锦素浅谈国产EDA软件开发.docx

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1、浅谈国产EDA软件开发摘要：随着美国对中国芯片产业的打压逐步升级，卡脖子由芯片向着核心技术延伸，大家 发现EDA软件也是要补的短板，发展国产EDA软件的呼声很高。EDA软件虽然也是一种 软件，但开发时要运用大量半导体和微电子学知识，而且它的市场容量很有限，养不活大 批EDA软件公司。因此，国产EDA软件的开发要科学规划，要避免低水平竞争，避免蜂 拥而上。集成电路(芯片)产业是信息技术产业的核心，是支撑经济社会发展和保障国家安 全的战略性、基础性和先导性产业CEDA软件是芯片设计的必备工具，因而是芯片产业的 重要基石之一。虽然从商业角度看，EDA软件是研发难度大、要持续不断更新和投入、净 利润率

2、也不高的“苦逼”行业，但从重要性角度看，它是一个“极其重要”的行业，可以 说是重中之重，需要政府高度重视、科学规划和大力支持，加快国产EDA软件行业发展势 在必行。笔者从自身经历和对行业的观察，浅谈对国产EDA软件开发的想法，并提出了 6 点发展建议C 、揭开EDA软件的神秘面纱EDA软件就是电子设计自动化(EIeCtrOniCS DeSignAUIomation)软件。它是设计芯片的必备工具，因此也叫EDA工具。设计人员在工 作站上使用EDA软件，要把数十亿(甚至上百亿)个晶体管、存储单元、电阻、电容等安排 在ICm2不到的硅片面积上，并连接成极其复杂的电路，例如CPU、SOCs FlaSh

3、芯片等， 而且要保证设计万无一失后，才能送到制造厂去加工。EDA软件的任务流程一般包括：1. 硬件描述语言(HDL)输入；2.逻辑编译、简化和分割；3.电路综合、优化、布局和布线；4. 电路仿真模拟；5.生成制造数据C如果说设计芯片很难，那么设计EDA软件就更难可以 说，没有EDA软件就没有各种复杂芯片，就没有各式各样的智能设备，因而就没有了我们 今天的工业信息化、通信便利化、生活智能化的社会。EDA软件是从上世纪70年代开 始，逐步从计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助测试(CAT)和计算 机辅助工程(CAE)等技术演变而来，已有50多年的发展史C它大致经历了三个发

4、展阶段(参 考4)0第一阶段是CAD时代(二十世纪七十到八十年代)。这个时期的CAD主要功能是交互 图形编辑，晶体管级布图设计、布局布线、设计规则检查，门级电路模拟和验证等。第二 阶段是EDA软件走向商业化(九十年代)。这一阶段，硬件描述语言VHDL和VerilOg产生 了，这为EDA软件的商业化打下良好的基础。随着硬件描述语言的标准化和芯片设计方法 的不断发展，推动了 EDA软件的普及和发展。这个时期EDA软件的特征是高级语言描 述、系统级仿真和综合技术、以及正向(TOPDOWn)设计方法成为主流。第三阶段是EDA 软件进入系统级设计阶段(本世纪开始)。这一时期在仿真验证和设计两个层面，支持

5、标准 硬件描述语言的EDA软件的功能更加强大，更大规模的可编程逻辑器件不断推出，系统 级、行为级硬件描述语言趋于更加高效和简单，使更大规模的系统级芯片(SoC)设计成为可 能C经过最近三十年的市场博弈，不断兼并，强者恒强C全球EDA市场仍然由Synopsys、Cadence和Mentor三家EDA厂商所垄断，大的格局并没有变化。图1.全球最大的三家EDA软件供应商2018年可以看作人工智能(AI)的元年，国际著名EDA厂商已经开始研发具有Al功能的 EDA软件，试图在EDA软件中应用Al算法赋能芯片设计。今年3月12日，Synopsys推 出业界首个用于芯片设计的自主Al应用程序DSc).AI

6、(Design Space Optimization Al),这是 电子设计技术上所取得的重大突破C 3月18日，CadenCe发布了经过数百次先进工艺流片 验证的数字全流程新版软件，采用了支持机器学习(ML)功能的布局布线和物理优化引 擎，吞吐量最高提升3倍，功率、性能和面积(PPA)最高提升20%,助力设计更卓越的芯 片。而Mentor的机器学习(ML)OPC可以将光学邻近效应修正(OPC)输出预测精度提升到纳 米级，同时将执行时间缩短3倍（参考5）。二、笔者的EDA软件开发旧事笔者80年代在航 天部七七一所读研的时候，参与了沈绪榜院士主持的部管预研课题“智能硅编译器” （Intellig

