浅谈国产EDA软件开发

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以下文章来源于芯论语 ，作者天高云淡Andi863

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来源：芯论语

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。EDA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。
 
一、揭开EDA软件的神秘面纱
EDA软件就是电子设计自动化(Electronics Design Automation)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1cm²不到的硅片面积上，并连接成极其复杂的电路，例如CPU、SOC、Flash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。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。它大致经历了三个发展阶段(参考4)。
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（Top Down）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。
经过最近三十年的市场博弈，不断兼并，强者恒强。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AI功能的EDA软件，试图在EDA软件中应用AI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AI应用程序DSO.AI(Design Space Optimization AI)，这是电子设计技术上所取得的重大突破。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”(Intelligent Silicon Compiler，后文简称：ISC)的研究。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：1.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640X480、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GDSII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.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(Apollo)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(Apollo)图形工作站
 
三、EDA软件是个苦逼的行业
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1cm²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. 1cm²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1000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100万元的国产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%。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1000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。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软件的建议
根据对国内外EDA软件行业的了解，结合我们芯片产业补短板、强弱项的实际情况，笔者对发展国产EDA软件有一些粗浅的想法，并高度关注4个问题。难度较大，要正确面对；避免无序，要顶层设计；配合重要，要规范当先；市场有限，要避免盲从。以下是笔者对发展国产EDA软件的建议。
1.成立联盟：建议成立由政府主管部门或研究机构牵头，由国内龙头EDA企业、晶圆厂、高校和研究机构、重点IC设计企业组成的“国家EDA软件开发产学研联盟”，共商良策，共促国产EDA软件发展。
2.起草规范：在联盟中成立专家组，以现有国产EDA软件为基础，制定国产EDA软件的开发规范。包括功能模块规范、数据库规范、数据交换接口规范、用户交互界面规范等。避免遍地开花、无序开发、软件工具之间不能协同、低层次竞争等情况发生，避免造成宝贵的时间和资源浪费。
3.上云架构：除了传统云下架构外，考虑增加基于超算平台和云平台的国产EDA软件的云上架构，二种总体架构并列考虑，开发者同时研发两个版本的EDA软件。目前国外EDA软件还未普及云上模式。国产EDA软件最好能以云服务的形式向IC企业、高校师生、甚至系统企业提供服务，便于国产EDA软件普及。
4.应用AI技术：在构建国产EDA软件总体架构时，要把人工智能(AI)技术的应用放在重要位置。否则，我们在起点就已落后于国外EDA软件了。
5.认领开发：EDA软件的功能模块可由龙头EDA软件企业认领开发、悬赏揭榜开发，政府给予大力资助。一个功能模块可由1～3家EDA软件企业承担，可冠名自己的品牌，进行市场自由竞争。政府动态监管和支持，优胜劣汰。
6.推广平台：适时依托国家IC基地，在全国布局成立国产EDA软件推广平台，政府大力支持国产EDA软件的推广及应用。
 
结语：EDA软件的研发投入很大，需要长期的知识和经验积累，而且即使有了产品上市，今后还要跟随芯片技术进步而不断投入升级研发。所以，EDA软件行业是个十分艰苦的行业。同时，EDA软件市场十分有限，净利润率也不高，不能养活太多公司。所以，EDA软件虽然处在补短板、强弱项的风口上，还请那些没有思想准备、准备炒概念、想赚快钱、想拿政府资助的企业绕道吧，避免轰轰烈烈过后一地鸡毛。希望把机会留给那些对EDA行业有深刻了解，有技术积累，有报国情怀的企业家们，让他们的资金投入和辛勤劳动获得更多回报，让国产EDA软件的短板补齐，支持芯片行业健康发展。 
参考资料：
1.周祖成，EDA的机遇与挑战，微信公众号【芯人类】，2019.7.27
2.赵元闯，华大九天刘伟平谈国产EDA突围之路，微信公众号【芯思想】，2019.8.13
3.李严峰，再谈本土EDA竞争力顺便聊聊DTCO在中国落地，微信公众号
【芯思想】，2019.12.30
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