對(duì)現(xiàn)有EDA工具的分析

近期，美國(guó)對(duì)華為發(fā)布了一系列的制裁行為，國(guó)內(nèi)掀起了一股集成電路產(chǎn)業(yè)科普。很多之前甚至連聽(tīng)都沒(méi)聽(tīng)過(guò)集成電路這個(gè)詞的群眾開(kāi)始對(duì)這個(gè)本來(lái)相對(duì)低調(diào)的行業(yè)產(chǎn)生了巨大興趣，EDA就是當(dāng)中重要的一環(huán)。為了讓大家對(duì)全球EDA和本土EDA產(chǎn)業(yè)有深入的了解。

三大EDA公司主要有哪些軟件產(chǎn)品?為什么芯片設(shè)計(jì)行業(yè)無(wú)法脫離EDA工具?

不知道是否還有人記得這張照片，2017年3月3日，在小米5C手機(jī)和小米自主SoC芯片澎湃S1的發(fā)布會(huì)結(jié)束時(shí)，雷軍公布了這張致謝圖。圖中紅色框的即是EDA領(lǐng)域的三大巨頭：Synopsys、Cadence、Mentor，綠色框是我們國(guó)產(chǎn)EDA公司華大九天。印象中，這是EDA公司第一次出現(xiàn)在消費(fèi)類電子產(chǎn)品的發(fā)布現(xiàn)場(chǎng)。

三巨頭幾乎都可以提供芯片設(shè)計(jì)全流程工具，但是Synopsys的優(yōu)勢(shì)在于數(shù)字芯片和FPAG邏輯綜合相關(guān)工具，其邏輯綜合工具DesignCompiler、靜態(tài)時(shí)序分析工具PrimeTime、調(diào)試工具Verdi在業(yè)界具有近乎壟斷性的地位，2019年6月Synopsys在SNUG2019也推出了更為先進(jìn)的工具;Cadence在模擬IC全流程工具方面具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，而且近幾年旗下的數(shù)字布局布線工具Innovus攻城略地，獲得了非常好的市場(chǎng)份額;Mentor目前已經(jīng)被德國(guó)西門子收購(gòu)，雖然在全流程方面相對(duì)較弱，但是Calibre signoff和DFT方面一騎絕塵。

芯片設(shè)計(jì)是一個(gè)準(zhǔn)入門檻極高的領(lǐng)域，對(duì)產(chǎn)品可靠性和歷史口碑要求到極其苛刻，在虛擬仿真階段任何微小錯(cuò)誤都有可能造成芯片流片失敗，流片失敗則意味著數(shù)年的工作毀于一旦，公司面臨市場(chǎng)失守的悲慘境地。因此，在芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域，全球幾乎沒(méi)有任何一家EDA公司有和三大巨頭掰手腕的實(shí)力。在EDA領(lǐng)域，創(chuàng)業(yè)最成功的結(jié)局就是被上述三大巨頭收購(gòu)。

因此，三大巨頭的EDA工具幾乎是Fabless公司的唯一選擇。

EDA工具的研究難在哪里?

如前所述，芯片設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)繁多、精細(xì)且復(fù)雜，EDA工具在其中承載了極為重要作用：①將復(fù)雜物理問(wèn)題用數(shù)學(xué)模型高度精確化表述，在虛擬軟件中重現(xiàn)芯片制造過(guò)程中的各種物理效應(yīng)和問(wèn)題;②在確保邏輯功能正確的前提下，利用數(shù)學(xué)工具解決多目標(biāo)多約束的最優(yōu)化問(wèn)題，求得特定半導(dǎo)體工藝條件下，性能、功耗、面積、電氣特性、成本等的最優(yōu)解;③驗(yàn)證模型一致性問(wèn)題，確保芯片在多個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的迭代中邏輯功能一致。

(1)先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)：“晶圓廠+Fabless+EDA”協(xié)同推進(jìn)的成果