7、ent Silicon Compiler,后文简称：ISC）的研究C课题内容是研究如何用自然语言描述 要设计的芯片，如何通过计算机把芯片描述一步步编译，最后生成制造芯片所需的芯片布 图（LayoUt）数据。简单地说，ISC课题研究的是芯片的全自动设计方法，这是EDA的最高境 界。即便今天看来，ISC的理想也是非常先进和高远。目前，国外三家EDA厂商的EDA软 件还没有实现ISC的理想，也就是说还不能全自动地设计芯片。把当前EDA软件与ISC的 理想相比较的话，差别在于：L硬件描述语言（HDL）比自然语言低级；2.设计流程中的一 个个软件工具是人工组织起来的，不是ISC那样自动完成的；3.芯片设

8、计人员不但要熟练 掌握EDA软件，更要具备丰富的芯片设计经验，而ISC对芯片设计人员的要求不高。当 然，ISC是一个预研课题，是一种方法论研究。在当时电脑配置极其低下（显示分辨率 640X480s主频4Mhz、内存128KB、硬盘20MB）的条件下，ISC是无法真正开发出来并商 业化运用。40年后的今天，在电脑配置极其豪华的条件下，全球最先进的EDA软件还没 有实现ISC追求的目标。笔者研究生论文的工作集中在ISC的组成结构、专家库系统、布 图描述语言、人机图形接口等方面，并完成了芯片布图的CIF格式和GDSIl格式的互转软件，基于AutoCAD系统开发了坐标纸上芯片布图的数字化输入软件。图2

9、.基于AutoCAD在微机上开发的Micro-CV系统笔者算是国内较早的IC CAD软件开发者和系统 应用者。当年七七一所购置的国外的IC CAD系统，包括Computer Vision系统（简称：CV 系统）和阿波罗（APolIo）图形工作站。它们的主要功能是:坐标纸上芯片布图的数字化输入， 用mSPICE软件对器件参数进行仿真，修改和检查芯片布图，全芯片的布局和布线，设计 规则检查，大型绘图机绘制芯片布图等。90年代初期在深圳使用过Tanner公司的芯片布 图编辑软件L-EDIT,已感受到EDA软件进步之神速。图3.小型机CV系统和阿波罗（APOlIO）图形工作站三、EDA软件是个苦逼的行

10、业说到要发展国产EDA软件，行外人士倒是信心满满，不就是 设计个软件吗，但业内人会皱皱眉头说“EDA软件是个苦逼的行业”。这么说是有理由 的，笔者认为有以下几方面的原因。1.EDA软件开发很难，并且需要不断更新开发，不断 研发投入，是一个持续“高度烧脑”的行业。EDA软件要处理数十亿（甚至上百亿）个电路 元件，并把它们连接成理想功能的芯片。处理和连接的难度犹如把面积仅ICm2的芯片放大 25万倍后，看到在半个深圳湾高新区的面积上，用最窄5毫米的线条（多晶硅、氧化层、 外延层、离子注入区、上下层过孔、铝连线等）纵横交织构成一个“电路森林，这种纵横 交织有10 20层之多。EDA软件既要保证这种处

11、理、连接、纵横交织完全不会出错，又 要满足电路参数、速度、功能、面积、功耗等约束条件。所以，由事难想到做事的工具之 难，设计EDA软件的难度可想而知。另外，一般软件开发完成后，基本可以定型并大量销 售,未来的维护只是在发现错误（BUg）后，打个补丁或者更新一个版本。但是，EDA软件首 先不能出现Bug,另外随着半导体工艺的进步（或者革命性变革），EDA软件都要随着开发升 级版本（或者革命性新版本），并且它的销售数量非常有限。因此，大的研发投入和较少的 销售数量，决定了 EDA软件价格不菲。图4. Icm2的芯片放大25万倍后，可以看到在半个深圳湾高新区的面积上，布满了最 窄5毫米的线条纵横交织

