淺談國(guó)產(chǎn)EDA軟件開發(fā)

隨著美國(guó)對(duì)中國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)的打壓逐步升級(jí)，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(bǔ)的短板，發(fā)展國(guó)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(shí)要運(yùn)用大量半導(dǎo)體和微電子學(xué)知識(shí)，而且它的市場(chǎng)容量很有限，養(yǎng)不活大批EDA軟件公司。因此，國(guó)產(chǎn)EDA軟件的開發(fā)要科學(xué)規(guī)劃，要避免低水平競(jìng)爭(zhēng)，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(jì)社會(huì)發(fā)展和保障國(guó)家安全的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性和先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)。EDA軟件是芯片設(shè)計(jì)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(rùn)率也不高的“苦逼”行業(yè)，但從重要性角度看，它是一個(gè)“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(xué)規(guī)劃和大力支持，加快國(guó)產(chǎn)EDA軟件行業(yè)發(fā)展勢(shì)在必行。筆者從自身經(jīng)歷和對(duì)行業(yè)的觀察，淺談對(duì)國(guó)產(chǎn)EDA軟件開發(fā)的想法，并提出了6點(diǎn)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(jì)自動(dòng)化(Electronics Design Automation)軟件。它是設(shè)計(jì)集成電路(芯片)的必備工具，因此也叫 EDA工具。 設(shè)計(jì)人員在工作站上使用EDA軟件，要把數(shù)十億(甚至上百億)個(gè)晶體管、存儲(chǔ)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(fù)雜的電路，例如CPU、SOC、Flash芯片等，而且要保證設(shè)計(jì)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(jiǎn)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(jì)芯片很難，那么設(shè)計(jì)EDA軟件就更難。 可以說，沒有EDA軟件就沒有各種復(fù)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(huì)。 EDA軟件是從上世紀(jì)70年代開始，逐步從計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)、計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試(CAT)和計(jì)算機(jī)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(gè)發(fā)展階段(參考4)。 第一階段 是CAD時(shí)代(二十世紀(jì)七十到八十年代)。這個(gè)時(shí)期的CAD主要功能是交互圖形編輯，晶體管級(jí)布圖設(shè)計(jì)、布局布線、設(shè)計(jì)規(guī)則檢查，門級(jí)電路模擬和驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)化和芯片設(shè)計(jì)方法的不斷發(fā)展，推動(dòng)了EDA軟件的普及和發(fā)展。這個(gè)時(shí)期EDA軟件的特征是高級(jí)語言描述、系統(tǒng)級(jí)仿真和綜合技術(shù)、以及正向（Top Down）設(shè)計(jì)方法成為主流。 第三階段 是EDA軟件進(jìn)入系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)階段(本世紀(jì)開始)。這一時(shí)期在仿真驗(yàn)證和設(shè)計(jì)兩個(gè)層面，支持標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語言的EDA軟件的功能更加強(qiáng)大，更大規(guī)模的可編程邏輯器件不斷推出，系統(tǒng)級(jí)、行為級(jí)硬件描述語言趨于更加高效和簡(jiǎn)單，使更大規(guī)模的系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)設(shè)計(jì)成為可能。 經(jīng)過最近三十年的市場(chǎng)博弈，不斷兼并，強(qiáng)者恒強(qiáng)。全球EDA市場(chǎng)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(guó)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(jì)。今年3月12日，Synopsys推出業(yè)界首個(gè)用于芯片設(shè)計(jì)的自主AI應(yīng)用程序DSO.AI(Design Space Optimization AI)，這是電子設(shè)計(jì)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(jìn)工藝流片驗(yàn)證的數(shù)字全流程新版軟件，采用了支持機(jī)器學(xué)習(xí)（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(jì)更卓越的芯片。而Mentor的機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)OPC可以將光學(xué)鄰近效應(yīng)修正(OPC)輸出預(yù)測(cè)精度提升到納米級(jí)，同時(shí)將執(zhí)行時(shí)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(shí)候，參與了沈緒榜院士主持的部管預(yù)研課題“智能硅編譯器”(Intelligent Silicon Compiler，后文簡(jiǎn)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(jì)的芯片，如何通過計(jì)算機(jī)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(jiǎn)單地說，ISC課題研究的是芯片的全自動(dòng)設(shè)計(jì)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(jìn)和高遠(yuǎn)。目前，國(guó)外三家EDA廠商的EDA軟件還沒有實(shí)現(xiàn)ISC的理想，也就是說還不能全自動(dòng)地設(shè)計(jì)芯片。 把當(dāng)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(jí)； 2. 設(shè)計(jì)流程中的一個(gè)個(gè)軟件工具是人工組織起來的，不是ISC那樣自動(dòng)完成的； 3. 芯片設(shè)計(jì)人員不但要熟練掌握EDA軟件，更要具備豐富的芯片設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，而ISC對(duì)芯片設(shè)計(jì)人員的要求不高。 當(dāng)然，ISC是一個(gè)預(yù)研課題，是一種方法論研究。在當(dāng)時(shí)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(yùn)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(jìn)的EDA軟件還沒有實(shí)現(xiàn)ISC追求的目標(biāo)。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(jī)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(biāo)紙上芯片布圖的數(shù)字化輸入軟件。 

