比光刻機還更重要的EDA工具,中國為什麼花了30年還沒有徹底掌握

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在半導體行業里,大家最為熟悉的就是光刻機了,因為ASML壟斷光刻機。但是在晶片製造設計上,最為重要的其實還是EDA工具。

EDA是電子設計自動化(Electronics Design Automation)的縮寫,利用EDA工具,電子設計師可以從概念、算法、協議等開始設計電子系統,大量工作可以通過計算機完成,並可以將電子產品從電路設計、性能分析到設計出IC版圖或PCB版圖的整個過程的計算機上自動處理完成。

EDA工具在現實生活中運用極為廣泛。包括在機械、電子、通信、航空航天、化工、礦產、生物、醫學、軍事等各個領域,都有EDA的應用,例如在飛機製造過程中,從設計、性能測試及特性分析直到飛行模擬,都可能涉及到EDA技術。

用EDA技術設計電路可以分為不同的技術環節,每一個環節中必須有對應的軟體包或專用的EDA工具獨立處理。

EDA工具大致可以分為設計輸入編輯器、仿真器、HDL綜合器、適配器(或布局布線器)以及下載器等5個模塊。

據一個簡單的例子,在EDA技術中,仿真的地位非常重要,行為模型的表達、電子系統的建模、邏輯電路的驗證以及門級系統的測試,每一步都離不開仿真器的模擬檢測。

在EDA發展的初期,快速地進行電路邏輯仿真是當時的核心問題,即使在現在,各個環節的仿真仍然是整個EDA設計流程中最重要、最耗時的一個步驟。因此,仿真器的仿真速度、仿真的準確性和易用性成為衡量仿真器的重要指標。而常見的仿真器有Model Technology公司的Modelsim,Cadence公司的Verilog-XL和NC-Sim,Aldec公司的Active HDL,Synopsys公司的VCS等。

所以,EDA工具其實是一個大類,裡面包含了各種各樣的產品工具。目前整個半導體產業,貫穿而下的大致產業鏈條是:原材料(晶圓廠)——用工具設計(EDA)——設計(Fabless)——加工製造(Foundry)。

某種程度上說,EDA就如工匠手中的工具,是晶片設計方案與半導體物理世界的紐帶,失去了它,就切斷了與原材料晶圓廠之間的聯繫,晶片也就無從談起。

要知道,EDA軟體在整個全球不過區區100億美元的產值,卻主宰著全球5000億美元的全球集成電路市場,和它背後近1.5萬億美元的整個電子產業。

而對於中國而言,EDA工具可以說對中國市場的影響極大,作為全球規模最大、增速最快的中國集成電路市場規模,2018年已經達到2萬億元人民幣。一旦沒有了EDA工具,可以說中國晶片就瞬間崩盤。

EDA行業從上個世紀八九十年代的百家爭鳴發展到如今,已形成了美國的新思科技(Synopsys)、同樣是來自美國的楷登電子科技(Cadence)、2016年被德國西門子收購的明導國際(Mentor Graphics)三足鼎立之勢。據統計,2017年全球EDA行業總收入的70%都裝進了三巨頭的腰包。

而目前能涵蓋整個晶片設計和生產環節的EDA提供商只有Cadence和Synopsys,蘋果、高通,以及英特爾等晶片生產能力排名靠前的廠商都需要向這兩家公司採購軟體和服務,

中國其實發展EDA工具的時間並不算晚,上個世紀80年代,當時國內包括集成電路在內的高科技領域都受西方禁運措施的影響,發展倍受掣肘。國內為了更好發展發展集成電路產業,在1986年動員了全國17家單位,200多位專家齊聚原北京集成電路設計中心,開發我國自由的集成電路計算機輔助設計系統——熊貓系統。攻堅多年之後,國產首套EDA熊貓系統終於在1993年面世,打破了國外對中國大陸的EDA軟體封鎖,使中國成為國際上為數極少的幾個可以提供自主智慧財產權EDA工具的國家之一。

然而西方看到中國發展出了自己的EDA工具,開始放寬對中國的EDA限制,採用低價傾銷的戰略,國產EDA工具遭受重創,十幾年沒有緩過氣來。

到了21世紀初,中國開始再次意識到EDA工具的重要性,2001年中國華大集成電路設計集團有限公司EDA部門發布了九天Zeni系統並進入海外市場,2006年發布SoC時鐘分析與優化工具ClockExplorer,2008年發布時序優化工具Timing Explorer。

到了2009年,由中國華大集成電路設計集團有限公司與國投高科技投資有限公司共同投資,將華大EDA部門獨立出來,成立了華大九天,承擔著國產EDA軟體研發與推廣的重任。

在原有熊貓系統的基礎上,華大九天通過不斷努力,也取得了突破性的發展,在平板顯示(FPD)領域,是迄今全球唯一可提供全流程EDA設計解決方案的企業。針對OLED設計的新挑戰,華大九天也推出了全球唯一的全流程OLED設計解決方案,包括模型提取、異形面板版圖設計、版圖驗證、全面板電路仿真、IR drop 分析、支持柔性結構的3D電阻電容分析等。

在矽智慧財產權IP上,華大九天也是處於領跑地位。公司的高端數模混合IP核涵蓋高速接口、數模/模數轉換器、時鐘發生器、電源管理單元、音頻解碼、視頻轉換等六大類別。應用涉及無線通信、智能家居、影音娛樂、電子測量、航空航天等領域。

儘管突破了國外的技術封鎖,可是華大和EDA三大壟斷巨頭之間的差距還很大,儘管華大九天經過多年的自主研發,已經陸續向市場推出了幾十款自主智慧財產權的EDA工具軟體,其中部分產品處於國際領先水平,但是華大九天目前也只能夠提供產業所需EDA工具的1/3左右,

但是還有三分之二的EDA工具華大九天並沒有掌握,和美國相比,美國擁有培養完整的EDA從基礎研究、到應用轉化,到商業應用的全科技產業鏈條,在與工藝結合方面,新思等三大EDA公司有天然優勢,它們在新工藝開發階段就與晶圓製造廠合作,因此對工藝理解很到位,反過來可以更好地改進工具以支持先進工藝。

但是國內EDA廠商還沒有能力全面支撐產業發展,中國整個半導體生態不夠成熟,國內EDA廠商與先進工藝結合比較弱,國內EDA廠商只能在工藝開發完以後拿到部分數據,

晶片流片

然後就是優秀人才不,。據估算,國內做EDA研發的人大約有1500人,其中約有1200人在國際EDA公司的中國研發中心工作,真正為本土EDA做研發的人員,只有300人左右。

目前華大九天正在抓緊國內IC製造廠商與EDA廠商更加緊密的協同,加強國產EDA軟體的行業支撐能力。除了華大九天之外,廣立微、芯禾科技也在奮力追趕國外的EDA工具廠商。

隨著中國在半導體領域全面發力,無論是從上游的設備製造商到下游的晶圓體廠商都在奮力前行。相信在不久的未來,中國可以在半導體領域取得全面突破。


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