從EDA根基SPICE出發(fā)｜巨霖科技通用仿真平臺，提供高精度的多物理場仿真能力

SPICE的誕生源于20世紀(jì)60年代末至70年代初加州大學(xué)伯克利分校的一個(gè)學(xué)生項(xiàng)目。最初，這個(gè)項(xiàng)目由教授羅納德·羅勒（Ronald Rohrer）在“電路綜合”課程中啟動，并命名為CANCER（Computer Analysis of Nonlinear Circuits, Excluding Radiation）。后來，學(xué)生拉里·內(nèi)格爾（Larry Nagel）對其進(jìn)行了優(yōu)化，并于1973年正式發(fā)布了改進(jìn)版本，命名為SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）。

SPICE基于節(jié)點(diǎn)分析法和非線性方程求解算法，首次實(shí)現(xiàn)了對電路中模擬信號的精準(zhǔn)仿真，為工程師提供一種高效的電路行為模擬方法。憑借著開源特性，SPICE迅速成為電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域的標(biāo)桿，為EDA（電子設(shè)計(jì)自動化）奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，也開啟了芯片設(shè)計(jì)從實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證向數(shù)字仿真的革命性轉(zhuǎn)變，使現(xiàn)代集成電路設(shè)計(jì)成為可能。

作為第一個(gè)廣泛應(yīng)用的通用電路仿真工具，SPICE被稱為EDA的起源和根基。通過支持模擬電路的功能驗(yàn)證、性能優(yōu)化和故障分析，SPICE成為EDA工具鏈中最基礎(chǔ)且關(guān)鍵的一環(huán)。

時(shí)至今日，隨著More Than Moore技術(shù)的不斷創(chuàng)新，芯片設(shè)計(jì)對仿真的要求也在不斷提高?，F(xiàn)代EDA SPICE工具已經(jīng)從傳統(tǒng)的電路仿真擴(kuò)展到多物理場、射頻和熱仿真等高級功能，為復(fù)雜芯片設(shè)計(jì)提供了更加全面的支持。

中國芯片設(shè)計(jì)在這方面的需求更加迫切。由于受限于高端工藝制程的供應(yīng)，中國芯片設(shè)計(jì)必須更多地從More Than Moore的角度尋求突破。因此，中國急需一款具備多物理場仿真能力，并能夠?qū)?biāo)國際一流工具（如HSPICE和Spectre）的高品質(zhì)TRUE-SPICE產(chǎn)品。

巨霖科技扛起了這面大旗，通過USP高精度通用EDA平臺，為行業(yè)提供了高速信號完整性仿真、板級低速信號批量仿真、通用電路設(shè)計(jì)和仿真解決方案，成功填補(bǔ)了國內(nèi)EDA行業(yè)在該領(lǐng)域的空白。

在近日舉辦的ICCAD-Expo 2024上，我們有幸采訪到了巨霖科技創(chuàng)始人兼董事長孫家鑫。他分享了對國產(chǎn)EDA行業(yè)及芯片設(shè)計(jì)前景的見解。

“巨霖沒有去做誰的apple to apple的replacement，那是沒意義的。”孫家鑫表示，巨霖科技工具的仿真能力對標(biāo)國際一流水準(zhǔn)，專注于面向行業(yè)前沿問題提供解決方案。“巨霖是致力于解決下一代技術(shù)問題的EDA公司，比如5G、6G所面臨的挑戰(zhàn)。目前，我們的產(chǎn)品已經(jīng)在華為以及其他頭部企業(yè)實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模使用?！?

聚焦高速信號完整性和系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化，巨霖科技破解高性能芯片設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

盡管中國是芯片設(shè)計(jì)大國，卻并非強(qiáng)國，但在系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域（如5G、6G）已走在世界前列。因此，巨霖聚焦于面向下一代技術(shù)的問題，例如超高速、高性能SerDes和DDR5的信號完整性分析，這是當(dāng)前行業(yè)的空白領(lǐng)域。

SPICE工具的開發(fā)是跨學(xué)科的綜合性挑戰(zhàn)，涉及物理、電子、計(jì)算機(jī)、軟件和數(shù)學(xué)算法等多個(gè)領(lǐng)域，需要從科學(xué)研究到技術(shù)工程再到市場需求的全鏈條整合。孫家鑫坦言，SPICE的開發(fā)周期極長，僅基礎(chǔ)積累就需要十年以上的時(shí)間，這也是其研發(fā)難度高的原因之一。