圖2.基于AutoCAD在微機(jī)上開發(fā)的Micro-CV系統(tǒng) 筆者算是國(guó)內(nèi)較早的IC CAD軟件開發(fā)者和系統(tǒng)應(yīng)用者。當(dāng)年七七一所購(gòu)置的國(guó)外的IC CAD系統(tǒng)，包括Computer Vision系統(tǒng)(簡(jiǎn)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(biāo)紙上芯片布圖的數(shù)字化輸入，用mSPICE軟件對(duì)器件參數(shù)進(jìn)行仿真，修改和檢查芯片布圖，全芯片的布局和布線，設(shè)計(jì)規(guī)則檢查，大型繪圖機(jī)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(jìn)步之神速。

圖3.小型機(jī)CV系統(tǒng)和阿波羅(Apollo)圖形工作站 

三、EDA軟件是個(gè)苦逼的行業(yè)

說到要發(fā)展國(guó)產(chǎn)EDA軟件，行外人士倒是信心滿滿，不就是設(shè)計(jì)個(gè)軟件嗎，但業(yè)內(nèi)人會(huì)皺皺眉頭說“EDA軟件是個(gè)苦逼的行業(yè)”。這么說是有理由的，筆者認(rèn)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)“ 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(huì)出錯(cuò)，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(jì)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(hù)只是在發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤(Bug)后，打個(gè)補(bǔ)丁或者更新一個(gè)版本。但是，EDA軟件首先不能出現(xiàn)Bug,另外隨著半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步(或者革命性變革)，EDA軟件都要隨著開發(fā)升級(jí)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(jià)格不菲。

圖4. 1cm2的芯片放大25萬倍后，可以看到在半個(gè)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(dá)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(gè)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(xué)、半導(dǎo)體和微電子學(xué)兩個(gè)領(lǐng)域之間。目前高校還沒有這樣二合一的學(xué)科設(shè)置，既要學(xué)軟件專業(yè)，又要學(xué)半導(dǎo)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(bǔ)另外一個(gè)學(xué)科的知識(shí)；也可以是兩個(gè)專業(yè)的人配合工作，各取所長(zhǎng)。筆者專業(yè)是計(jì)算機(jī)硬件兼顧軟件工程，讀研時(shí)學(xué)了超大規(guī)模集成電路和半導(dǎo)體工藝課程，所以對(duì)EDA軟件開發(fā)有一定了解。但是，如果是學(xué)半導(dǎo)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(shí)難度較大。目前EDA軟件人才緊缺，資深高級(jí)人才更缺，需要國(guó)家有計(jì)劃地在高校中定向培養(yǎng)。 3. 用戶數(shù)量非常有限，市場(chǎng)不大，EDA軟件是一個(gè)凈利潤(rùn)率不高的行業(yè)。 市場(chǎng)容量不大可以理解，中國(guó)純芯片設(shè)計(jì)公司也就1000多家，其中大多是中小企業(yè)，很難做到按需購(gòu)買正版國(guó)產(chǎn)EDA軟件。即便每家都買，假如 平均 每年每家購(gòu)買100萬元的國(guó)產(chǎn)EDA軟件（國(guó)外EDA軟件另當(dāng)別論），則國(guó)產(chǎn)EDA軟件市場(chǎng)容量為10億多元。假如每家購(gòu)買500萬元，則國(guó)產(chǎn)EDA軟件市場(chǎng)容量也僅50億元的規(guī)模。 再來看看國(guó)外三家龍頭EDA廠商的情況。根據(jù)股票市場(chǎng)的公開信息，2019年，三家EDA軟件公司的總收入合計(jì)不超過80億美元，估計(jì)全球EDA軟件市場(chǎng)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(rùn)分別為5.324億美元和9.89億美元，凈利潤(rùn)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(zhǎng)態(tài)勢(shì)，難有爆發(fā)式增長(zhǎng)的情形，凈利潤(rùn)率基本在10%～15%之間變化。所以說EDA軟件行業(yè)是一個(gè)高投入、凈利潤(rùn)率不高的行業(yè)。