首先，SOI、FinFET等新器件結(jié)構(gòu)的發(fā)明將帶來(lái)晶體管電學(xué)和物理特性的變革;其次，在半導(dǎo)體工藝制造方面，摩爾定律的演進(jìn)伴隨著眾多不可預(yù)知的物理問(wèn)題逐漸浮現(xiàn)。處于摩爾定律推進(jìn)一線的晶圓廠從材料、化學(xué)、工藝過(guò)程控制等各種制造細(xì)節(jié)來(lái)創(chuàng)新、調(diào)試和求證。而EDA公司借助晶圓廠積累的大量測(cè)試數(shù)據(jù)探索物理效應(yīng)和工藝實(shí)施細(xì)節(jié)的準(zhǔn)確和高精度模型化。然而，這并不意味著新工藝節(jié)點(diǎn)研發(fā)的終點(diǎn)，頂尖Fabless公司將基于此模型和工具進(jìn)行芯片設(shè)計(jì)與試產(chǎn)，并且依托強(qiáng)大和豐富的芯片設(shè)計(jì)不斷發(fā)現(xiàn)和排除新工藝節(jié)點(diǎn)在模型和制造中的各種量產(chǎn)問(wèn)題。在此期間，芯片設(shè)計(jì)工程師、EDA公司的AE、晶圓廠工程師等等往往長(zhǎng)年累月在一起辦公，集中攻破新問(wèn)題，修復(fù)新bug。晶圓廠、Fabless、EDA三者通力合作，反復(fù)迭代，如此才能最終將達(dá)到商用和量產(chǎn)要求的工藝節(jié)點(diǎn)推向市場(chǎng)。一旦有一個(gè)環(huán)節(jié)出題，前功盡棄。

因此，摩爾定律任何一代最先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)，無(wú)一不是由擁有最先進(jìn)工藝制造條件的晶圓廠、頂尖EDA團(tuán)隊(duì)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)豐富的Fabless公司三者協(xié)力共同推進(jìn)的成果。這也是為什么臺(tái)積電最先進(jìn)制程的第一批產(chǎn)品總是由蘋果、高通、華為來(lái)發(fā)布，只有頂尖的Fabless公司才具備參與調(diào)試最先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)的能力。這也是為什么三大EDA巨頭始終把控細(xì)分市場(chǎng)的一個(gè)重要的原因。

(2)數(shù)學(xué)問(wèn)題

以一個(gè)鋁互連時(shí)代工藝過(guò)程中經(jīng)典的互連線偏差問(wèn)題為例，在形成鋁互連線時(shí)二氧化硅層夾在互連圖形的金屬層之間，氧化物淀積在已經(jīng)成形的金屬層上，一般都會(huì)留下一些臺(tái)階高度或者表面形貌，在理想情況下，采用CMP方法對(duì)層間電介質(zhì)進(jìn)行厚度剖平后如圖a所示。

但實(shí)際的情況是，雖然在特定范圍內(nèi)能夠達(dá)到很高的平整度，但從整個(gè)芯片范圍上來(lái)講平整度就很有限，如圖所示，不同的厚度又對(duì)電介質(zhì)的電容等電特性產(chǎn)生不同的影響。

EDA工具要做的事就是盡可能高精度地在虛擬的軟件世界中重新和擬合類似上述現(xiàn)實(shí)中的物理和工藝問(wèn)題，以期望在芯片設(shè)計(jì)階段將其納入考慮范圍之內(nèi)，以系統(tǒng)性的方法和預(yù)測(cè)性的裕量來(lái)應(yīng)對(duì)和糾正，最終保證芯片設(shè)計(jì)仿真結(jié)果同流片結(jié)果一致。

同時(shí)，EDA工具需要對(duì)數(shù)千種情境進(jìn)行快速設(shè)計(jì)探索，以求得性能、功耗、面積、成本等芯片物理指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的平衡。隨著集成電路制造工藝進(jìn)入7nm以下，數(shù)字芯片中標(biāo)準(zhǔn)單元數(shù)量已經(jīng)達(dá)到億數(shù)量級(jí)，EDA算法已經(jīng)成為典型的數(shù)據(jù)密集型計(jì)算的典型代表。且現(xiàn)有布局布線方法大都采用組合優(yōu)化算法，可接受的計(jì)算時(shí)間內(nèi)，不一定能得到局部最優(yōu)解，甚至有可能得到一個(gè)劣解，算法復(fù)雜度較高。以上兩點(diǎn)導(dǎo)致EDA算法的計(jì)算時(shí)間非常冗長(zhǎng)，以小時(shí)計(jì)。

