目前，電子設計自動化(Electronics Design Automation EDA)市場規模隻占半導體市場的2%，但是通過(guò)EDA設計并制造出的集成(chéng)電路年産值達到近5000億美元。那麼(me)EDA在産業鏈的作用是什麼(me)?國(guó)内EDA的發(fā)展狀況和行業趨勢是怎樣的?
EDA在集成(chéng)電路産業鏈中舉足輕重
EDA最近被媒體冠以“芯片之母”的稱号，其産業鏈的重要性可見一斑。然而EDA今日的地位并非一日鑄就，是随着時間推移而成(chéng)就的。
回顧EDA的發(fā)展曆史。EDA從20紀70年代誕生，當時主要以PCB自動化設計爲主，集成(chéng)電路的自動化設計并不流行。此時的摩爾定律剛剛起(qǐ)步，一塊芯片上隻有幾千個晶體管，可以通過(guò)人力手工設計，加上那時的計算機技術并不發(fā)達，個人電腦和中小型服務器并不普及，EDA的發(fā)展比較緩慢，導緻此時EDA在産業鏈上起(qǐ)到的隻是基本的輔助作用。
進(jìn)入本世紀之後(hòu)，一方面(miàn)，三家大EDA公司(Synopsys、Cadence、Mentor)通過(guò)多次并購整合，完善設計全流程，奠定了三巨頭競争格局。另一方面(miàn)，EDA公司開(kāi)始深入制造領域，發(fā)展出了OPC等制造EDA的工具以及可制造性設計(DFM)工具。同時，晶圓廠成(chéng)爲了EDA的深度用戶，不僅在制造方面(miàn)需要使用EDA工具，在标準單元庫、SRAM設計上都(dōu)需要使用。此外，領先晶圓廠每兩(liǎng)年開(kāi)發(fā)一代工藝，其中EDA的整套設計流程需要在新工藝上驗證。EDA也開(kāi)始在早期工藝研發(fā)中介入，幫助解決更複雜的設計規則以及種(zhǒng)種(zhǒng)難題。晶圓廠提供的Signoff簽核流程決定了設計公司設計出的芯片能(néng)否在晶圓制造廠順利生産。而Signoff簽核的主要工具就是EDA，可以說EDA是架起(qǐ)了設計與制造溝通的橋梁。同時，先進(jìn)工藝不斷叠代也驅動了EDA的創新。可見，此時此刻EDA在産業鏈已經(jīng)有着舉足輕重的作用。
如今的集成(chéng)電路，從系統架構開(kāi)始，落實到功能(néng)的定義和實現，最終實現整個芯片的版圖設計與驗證，是一項複雜的系統工程，集成(chéng)了人類智慧的最高成(chéng)果。以華爲最新的7nm麒麟990芯片來說，其中集成(chéng)了103億顆晶體管，若沒(méi)有EDA，設計這(zhè)樣複雜的電路并保證良率是無法想象的。可見EDA賦能(néng)了集成(chéng)電路設計與制造的創新，當之無愧的站在了産業鏈的頂端。
發(fā)展具有特色的EDA産品
目前，中國(guó)的集成(chéng)電路制造工藝落後(hòu)于世界領先水平，無法爲國(guó)内EDA提供更多創新和發(fā)展空間。此外，人才是可持續發(fā)展的主要動力之一，然而，國(guó)内EDA人才較少，導緻目前國(guó)内EDA公司從業人員不足千人，缺乏統籌規劃，也使得我國(guó)EDA發(fā)展相對(duì)落後(hòu)。反觀國(guó)外領先EDA公司通過(guò)内生發(fā)展和收購整合，以及跨國(guó)公司的優勢在全球範圍内網羅優秀人才。
即便是生存環境不利的情況下，國(guó)内EDA産業仍然發(fā)展出了具有特色的産品，并取得了一定的成(chéng)績。比如華大九天在模拟和面(miàn)闆領域的設計、概倫(博達微)在SPICE參數提取和存儲器仿真、廣立微在工藝研發(fā)早期良率測試與提升，以及國(guó)微集團在數字設計上的突破等。另外，相對(duì)冷門的産業也迎來了一些突破，例如全芯智造作爲初創公司選擇了相對(duì)冷門的制造EDA并取得了一定成(chéng)就。然而，目前國(guó)内EDA公司仍然沒(méi)有覆蓋設計全流程，主要難點在于EDA細分市場規模最大的數字設計和驗證。
EDA迎來曆史性發(fā)展機遇