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

四、EDA軟件是我國(guó)必補(bǔ)短板

去年5月16日，美國(guó)商務(wù)部以國(guó)家安全為由把華為納入實(shí)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(gòu)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(jí)，但可以維持一年半載，爭(zhēng)取時(shí)間另求生機(jī)。相比芯片和元器件斷供，EDA軟件斷供對(duì)華為的打擊更大。意味著如果沒有國(guó)外最新EDA軟件支持，華為將無法設(shè)計(jì)新的高性能芯片，包括手機(jī)芯片、服務(wù)器芯片、人工智能芯片等，原來的“備胎芯片團(tuán)隊(duì)”也將無法做事。 目前美國(guó)還沒有對(duì)中國(guó)所有芯片公司禁售EDA軟件，如果這種極端的情況發(fā)生，國(guó)內(nèi)大約1000多家純芯片設(shè)計(jì)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(guó)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(guó)產(chǎn)EDA軟件再苦再難，這個(gè)事關(guān)我們信息技術(shù)(IT)產(chǎn)業(yè)安危的短板必須補(bǔ)上。 目前，國(guó)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(guó)外先進(jìn)EDA軟件相提并論?，F(xiàn)實(shí)情況是， 1. 國(guó)產(chǎn)EDA軟件在特定功能上有特點(diǎn)和特色，應(yīng)用于某些小眾場(chǎng)合沒有問題，(這也是他們面對(duì)國(guó)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(guó)外先進(jìn)EDA軟件可用情況下，國(guó)產(chǎn)EDA軟件認(rèn)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(jìng)爭(zhēng)力提升無法完成，制約了國(guó)產(chǎn)EDA軟件的成熟。所以有個(gè)奇怪的說法，國(guó)外EDA軟件禁止之時(shí)將是國(guó)產(chǎn)EDA軟件行業(yè)的春天。 3. EDA軟件人才緊缺，需要國(guó)家有計(jì)劃地定向培養(yǎng)。 

五、發(fā)展國(guó)產(chǎn)EDA軟件的建議

根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)外EDA軟件行業(yè)的了解，結(jié)合我們芯片產(chǎn)業(yè)補(bǔ)短板、強(qiáng)弱項(xiàng)的實(shí)際情況，筆者對(duì)發(fā)展國(guó)產(chǎn)EDA軟件有一些粗淺的想法，并高度關(guān)注4個(gè)問題。難度較大，要正確面對(duì)；避免無序，要頂層設(shè)計(jì)；配合重要，要規(guī)范當(dāng)先；市場(chǎng)有限，要避免盲從。以下是筆者對(duì)發(fā)展國(guó)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(jī)構(gòu)牽頭，由國(guó)內(nèi)龍頭EDA企業(yè)、晶圓廠、高校和研究機(jī)構(gòu)、重點(diǎn)IC設(shè)計(jì)企業(yè)組成的“國(guó)家EDA軟件開發(fā)產(chǎn)學(xué)研聯(lián)盟”，共商良策，共促國(guó)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(guó)產(chǎn)EDA軟件為基礎(chǔ)，制定國(guó)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(jìng)爭(zhēng)等情況發(fā)生，避免造成寶貴的時(shí)間和資源浪費(fèi)。 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(tái)和云平臺(tái)的國(guó)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(shí)研發(fā)兩個(gè)版本的EDA軟件。目前國(guó)外EDA軟件還未普及云上模式。國(guó)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(guó)產(chǎn)EDA軟件普及。 4. 應(yīng)用AI技術(shù)： 在構(gòu)建國(guó)產(chǎn)EDA軟件總體架構(gòu)時(shí)，要把人工智能(AI)技術(shù)的應(yīng)用放在重要位置。否則，我們?cè)谄瘘c(diǎn)就已落后于國(guó)外EDA軟件了。 5. 認(rèn)領(lǐng)開發(fā)： EDA軟件的功能模塊可由龍頭EDA軟件企業(yè)認(rèn)領(lǐng)開發(fā)、懸賞揭榜開發(fā)，政府給予大力資助。一個(gè)功能模塊可由1～3家EDA軟件企業(yè)承擔(dān)，可冠名自己的品牌，進(jìn)行市場(chǎng)自由競(jìng)爭(zhēng)。政府動(dòng)態(tài)監(jiān)管和支持，優(yōu)勝劣汰。 6. 推廣平臺(tái)： 適時(shí)依托國(guó)家IC基地，在全國(guó)布局成立國(guó)產(chǎn)EDA軟件推廣平臺(tái)，政府大力支持國(guó)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(zhǎng)期的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)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(jìn)步而不斷投入升級(jí)研發(fā)。所以，EDA軟件行業(yè)是個(gè)十分艱苦的行業(yè)。同時(shí)，EDA軟件市場(chǎng)十分有限，凈利潤(rùn)率也不高，不能養(yǎng)活太多公司。所以，EDA軟件雖然處在補(bǔ)短板、強(qiáng)弱項(xiàng)的風(fēng)口上，還請(qǐng)那些沒有思想準(zhǔn)備、準(zhǔn)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(jī)會(huì)留給那些對(duì)EDA行業(yè)有深刻了解，有技術(shù)積累，有報(bào)國(guó)情懷的企業(yè)家們，讓他們的資金投入和辛勤勞動(dòng)獲得更多回報(bào)，讓國(guó)產(chǎn)EDA軟件的短板補(bǔ)齊，支持芯片行業(yè)健康發(fā)展。 

參考資料 ： 

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

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

3. 李嚴(yán)峰，再談本土EDA競(jìng)爭(zhēng)力順便聊聊DTCO在中國(guó)落地，微信公眾號(hào)【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(huì)超越三大巨頭壟斷芯片EDA設(shè)計(jì)工具嗎？微信公眾 號(hào)【網(wǎng) 絡(luò)交換FPGA】，2020.4.28

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