以一個(gè)簡(jiǎn)單的布線算法示意圖為例，以下動(dòng)圖為EDA工具在尋求源點(diǎn)和終點(diǎn)之間的金屬走線方案。試想一下，芯片內(nèi)部單元以億級(jí)數(shù)量計(jì)，內(nèi)部布線金屬層多達(dá)數(shù)層，如何從一個(gè)點(diǎn)在只能走直線和90度拐彎的限定下，經(jīng)過(guò)各種不可布線的障礙并不斷做出前行的抉擇，穿過(guò)層層金屬，最終準(zhǔn)備到達(dá)芯片中的另一個(gè)點(diǎn)，期間探索方案的計(jì)算空間需求巨大，且整體還要滿足時(shí)序和總線長(zhǎng)最小的目標(biāo)，并必須考慮上文所述的工藝偏差。

(3)半導(dǎo)體、數(shù)學(xué)、芯片設(shè)計(jì)三者交叉學(xué)科人才培養(yǎng)問(wèn)題。

EDA算法問(wèn)題起點(diǎn)和終點(diǎn)是半導(dǎo)體工藝等物理問(wèn)題，解決工具是數(shù)學(xué)問(wèn)題，應(yīng)用對(duì)象是芯片設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)具體問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)本科生很難如此既寬泛又具體的知識(shí)儲(chǔ)備和體系，因此，三大EDA巨頭公司研發(fā)工程師的平均學(xué)歷都很高。同時(shí)，在碩士和博士階段，單獨(dú)從事數(shù)學(xué)、芯片設(shè)計(jì)、半導(dǎo)體器件和工藝的人較多，但是三者兼具的人又非常少。

我國(guó)當(dāng)前僅有清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、浙江大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、電子科技大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、福州大學(xué)等少數(shù)學(xué)校從事EDA方向的研究和人才培養(yǎng)。尤其是清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系在1970年代就開(kāi)始相關(guān)研究，為我國(guó)國(guó)產(chǎn)熊貓EDA工具(華大前身)、華大九天EDA工具的研發(fā)做出了很大的貢獻(xiàn)，而且培養(yǎng)了大量的EDA算法人才。

值得欣喜的是，國(guó)內(nèi)EDA的研發(fā)力量近幾年也有長(zhǎng)足的進(jìn)步。2017年6月在集成電路計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)領(lǐng)域的旗艦會(huì)議--第54屆設(shè)計(jì)自動(dòng)會(huì)議(ACM/IEEE Design AutomaTIon Conference 2017)上，福州大學(xué)陳建利老師的論文Toward OpTImal LegalizaTIon for Mixed-Cell-Height Circuit Designs獲得最佳論文獎(jiǎng)(作者：Jianli Chen， Ziran Zhu， Wenxing Zhu， Yao-wen Chang)。這是54年來(lái)中國(guó)大陸作者第一次以第一單位/第一作者獲得該會(huì)議最佳論文獎(jiǎng)。

國(guó)產(chǎn)EDA公司的機(jī)遇

如本文在第一節(jié)所述，國(guó)產(chǎn)EDA工具目前還主要以點(diǎn)工具為主，只有華大九天有模擬IC設(shè)計(jì)的全流程工具。但是，也不乏亮點(diǎn)。在過(guò)去的幾年，華大九天的XTIme物理設(shè)計(jì)時(shí)序優(yōu)化與Sign-off工具和解決方案，得到了業(yè)界一線工程師的一致好評(píng)，已經(jīng)成功打入全球一流芯片設(shè)計(jì)公司中，成為數(shù)字全流程中的重要一環(huán)。而且，華大九天是全球是全球唯一可提供液晶平板顯示全流程EDA設(shè)計(jì)解決方案的提供商，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率超過(guò)90%。

此困境之下，國(guó)產(chǎn)EDA工具將進(jìn)入國(guó)內(nèi)Fabless的視野，取得擴(kuò)大市場(chǎng)份額的契機(jī)，進(jìn)而獲得與擁有先進(jìn)制程的晶圓廠合作機(jī)會(huì)，國(guó)產(chǎn)EDA元年或?qū)⒕痛碎_(kāi)啟。