據(jù)悉，TJSPICE是巨霖科技推出的高精度電路仿真引擎，旨在為中國半導(dǎo)體行業(yè)提供一款能夠?qū)?biāo)HSPICE和Spectre的“TRUE-SPICE”產(chǎn)品。作為SPICE技術(shù)的繼承和創(chuàng)新，TJSPICE被客戶評價(jià)為“亞洲和歐洲最好的SPICE引擎”，其產(chǎn)品精度已成為行業(yè)標(biāo)桿。通過支持Verilog-AMS模型、緊湊型建模以及豐富的仿真功能，TJSPICE在信號完整性分析、IP驗(yàn)證和射頻分析領(lǐng)域表現(xiàn)出色，能夠滿足從芯片設(shè)計(jì)到系統(tǒng)優(yōu)化的多元需求。

TJSPICE提供了四大核心功能模塊，包括支持多物理場仿真的Verilog-AMS建模、適用于高速電路設(shè)計(jì)的信號完整性分析、保障IP模塊可靠性的IP驗(yàn)證功能，以及涵蓋S參數(shù)分析和包絡(luò)分析的豐富射頻分析功能。它可廣泛應(yīng)用于如DDR5/6和高頻射頻模塊的設(shè)計(jì)優(yōu)化，解決了高端EDA工具在國內(nèi)市場的技術(shù)空白，為芯片設(shè)計(jì)提供了更高效、更精準(zhǔn)的仿真支持。

TJSPICE的精度優(yōu)勢，為巨霖科技奠定了基礎(chǔ)。然而，僅僅具備電路仿真的高精度并不足以解決高速信號傳輸面臨的全局挑戰(zhàn)。為了進(jìn)一步滿足5G、6G等下一代技術(shù)場景的復(fù)雜需求，巨霖科技推出了SIDesigner——一款基于TJSPICE內(nèi)核，專注于高速信號完整性（SI）分析的綜合解決方案，提供從PCB級到芯片封裝級的完整仿真能力，覆蓋電路傳輸線建模、信號眼圖分析、統(tǒng)計(jì)仿真和瞬態(tài)仿真等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

基于TRUE-SPICE引擎，SIDesigner提供Golden級別精度的仿真結(jié)果，與測量數(shù)據(jù)匹配誤差極小。在DDR5統(tǒng)計(jì)眼圖仿真方面，SIDesigner速率高達(dá)6.4Gbps，顯著優(yōu)于行業(yè)內(nèi)同類工具。同時(shí)，SIDesigner集成了豐富的功能模塊：包括PCIe 4/5、DDR4/5、CXL等多種串行和并行接口支持；兼容IBIS4、Verilog-AMS等模型，同時(shí)支持多物理場建模； 提供快速的低速SI后仿，提升仿真效率達(dá)10倍以上。

在談到3D IC的時(shí)候，孫總指出了這些高性能芯片設(shè)計(jì)面臨四大核心挑戰(zhàn)：材料的可靠性、應(yīng)力翹邊、信號相關(guān)性和熱管理問題。其中，材料的復(fù)雜互連結(jié)構(gòu)可能因單點(diǎn)失效而導(dǎo)致整體系統(tǒng)失效；應(yīng)力翹邊會影響芯片的制造良率和性能一致性；高速信號傳輸中的干擾和失真問題直接威脅信號完整性；而高功耗帶來的散熱問題則對芯片的可靠運(yùn)行提出了更高要求。而巨霖科技在這些關(guān)鍵領(lǐng)域都提供了重要技術(shù)支持，尤其是在信號完整性和材料可靠性方面，通過先進(jìn)的仿真和優(yōu)化技術(shù)，幫助客戶解決高速信號傳輸和通信關(guān)聯(lián)性問題，為AI和HPC芯片設(shè)計(jì)的效率和可靠性提供堅(jiān)實(shí)保障。

國產(chǎn)EDA的破局之路：技術(shù)創(chuàng)新、價(jià)值錨定與市場牽引

國產(chǎn)EDA行業(yè)正在迎來一個(gè)至關(guān)重要的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。在全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)競爭加劇的背景下，EDA作為芯片設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的核心工具，其技術(shù)水平直接決定了半導(dǎo)體行業(yè)的創(chuàng)新能力。然而，長期以來，EDA市場被幾家國際巨頭壟斷，國內(nèi)EDA行業(yè)雖發(fā)展迅速，但整體生態(tài)仍不夠成熟，亟需從技術(shù)積累、產(chǎn)品競爭力和市場接受度等多方面實(shí)現(xiàn)突破。

從行業(yè)發(fā)展的視角來看，EDA的技術(shù)本質(zhì)是服務(wù)于芯片設(shè)計(jì)、系統(tǒng)優(yōu)化以及制造流程的全鏈條。國際巨頭如Synopsys、Cadence和Mentor（現(xiàn)隸屬于西門子）已構(gòu)建了完整的工具鏈，涵蓋邏輯綜合、時(shí)序分析、信號完整性、熱仿真等多個(gè)細(xì)分領(lǐng)域。這些巨頭通過長時(shí)間的技術(shù)積累和跨領(lǐng)域并購，形成了極高的技術(shù)壁壘。而在中國，EDA行業(yè)則呈現(xiàn)出“百花齊放”的特點(diǎn)，企業(yè)在不同點(diǎn)工具領(lǐng)域探索各自的優(yōu)勢，但距離形成全鏈條的自主EDA生態(tài)仍有較大差距。

