EDA之局：始于IC，野心卻不止于此

從一開(kāi)始，EDA也許就不想僅僅成為一個(gè)“配角”。

隨著(zhù)AI對設計和制造的滲透和影響，生活中智能產(chǎn)品也開(kāi)始變得稀松平常。產(chǎn)品端發(fā)生的巨大變化和快速迭代，其影響傳導到產(chǎn)業(yè)鏈上游帶來(lái)的則是沖擊，因此整個(gè)半導體產(chǎn)業(yè)鏈上各廠(chǎng)家的職能都在發(fā)生一定程度的交雜與變化。

在此前鎂客網(wǎng)采訪(fǎng)華進(jìn)半導體市場(chǎng)與產(chǎn)業(yè)化部/戰略部部長(cháng)周鳴昊談到這一話(huà)題時(shí)，他就曾直言表示明顯感受到了變動(dòng)，“整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈確實(shí)是發(fā)生了一些變化，最明顯的是，大家分工很清楚的版塊開(kāi)始出現了業(yè)務(wù)交叉，以我們中下游來(lái)看，前道、中道、后道和組裝之間實(shí)際上都有交叉。這樣的變化之下，有沖擊，也有機會(huì )。”

中下游如此，上游亦然。筆者留意到，作為輔助IC設計的工具提供商，EDA公司幾乎活躍在各大前沿技術(shù)、工藝探討和創(chuàng )新論壇上。

從幕后走向臺前，EDA的積極活躍著(zhù)實(shí)惹人關(guān)注。尤其是在國內EDA產(chǎn)業(yè)相對處于“空白”之下，這樣一個(gè)轉變是不是暗示著(zhù)更多機遇也成為半導體從業(yè)者應當考慮的問(wèn)題。

EDA，芯片設計的工具

發(fā)展近六十載，從一開(kāi)始的IC設計輔助工具到后來(lái)囊括設計、性能測試、特性分析、虛擬仿真等諸多功能，在加速芯片設計的同時(shí)，EDA產(chǎn)業(yè)也從一開(kāi)始的不起眼逐漸發(fā)展壯大。

ESD Alliance MSS發(fā)布的最新統計數據顯示，2018年Q3全球EDA產(chǎn)業(yè)收入同期增長(cháng)了6.7%，達到了24.4億美元，延續了此前的連續增長(cháng)之勢。對此，業(yè)內人給出分析稱(chēng)，之后整個(gè)市場(chǎng)空間還將繼續增長(cháng)。

盡管迅速增長(cháng)，因只是IC設計的“配角”，EDA市場(chǎng)一直以來(lái)只是半導體產(chǎn)業(yè)中一個(gè)“無(wú)足輕重”的細分領(lǐng)域，現如今它為何值得關(guān)注？

首先，我們來(lái)看下何為EDA。

EDA（Electronic design automation），中文譯為電子設計自動(dòng)化，指的是利用計算機輔助設計（CAD）等軟件來(lái)完成超大規模集成電路（VLSI）芯片的功能設計、綜合、驗證、物理設計（包括布局、布線(xiàn)、版圖、設計規則檢查等）等流程的設計方式。

在十分有限的芯片上進(jìn)行布局和走線(xiàn)是一門(mén)很復雜的學(xué)問(wèn)，并且好的布局和布線(xiàn)可以節省面積、提升信號完整性和穩定性的同時(shí)還提高芯片可靠性，所以一般專(zhuān)業(yè)的芯片公司都要使用EDA軟件來(lái)輔助設計。

但是EDA并不是在半導體產(chǎn)業(yè)一開(kāi)始出現就存在的。

在六十年前，半導體產(chǎn)業(yè)剛剛萌生，當時(shí)的集成電路遠不及現在復雜，因此IC設計人員只需徒手就可以完成集成電路的設計、布線(xiàn)等工作。后來(lái)隨著(zhù)晶體管數量的暴增，物理空間、時(shí)序收斂、邏輯區域等因素都需要被融合考慮，“手工”設計和制作的低效和耗時(shí)嚴重增加了設計成本，EDA工具順應這樣一個(gè)需求而生。

EDA首次亮相是在上世紀60年代，當時(shí)它能夠實(shí)現對電路板上的少量模塊進(jìn)行自動(dòng)擺放。到了70年代，EDA工具開(kāi)始應用在了工業(yè)界，很多半導體公司也開(kāi)始研發(fā)自己專(zhuān)用的EDA工具，并逐步形成了現在的設計風(fēng)格。在80到90年代間，獨立的軟件供應商開(kāi)始設計具備更加普遍用途的軟件工具，也因此EDA逐步發(fā)展為IC產(chǎn)業(yè)鏈上游中細分的一個(gè)獨立產(chǎn)業(yè)。

當時(shí)，順應整個(gè)硅谷半導體產(chǎn)業(yè)的興起，美國硅谷出現了一大批EDA廠(chǎng)商，在不斷的競爭之后，21世紀初整個(gè)市場(chǎng)形成了Synopsys、Mentor和Cadence三大巨頭瓜分的格局。