12、构成的“电路森林”，纵向堆叠多达10 20层之多。2.人才培养难度较大，人才紧缺，薪水较高，EDA软件是一个真正的高技术行业。EDA软 件开发不同于一般软件开发，它交叉在软件工程学、半导体和微电子学两个领域之间。目 前高校还没有这样二合一的学科设置，既要学软件专业，又要学半导体和微电子专业。目 前从业者可以是工作中半路转行，恶补另外一个学科的知识；也可以是两个专业的人配合 工作，各取所长。笔者专业是计算机硬件兼顾软件工程，读研时学了超大规模集成电路和 半导体工艺课程，所以对EDA软件开发有一定了解。但是，如果是学半导体和微电子专业 的人，工作中转向从事EDA软件编程，要掌握软件工程的知识难度较

13、大。目前EDA软件 人才紧缺，资深高级人才更缺，需要国家有计划地在高校中定向培养。3.用户数量非常有 限，市场不大，EDA软件是一个净利润率不高的行业。市场容量不大可以理解，中国纯芯 片设计公司也就Iooo多家，其中大多是中小企业，很难做到按需购买正版国产EDA软 件。即便每家都买，假如平均每年每家购买Ioo万元的国产EDA软件（国外EDA软件另 当别论）,则国产EDA软件市场容量为10亿多元。假如每家购买500万元，则国产EDA 软件市场容量也仅50亿元的规模。再来看看国外三家龙头EDA厂商的情况。根据股票市 场的公开信息，2019年，三家EDA软件公司的总收入合计不超过80亿美元，估计全球

14、 EDA软件市场规模不超过100亿美元。2019年Synopsys和Cadence的总收入分别是 33.61亿美元和23.36亿美元，净利润分别为5.324亿美元和4.35亿美元（年报数据9.89 亿美元剔除第4季度增加的5.54亿美元预提所得税），净利润率分别是15.8%和18.6%0从 历年的情况可以看出，EDA软件行业的发展呈现小幅平稳增长态势，难有爆发式增长的情 形，净利润率基本在10% 18%之间变化。所以说EDA软件行业是一个高投入、净利润率 较平稳的行业。图5.Synopsys和Cadence近5年的净利润率变化情况（来源：根据公开资料整 理）四、EDA软件是我国必补短板去年5月

15、16日，美国商务部以国家安全为由把华为纳 入实体清单。过后Synopsys. Cadence和Mentor三家EDA软件厂商相继宣布与华为终止 合作。很佩服华为具有先见之明，之前已购买了部分EDA软件的永久许可（LiCence）,今后 虽然得不到原厂技术支持和最新升级，但可以维持一年半载，争取时间另求生机。相比芯 片和元器件断供，EDA软件断供对华为的打击更大。意味着如果没有国外最新EDA软件支 持，华为将无法设计新的高性能芯片，包括手机芯片、服务器芯片、人工智能芯片等，原 来的“备胎芯片团队”也将无法做事。目前美国还没有对中国所有芯片公司禁售EDA软 件，如果这种极端的情况发生，国内大约IO

16、OO多家纯芯片设计公司将无法正常开展业 务。EDA软件、设备、原材料和工艺技术是“卡”在我们芯片产业“脖子”上的四只手。 正如美国警察肖万非法“锁喉”弗洛伊德一样，任何一只手发力都让我们的芯片产业“无 法呼吸因此，发展国产EDA软件再苦再难，这个事关我们信息技术（IT）产业安危的短 板必须补上。目前，国内EDA软件厂商有华大九天、广立微、概伦电子、芯禾科技等近十 家公司，并且近几年都加大了研发投入，但还难以与国外先进EDA软件相提并论C现实情 况是，1.国产EDA软件在特定功能上有特点和特色，应用于某些小众场合没有问题，（这也 是他们面对国外EDA三巨头的生存之道）。但是能形成全流程大范围应用的产品较少。2.有 国外先进EDA软件可用情况下，国产EDA软件认可度很低，从研发、使用、反馈、提升 的“正反馈”链条难以形成，产品快速迭代和竞争力提升无法完成，制约了国产EDA软件 的成熟。所以有个奇怪的说法，国外EDA软件禁止之时将是国产EDA软件行业的春天。 3.EDA软件人才紧缺，需要国家有计划地定向培养。五、发展国产EDA软