驗證的數(shù)字全流程新版軟件，采用了支持機器學習（ML）功能的布局布線和物理優(yōu)化引擎，吞吐量最高提升3倍，功率、性能和面積(PPA)最高提升20%，助力設(shè)計更卓越的芯片。而Mentor的機器學習(ML)OPC可以將光學鄰近效應(yīng)修正(OPC)輸出預測精度提升到納米級，同時將執(zhí)行時間縮短3倍(參考5)。 

二、筆者的EDA軟件開發(fā)舊事

筆者80年代在航天部七七一所讀研的時候，參與了沈緒榜院士主持的部管預研課題“智能硅編譯器”(Intelligent Silicon Compiler，后文簡稱：ISC)的研究。課題內(nèi)容是研究如何用自然語言描述要設(shè)計的芯片，如何通過計算機把芯片描述一步步編譯，最后生成制造芯片所需的芯片布圖(Layout)數(shù)據(jù)。簡單地說，ISC課題研究的是芯片的全自動設(shè)計方法，這是EDA的最高境界。即便今天看來，ISC的理想也是非常先進和高遠。目前，國外三家EDA廠商的EDA軟件還沒有實現(xiàn)ISC的理想，也就是說還不能全自動地設(shè)計芯片。 把當前 EDA軟件 與 ISC的理想 相比較的話，差別在于： 1. 硬件描述語言（HDL）比自然語言低級； 2. 設(shè)計流程中的一個個軟件工具是人工組織起來的，不是ISC那樣自動完成的； 3. 芯片設(shè)計人員不但要熟練掌握EDA軟件，更要具備豐富的芯片設(shè)計經(jīng)驗，而ISC對芯片設(shè)計人員的要求不高。 當然，ISC是一個預研課題，是一種方法論研究。在當時電腦配置極其低下(顯示分辨率640X480、主頻4Mhz、內(nèi)存128KB、硬盤20MB)的條件下，ISC是無法真正開發(fā)出來并商業(yè)化運用。40年后的今天，在電腦配置極其豪華的條件下，全球最先進的EDA軟件還沒有實現(xiàn)ISC追求的目標。筆者研究生論文的工作集中在ISC的組成結(jié)構(gòu)、專家?guī)煜到y(tǒng)、布圖描述語言、人機圖形接口等方面，并完成了芯片布圖的CIF格式和GDSII格式的互轉(zhuǎn)軟件，基于AutoCAD系統(tǒng)開發(fā)了坐標紙上芯片布圖的數(shù)字化輸入軟件。 

圖2.基于AutoCAD在微機上開發(fā)的Micro-CV系統(tǒng) 筆者算是國內(nèi)較早的IC CAD軟件開發(fā)者和系統(tǒng)應(yīng)用者。當年七七一所購置的國外的IC CAD系統(tǒng)，包括Computer Vision系統(tǒng)(簡稱：CV系統(tǒng))和阿波羅(Apollo)圖形工作站。它們的主要功能是:坐標紙上芯片布圖的數(shù)字化輸入，用mSPICE軟件對器件參數(shù)進行仿真，修改和檢查芯片布圖，全芯片的布局和布線，設(shè)計規(guī)則檢查，大型繪圖機繪制芯片布圖等。90年代初期在深圳使用過Tanner公司的芯片布圖編輯軟件L-EDIT，已感受到EDA軟件進步之神速。

圖3.小型機CV系統(tǒng)和阿波羅(Apollo)圖形工作站 

三、EDA軟件是個苦逼的行業(yè)