相較于國際，國內EDA產(chǎn)業(yè)的發(fā)展主要伴隨著(zhù)我國半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與興起，此前零散的EDA軟件研發(fā)團隊也因此逐步凝聚成一股強力，國產(chǎn)EDA的代表廠(chǎng)商華大九天就是在2009年正式成立。

不難發(fā)現，無(wú)論是國內還是國外，EDA無(wú)一例外都是在半導體產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的帶動(dòng)下應運而生的，因此某種程度上EDA行業(yè)的發(fā)展史就像一面鏡子，它能夠折射出半導體產(chǎn)業(yè)的技術(shù)迭代速度和創(chuàng )新程度。換言之，EDA產(chǎn)業(yè)發(fā)展越好，整個(gè)半導體行業(yè)越“動(dòng)蕩”。

工欲善其事，必先利其器

在國內，EDA為公眾所熟知很大程度上源于中美關(guān)系緊張形勢下，Cadence曾拒絕給中興提供EDA工具而以此鉗制中興的事件。對于學(xué)習過(guò)工程專(zhuān)業(yè)的人來(lái)說(shuō)，不會(huì )不知道Protel、CAD等自動(dòng)輔助設計軟件及它們的重要性。

工欲善其事，必先利其器。

設計芯片是一件耗時(shí)又耗力的事情。早在2014年，就有報道指出當時(shí)英偉達曾為設計一款芯片花費了8000名員工一年的時(shí)間，這樣的成本是一般公司所無(wú)法承受的。

而EDA的出現恰好就是為了解決類(lèi)似這樣，因復雜的設計需求帶來(lái)的芯片設計成本提升的問(wèn)題，它通過(guò)幫助芯片設計人員用更簡(jiǎn)單的方法去從事設計工作，以縮短研發(fā)周期，降低設計成本。

沒(méi)有EDA軟件，設計者需要經(jīng)過(guò)若干次實(shí)物實(shí)驗才能做出一個(gè)合格設計；而有了它，設計者可通過(guò)計算機“試錯”，這極大降低了重復試錯的成本，因而讓公司能夠用盡可能低的成本設計出合格的產(chǎn)品。

利用EDA工具，電子設計工程師們可以通過(guò)計算機完成大量繁瑣的設計工作，即將電子產(chǎn)品的電路設計、性能分析、布線(xiàn)、仿真到出IC版圖的整個(gè)過(guò)程都在計算機上自動(dòng)處理完成。

經(jīng)過(guò)數十年的發(fā)展，整個(gè)EDA產(chǎn)業(yè)基本形成了穩定的技術(shù)市場(chǎng)，它也代表了整個(gè)電子設計技術(shù)的最新發(fā)展方向。綜合考慮工藝、制造和系統設計，EDA所要做的事情幾乎囊括了IC設計工作中涉及到的前端設計、IP復用、系統和功能描述、邏輯設計和仿真等各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節，以達到最大程度優(yōu)化芯片的設計方式，成為了IC設計人員的最佳利器。

深度學(xué)習開(kāi)啟EDA 4.0時(shí)代

上文提到，英偉達為設計一款芯片耗費了8000名員工一年的時(shí)間。不過(guò)彼時(shí)EDA產(chǎn)業(yè)已經(jīng)發(fā)展到相對成熟的地步，為何還會(huì )出現如此大動(dòng)干戈的情況？其中緣由在于深度學(xué)習。

對于整個(gè)科技行業(yè)來(lái)說(shuō)，深度學(xué)習的全面爆發(fā)有著(zhù)影響深遠的意義，它給軟件系統、硬件產(chǎn)品端和半導體等領(lǐng)域都帶來(lái)了沖擊，EDA產(chǎn)業(yè)也不例外。在人工智能的影響和摩爾定律逐步失效的情況下，芯片架構設計和定制化要求成為當下IC設計的主旋律，這讓傳統EDA工具也露出了自身的局限性。

2015年，應DAPRA要求，為迎合AI帶來(lái)的定制化需求去改進(jìn)EDA，加州大學(xué)伯克利分校6名研究生嘗試采用了全新的EDA語(yǔ)言和技術(shù)來(lái)驗證該校RISC-V中心的BOOM-2項目。結果有些出乎意料，他們僅花了6個(gè)月就完成了含有25M個(gè)晶體管的設計。與此相比，受深度學(xué)習影響之累，英偉達的出手確實(shí)太“闊綽”了些。也因此，傳統EDA工具的局限性顯露無(wú)疑。

在深度學(xué)習、云計算等技術(shù)的影響下，半導體產(chǎn)業(yè)在自動(dòng)駕駛汽車(chē)、智能汽車(chē)、物聯(lián)網(wǎng)等新興領(lǐng)域的驅動(dòng)下迎來(lái)了新一輪發(fā)展高潮，IC設計的各個(gè)環(huán)節與設計方法都在發(fā)生改變，芯片設計的復雜度大大提升，數字系統的設計周期和設計成本壓力激增。且現在隨著(zhù)電子行業(yè)的長(cháng)尾效應，沿著(zhù)尾部走得越遠，設計成本占總成本的比例就越大。