目前，EDA在國(guó)際市場上已經(jīng)發(fā)展成(chéng)爲了相對(duì)成(chéng)熟的産業，而每年增長(cháng)率隻有10%左右。但這(zhè)并不代表日後(hòu)發(fā)展的機會在變小。在未來，EDA的發(fā)展趨勢有三個方面(miàn)：
第一，AI賦能(néng)。人工智能(néng)在EDA行業的起(qǐ)步并不晚，早在本世紀早期，EDA公司就開(kāi)始利用機器學(xué)習算法進(jìn)行輔助建模等工作。随着人工智能(néng)的蓬勃發(fā)展，人們對(duì)芯片無人設計産業有了更大的信心。例如，Google通過(guò)AI在數字電路布局布線上取得了一定進(jìn)展，有希望通過(guò)機器學(xué)習自動生成(chéng)芯片設計的方法，甚至可以應用“compiler”算法在源頭直接産生RTL，進(jìn)而完成(chéng)RTL到GDS的全流程自動化設計。從制造的角度來看，應用人工智能(néng)進(jìn)行器件建模、OPC建模、圖像識别、良率分析近期也將(jiāng)能(néng)實現。可見，AI賦能(néng)從點到面(miàn)，新的芯片設計方法即將(jiāng)誕生。
第二，EDA上雲。雲計算作爲互聯網發(fā)展最快的領域之一，目前已經(jīng)實現了設計EDA上雲，此外，國(guó)際領先的設計公司和制造廠都(dōu)在雲計算上進(jìn)行了諸多嘗試。然而，若想實現全面(miàn)推廣，商業模式需要轉變，將(jiāng)原有的EDA按授權期限收費的模式，轉變爲按需、按使用時間、按使用數據量等新思路收費。
第三，異構集成(chéng)。這(zhè)是指將(jiāng)分别制造的元件用封裝等形式集成(chéng)到更高的層次，提供更強的功能(néng)和性能(néng)。在過(guò)去的五年中，2.5D/3D先進(jìn)封裝取得了關鍵的進(jìn)展，尤其在GPU芯片與DRAM的集成(chéng)上，以及FPGA的集成(chéng)上。其中EDA可幫助進(jìn)行多界面(miàn)物理的分析，如電性、磁性、機械、光學(xué)等不同模型的建立和界面(miàn)之間模型的轉換，還(hái)包括熱分析、可靠性分析等。此外，EDA還(hái)可在芯片設計早期進(jìn)行系統集成(chéng)，建立從裸片-封裝-PCB-系統的閉環建模和分析流程。此外，未來異構集成(chéng)技術的進(jìn)一步發(fā)展需要EDA公司與産業鏈的緊密合作，爲異構集成(chéng)提供整個系統的設計和驗證工具，确保高良率和高可靠性。
此外，雖然目前國(guó)内EDA發(fā)展的土壤依然薄弱，技術短闆多，人才緊缺，但是随着EDA産業逐步受到重視，也迎來了曆史性的發(fā)展機遇。但是這(zhè)其中需要政策、資本、制造業以及産業鏈形成(chéng)合力，幫助原本薄弱的EDA行業能(néng)夠快速發(fā)展。
對(duì)于EDA公司自身而言，想做到發(fā)展，首先要樹立戰略冗餘的觀念，即在電路上增加冗餘電路，保證整個芯片不受到部分電路失效的影響，從而保證正常工作以及良率。此外，EDA公司在考慮商業和市場價值的同時，也要勇于做“冗餘”補短闆，可從産業鏈上的某個細分領域做起(qǐ)。其次，在細分領域要做到“一招鮮”，努力成(chéng)爲全球産業鏈中密不可分的一部分。最後(hòu)，追求創新求變，積極布局下一代EDA。此創新除了技術創新，還(hái)可以是流程創新、商業模式創新、跨界創新等。比如人工智能(néng)技術的發(fā)展、先進(jìn)工藝研發(fā)流程的叠代等都(dōu)爲布局下一代EDA提供了契機。同時這(zhè)也需要有領軍人才，能(néng)夠敏銳洞察技術發(fā)展趨勢、擺脫束縛、突破創新。
目前，以AI與5G爲首的“新基建”呼之欲出，國(guó)内集成(chéng)電路投資發(fā)展如火如荼，EDA産業迎來風口。同時，EDA企業需要在有全局眼光的基礎上，放下身段，苦練内功，抓住曆史機遇，爲半導體事(shì)業做出更大貢獻。