說到要發(fā)展國產(chǎn)EDA軟件，行外人士倒是信心滿滿，不就是設(shè)計個軟件嗎，但業(yè)內(nèi)人會皺皺眉頭說“EDA軟件是個苦逼的行業(yè)”。這么說是有理由的，筆者認為有以下幾方面的原因。 1.EDA 軟件開發(fā)很難，并且需要不斷更新開發(fā)，不斷研發(fā)投入，是一個持續(xù)“高度燒腦”的行業(yè)。 EDA軟件要 處理 數(shù)十億(甚至上百億)個電路元件，并把它們 連接 成理想功能的芯片。處理和連接的難度猶如把面積僅1cm2的芯片放大25萬倍后，看到在半個深圳灣高新區(qū)的面積上，用最窄5毫米的線條(多晶硅、氧化層、外延層、離子注入?yún)^(qū)、上下層過孔、鋁連線等) 縱橫交織 構(gòu)成一個“ 電路森林 ”，這種縱橫交織有10～20層之多。EDA軟件既要保證這種處理、連接、縱橫交織完全不會出錯，又要滿足電路參數(shù)、速度、功能、面積、功耗等約束條件。所以，由事難想到做事的工具之難，設(shè)計EDA軟件的難度可想而知。 另外，一般軟件開發(fā)完成后，基本可以定型并大量銷售，未來的維護只是在發(fā)現(xiàn)錯誤(Bug)后，打個補丁或者更新一個版本。但是，EDA軟件首先不能出現(xiàn)Bug,另外隨著半導體工藝的進步(或者革命性變革)，EDA軟件都要隨著開發(fā)升級版本(或者革命性新版本)，并且它的銷售數(shù)量非常有限。因此，大的研發(fā)投入和較少的銷售數(shù)量，決定了EDA軟件價格不菲。

圖4. 1cm2的芯片放大25萬倍后，可以看到在半個深圳灣高新區(qū)的面積上，布滿了最窄5毫米的線條縱橫交織構(gòu)成的“電路森林”，縱向堆疊多達10～20層之多。 2. 人才培養(yǎng)難度較大，人才緊缺，薪水較高，EDA軟件是一個真正的高技術(shù)行業(yè)。 EDA軟件開發(fā)不同于一般軟件開發(fā)，它交叉在軟件工程學、半導體和微電子學兩個領(lǐng)域之間。目前高校還沒有這樣二合一的學科設(shè)置，既要學軟件專業(yè)，又要學半導體和微電子專業(yè)。目前從業(yè)者可以是工作中半路轉(zhuǎn)行，惡補另外一個學科的知識；也可以是兩個專業(yè)的人配合工作，各取所長。筆者專業(yè)是計算機硬件兼顧軟件工程，讀研時學了超大規(guī)模集成電路和半導體工藝課程，所以對EDA軟件開發(fā)有一定了解。但是，如果是學半導體和微電子專業(yè)的人，工作中轉(zhuǎn)向從事EDA軟件編程，要掌握軟件工程的知識難度較大。目前EDA軟件人才緊缺，資深高級人才更缺，需要國家有計劃地在高校中定向培養(yǎng)。 3. 用戶數(shù)量非常有限，市場不大，EDA軟件是一個凈利潤率不高的行業(yè)。 市場容量不大可以理解，中國純芯片設(shè)計公司也就1000多家，其中大多是中小企業(yè)，很難做到按需購買正版國產(chǎn)EDA軟件。即便每家都買，假如 平均 每年每家購買100萬元的國產(chǎn)EDA軟件（國外EDA軟件另當別論），則國產(chǎn)EDA軟件市場容量為10億多元。假如每家購買500萬元，則國產(chǎn)EDA軟件市場容量也僅50億元的規(guī)模。 再來看看國外三家龍頭EDA廠商的情況。根據(jù)股票市場的公開信息，2019年，三家EDA軟件公司的總收入合計不超過80億美元，估計全球EDA軟件市場規(guī)模不超過100億美元。2019年Synopsys和Cadence的總收入分別是33.61億美元和23.36億美元，凈利潤分別為5.324億美元和9.89億美元，凈利潤率分別是15.8%和42.3%。從歷年的情況可以看出，EDA軟件行業(yè)的發(fā)展呈現(xiàn)小幅平穩(wěn)增長態(tài)勢，難有爆發(fā)式增長的情形，凈利潤率基本在10%～15%之間變化。所以說EDA軟件行業(yè)是一個高投入、凈利潤率不高的行業(yè)。