對于Fabless公司來(lái)說(shuō)，設計占據的比重越來(lái)越大，使用EDA工具會(huì )有諸多好處，比如縮短上市時(shí)間、降低產(chǎn)品設計和開(kāi)發(fā)成本，同時(shí)可以促進(jìn)設計可靠、高速、高密度的集成電路。

對于EDA廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)，受自身局限性和降低成本需求強烈的“雙面夾攻”，變革確實(shí)不得不為。但落實(shí)到細節上，他們不僅要解決因此暴露出的歷史遺留的諸如數據共享、工具接口等管理問(wèn)題，還要完成定制化要求帶來(lái)的硬件語(yǔ)言和系統框架結構上的革新。這不可謂不是一道難題。

為了應對變化，2017年Mentor公司正式對外宣布全面調整戰略，稱(chēng)要率先帶動(dòng)EDA 4.0，并打造將多種高級驗證技術(shù)無(wú)縫連接形成一個(gè)綜合性的服務(wù)平臺，從而大大提高ASIC和現如今大火的SoC功能驗證的生產(chǎn)效率。與此同時(shí)，Synopsys、Cadence也不落后，一邊在接觸科技巨頭一邊也在A(yíng)I領(lǐng)域動(dòng)作頻頻。

有意思的是，在壓力的驅使下，EDA廠(chǎng)商不僅將AI融入到了EDA生態(tài)建設中，以解決設計復用、檔案反復、零件瑣碎、自動(dòng)化不足等工具問(wèn)題，在這之外，他們還關(guān)心起了FinFETs、3D-IC等新工藝，參與新架構的設計，同時(shí)關(guān)心5G、自動(dòng)駕駛、云計算等前沿技術(shù)。在創(chuàng )新技術(shù)的關(guān)注度和參與度上，EDA廠(chǎng)商堪比前沿科技巨頭。

對此，Cadence產(chǎn)品管理總監Dave Pursley曾公開(kāi)給出解釋?zhuān)?ldquo;目前處于前沿的公司是對EDA工具影響最大的公司，因我們希望通過(guò)接觸他們來(lái)訓練我們的工具，然后讓行業(yè)的其他人使用這些工具，同時(shí)改善這一流程。”

不會(huì )做解決方案的EDA廠(chǎng)商不是好的AI公司

但僅僅抓住大客戶(hù)是抓不住整個(gè)市場(chǎng)的，Pursley也意識到了這個(gè)問(wèn)題，“雖然我們關(guān)注的是大客戶(hù)，但打造出的工具并不具有通用性，也有很多客戶(hù)在尋求成本更低、生產(chǎn)率更高的解決方案。他們承擔不起投入大量人力的代價(jià)，需要找到更好的辦法。”

傳統意義上，許多芯片設計都是采用標準元件來(lái)搭建的，EDA廠(chǎng)商只需要提供軟件工具即可。但是隨著(zhù)更多的復雜技術(shù)逐漸滲透到物聯(lián)網(wǎng)等設備中，人們對計算能力的需求正在增加，而這顯然超出了傳統芯片設計架構和標準器件搭建所能提供的，且功耗增加、安全性降低、可靠性降低等問(wèn)題也是與日俱增，因此，自定義設計的需求日益增長(cháng)。需求各異，定制化解決方案自然成為當下“最好的辦法”。

作為國內EDA廠(chǎng)商的領(lǐng)頭者，華大九天的起點(diǎn)和重點(diǎn)就是做好定制化服務(wù)，即針對不同芯片的設計需求提供全流程整體解決方案等服務(wù)?？梢?jiàn)，做好解決方案成為EDA廠(chǎng)商不得不學(xué)的必備本領(lǐng)。

由EDA廠(chǎng)商來(lái)做解決方案的原因也顯而易見(jiàn)，相較于芯片流片的成本，在EDA虛擬平臺上的花費自然會(huì )少許多。而如歷史上任何技術(shù)的商用發(fā)展歷程，成本全面降低是廣泛應用的首要前提。

追著(zhù)創(chuàng )新走，這是EDA廠(chǎng)商的使命。相較于過(guò)去，當下EDA廠(chǎng)商在芯片設計過(guò)程中的作用顯然舉足輕重，而素有行業(yè)技術(shù)風(fēng)向標之稱(chēng)的DAPRA深諳此理。2018年7月，它宣布投入15億美元協(xié)助半導體產(chǎn)業(yè)長(cháng)期發(fā)展，其中就包括研究和優(yōu)化測試、虛擬仿真等EDA軟件算法和系統。

從曾經(jīng)只需解決邏輯電路功能到如今面向產(chǎn)業(yè)鏈，EDA廠(chǎng)商甚至承擔了對Foundry的良率和成品率的解決方案。

現在，用AI技術(shù)來(lái)面向產(chǎn)業(yè)鏈需求去做好用的解決方案已經(jīng)成為EDA廠(chǎng)商的共識，但如何基于工藝變化和技術(shù)需求研制先進(jìn)的支持系統、打造IP產(chǎn)品及全套設計解決方案成為EDA廠(chǎng)商的巨大挑戰。

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