孫家鑫對此指出，“今天我們談行業(yè)并購整合，還為時(shí)尚早?！彼J(rèn)為，國內(nèi)EDA企業(yè)目前最重要的任務(wù)，是通過技術(shù)創(chuàng)新和深耕細(xì)分領(lǐng)域，在全球范圍內(nèi)打造出具備競爭力的代表性產(chǎn)品。例如，巨霖科技專注于信號完整性和高速仿真領(lǐng)域，通過Golden級別的精度解決了高速信號（如112Gbps、224Gbps）傳輸中的穩(wěn)定性問題，并成功服務(wù)于5G、6G等前沿技術(shù)應(yīng)用場景。

信號完整性并不是唯一的技術(shù)瓶頸。隨著芯片設(shè)計(jì)復(fù)雜度的不斷提高，行業(yè)還面臨多重挑戰(zhàn)：從工藝制程對仿真精度的極高要求，到光電融合和電源完整性（PI）問題的涌現(xiàn)，都需要EDA工具提供全新的技術(shù)支持。與此同時(shí)，隨著Chiplet（小芯片）技術(shù)的發(fā)展，2.5D、3D封裝成為提 升芯片性能的重要方向，這對EDA工具提出了更高的系統(tǒng)級協(xié)同設(shè)計(jì)要求。孫家鑫認(rèn)為，在國內(nèi)芯片制造先進(jìn)制程受限的前提下，當(dāng)國產(chǎn)芯片性能無法達(dá)到與5nm或3nm芯片匹敵時(shí)，可以從系統(tǒng)層面入手，比如采用2.5D、3D封裝技術(shù)；但是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，就不得不做出一些系統(tǒng)上的其他犧牲來達(dá)到產(chǎn)品的性能要求。而國產(chǎn)EDA的突破點(diǎn)就在于抓住這些技術(shù)趨勢，巨霖科技能夠做的，就是在112或者224個(gè)Gbps高速信號時(shí)，還能確?？蛻舻南到y(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

從市場需求的角度來看，中國的半導(dǎo)體行業(yè)在全球市場中具有獨(dú)特的地位。一方面，國內(nèi)IC設(shè)計(jì)公司的增速雖有所放緩，但龐大的市場需求為技術(shù)迭代提供了充足空間；另一方面，中美貿(mào)易摩擦加劇了技術(shù)封鎖，也進(jìn)一步凸顯了國產(chǎn)EDA自主可控的重要性。孫家鑫表示，“國產(chǎn)EDA的核心任務(wù)，不是追求情懷，而是通過技術(shù)和產(chǎn)品解決方案真正為客戶帶來價(jià)值。因?yàn)楫a(chǎn)品是巨霖唯一的脊梁和尊嚴(yán)?！?

展望未來，EDA行業(yè)正迎來幾個(gè)重要的技術(shù)趨勢。首先是5G、6G通信的持續(xù)發(fā)展，這要求EDA工具能夠支持更高頻率、更復(fù)雜的信號傳輸設(shè)計(jì)。其次是AI與HPC（高性能計(jì)算）對芯片架構(gòu)提出的全新挑戰(zhàn)，例如多物理場建模、熱仿真和高性能接口設(shè)計(jì)等。最后，隨著晶圓代工廠制程從先進(jìn)制程向異構(gòu)集成轉(zhuǎn)移，EDA工具的協(xié)同能力將變得更加重要。國產(chǎn)EDA企業(yè)只有在這些領(lǐng)域集中突破，才能逐步縮小與國際巨頭的差距。

寫在最后

中美科技競爭，已經(jīng)逐步從“意識形態(tài)沖突”演變?yōu)椤懊褡逯畱?zhàn)”，中國必須堅(jiān)持走自主發(fā)展的道路，盡管這條路充滿困難，但最終目的是為了更好的生活，不受制于人。

孫家鑫在最后總結(jié)時(shí)提到，“現(xiàn)在的國產(chǎn)EDA，就像在戰(zhàn)場上撕開了一個(gè)突破口，接下來需要通過市場需求牽引技術(shù)發(fā)展，找到屬于自己的路徑?！彼脑挷粌H道出了巨霖科技的技術(shù)戰(zhàn)略，也反映了國產(chǎn)EDA行業(yè)在全球化競爭中的長遠(yuǎn)目標(biāo)。只有通過深耕技術(shù)、緊貼市場和自主創(chuàng)新，國產(chǎn)EDA才能真正邁向更高的舞臺，助力中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)走向新高峰。