圖5.Synopsys和Cadence近5年的凈利潤率變化情況（來源：根據(jù)公開資料整理） 

四、EDA軟件是我國必補短板

去年5月16日，美國商務(wù)部以國家安全為由把華為納入實體清單。過后Synopsys、Cadence和Mentor三家EDA軟件廠商相繼宣布與華為終止合作。很佩服華為具有先見之明，之前已購買了部分EDA軟件的永久許可(Licence)，今后雖然得不到原廠技術(shù)支持和最新升級，但可以維持一年半載，爭取時間另求生機。相比芯片和元器件斷供，EDA軟件斷供對華為的打擊更大。意味著如果沒有國外最新EDA軟件支持，華為將無法設(shè)計新的高性能芯片，包括手機芯片、服務(wù)器芯片、人工智能芯片等，原來的“備胎芯片團隊”也將無法做事。 目前美國還沒有對中國所有芯片公司禁售EDA軟件，如果這種極端的情況發(fā)生，國內(nèi)大約1000多家純芯片設(shè)計公司將無法正常開展業(yè)務(wù)。 EDA軟件 、 設(shè)備 、 原材料 和 工藝技術(shù) 是“卡”在我們芯片產(chǎn)業(yè)“脖子”上的四只手。正如美國警察肖萬非法“鎖喉”弗洛伊德一樣，任何一只手發(fā)力都讓我們的芯片產(chǎn)業(yè)“無法呼吸！”。因此，發(fā)展國產(chǎn)EDA軟件再苦再難，這個事關(guān)我們信息技術(shù)(IT)產(chǎn)業(yè)安危的短板必須補上。 目前，國內(nèi)EDA軟件廠商有華大九天、廣立微、概倫電子、芯禾科技等近十家公司，并且近幾年都加大了研發(fā)投入，但還難以與國外先進EDA軟件相提并論?，F(xiàn)實情況是， 1. 國產(chǎn)EDA軟件在特定功能上有特點和特色，應(yīng)用于某些小眾場合沒有問題，(這也是他們面對國外EDA三巨頭的生存之道)。但是能形成全流程大范圍應(yīng)用的產(chǎn)品較少。 2. 有國外先進EDA軟件可用情況下，國產(chǎn)EDA軟件認可度很低，從研發(fā)、使用、反饋、提升的“正反饋”鏈條難以形成，產(chǎn)品快速迭代和競爭力提升無法完成，制約了國產(chǎn)EDA軟件的成熟。所以有個奇怪的說法，國外EDA軟件禁止之時將是國產(chǎn)EDA軟件行業(yè)的春天。 3. EDA軟件人才緊缺，需要國家有計劃地定向培養(yǎng)。 

五、發(fā)展國產(chǎn)EDA軟件的建議

根據(jù)對國內(nèi)外EDA軟件行業(yè)的了解，結(jié)合我們芯片產(chǎn)業(yè)補短板、強弱項的實際情況，筆者對發(fā)展國產(chǎn)EDA軟件有一些粗淺的想法，并高度關(guān)注4個問題。難度較大，要正確面對；避免無序，要頂層設(shè)計；配合重要，要規(guī)范當先；市場有限，要避免盲從。以下是筆者對發(fā)展國產(chǎn)EDA軟件的建議。 1. 成立聯(lián)盟 ：建議成立由政府主管部門或研究機構(gòu)牽頭，由國內(nèi)龍頭EDA企業(yè)、晶圓廠、高校和研究機構(gòu)、重點IC設(shè)計企業(yè)組成的“國家EDA軟件開發(fā)產(chǎn)學研聯(lián)盟”，共商良策，共促國產(chǎn)EDA軟件發(fā)展。 2. 起草規(guī)范： 在聯(lián)盟中成立專家組，以現(xiàn)有國產(chǎn)EDA軟件為基礎(chǔ)，制定國產(chǎn)EDA軟件的開發(fā)規(guī)范。包括 功能模塊 規(guī)范、 數(shù)據(jù)庫 規(guī)范、 數(shù)據(jù)交換接口 規(guī)范、用 戶交互界面 規(guī)范等。避免遍地開花、無序開發(fā)、軟件工具之間不能協(xié)同、低層次競爭等情況發(fā)生，避免造成寶貴的時間和資源浪費。 3. 上云架構(gòu)： 除了傳統(tǒng) 云下架構(gòu) 外，考慮增加基于超算平臺和云平臺的國產(chǎn)EDA軟件的 云上架構(gòu) ，二種總體架構(gòu)并列考慮，開發(fā)者同時研發(fā)兩個版本的EDA軟件。目前國外EDA軟件還未普及云上模式。國產(chǎn)EDA軟件最好能以云服務(wù)的形式向IC企業(yè)、高校師生、甚至系統(tǒng)企業(yè)提供服務(wù)，便于國產(chǎn)EDA軟件普及。 4. 應(yīng)用AI技術(shù)： 在構(gòu)建國產(chǎn)EDA軟件總體架構(gòu)時，要把人工智能(AI)技術(shù)的應(yīng)用放在重要位置。否則，我們在起點就已落后于國外EDA軟件了。 5. 認領(lǐng)開發(fā)： EDA軟件的功能模塊可由龍頭EDA軟件企業(yè)認領(lǐng)開發(fā)、懸賞揭榜開發(fā)，政府給予大力資助。一個功能模塊可由1～3家EDA軟件企業(yè)承擔，可冠名自己的品牌，進行市場自由競爭。政府動態(tài)監(jiān)管和支持，優(yōu)勝劣汰。 6. 推廣平臺： 適時依托國家IC基地，在全國布局成立國產(chǎn)EDA軟件推廣平臺，政府大力支持國產(chǎn)EDA軟件的推廣及應(yīng)用。 結(jié)語： EDA軟件的研發(fā)投入很大，需要長期的知識和經(jīng)驗積累，而且即使有了產(chǎn)品上市，今后還要跟隨芯片技術(shù)進步而不斷投入升級研發(fā)。所以，EDA軟件行業(yè)是個十分艱苦的行業(yè)。同時，EDA軟件市場十分有限，凈利潤率也不高，不能養(yǎng)活太多公司。所以，EDA軟件雖然處在補短板、強弱項的風口上，還請那些沒有思想準備、準備炒概念、想賺快錢、想拿政府資助的企業(yè)繞道吧，避免轟轟烈烈過后一地雞毛。希望把機會留給那些對EDA行業(yè)有深刻了解，有技術(shù)積累，有報國情懷的企業(yè)家們，讓他們的資金投入和辛勤勞動獲得更多回報，讓國產(chǎn)EDA軟件的短板補齊，支持芯片行業(yè)健康發(fā)展。 

參考資料 ： 

1. 周祖成，EDA的機遇與挑戰(zhàn)，微信公眾號【芯人類】，2019.7.27

2. 趙元闖，華大九天劉偉平談國產(chǎn)EDA突圍之路，微信公眾號【芯思想】，2019.8.13

3. 李嚴峰，再談本土EDA競爭力順便聊聊DTCO在中國落地，微信公眾號【芯思想】，2019.12.30

4. EDA365電子論壇，EDA發(fā)展歷史及現(xiàn)狀， 搜狐網(wǎng)https://www.sohu.com/a/37730 6 647_120012815， 202 0.3.3

5. 邸志雄，谷歌會超越三大巨頭壟斷芯片EDA設(shè)計工具嗎？微信公眾 號【網(wǎng) 絡(luò)交換FPGA】，2020.4.28

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