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一款小小的設計軟件，如何成了 “殺手锏”？

2022/08/23
導讀
對中國而言，任何一家EDA軟件的單打獨斗，恐怕很難迎頭趕上
    8.23
知識分子The Intellectual

如果沒有了EDA軟件，全球所有的芯片設計公司都會立即停擺 | 圖源：pixabay.com


 編者按

8月13日，美國商務部工業(yè)安全局宣布對中國斷供電子設計自動化（以下簡稱EDA）軟件的高級模塊。該軟件的作用，是在芯片狹小的空間進行布局、走線和事前分析，如同在一顆米粒上刻出航空母艦模型。離開專業(yè)的EDA工具，半導體的設計和制造都是不可想象的事情。

美國的EDA電子設計自動化軟件對中國企業(yè)的熔斷，已經(jīng)是第三次了。第一次是2018年對付中興；第二次是2019年斷供華為；而這一次，干脆是對中國整個企業(yè)?？雌饋聿黄鹧鄣囊环N工業(yè)設計軟件，何以成了遏制中國半導體業(yè)發(fā)展的殺手锏？


撰文｜林雪萍責編｜邸利會

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“軟硬” 兼施

說EDA軟件小，也許可以從其全球市場規(guī)模看，僅約為100億美元。相對于5000億美元的半導體產(chǎn)業(yè)，僅占2%。但如果沒有了這塊基石，全球所有的芯片設計公司都會立即停擺，半導體倒金字塔瞬間坍塌。

迄今為止，沒有任何一種工具能像EDA軟件那樣，跟半導體行業(yè)的飛速發(fā)展如此緊密地綁定在一起。摩爾定律引領半導體行業(yè)60多年，EDA軟件則是這個先知定律的最忠實的伴隨者。如果沒有它，半導體的飛速發(fā)展是不可想象的。

筆者認為，這次禁運，事關半導體未來十年的格局。

半導體制程已經(jīng)進入到3nm后工藝，摩爾定律面臨著失效的局面，而半導體界正在采用一種全新的GAA晶體管來應對更先進的制程，替代之前一直使用的鰭式場效應晶體管FinFET。三星已經(jīng)在其3nm工藝中使用了這種新型晶體管，而英特爾和臺積電打算在2024年將其用于2nm工藝。而美國商務部此次禁運的并非全部EDA軟件，而是針對能夠設計包含這種最新晶體管芯片所必須的EDA軟件模塊。

換言之，這是對高級制程的高級模塊的禁售。

實際上，歐美一些仿真軟件CAE的很多模塊一直都是禁售的，這是發(fā)達國家的慣用技法——它們會采用熔斷戰(zhàn)術，抽掉身后的梯子，將后發(fā)追趕國家的技術鎖定在前幾代的技術平原上。

看起來，對于中國半導體的封堵，美國政府采用了 “軟硬” 兼施的兩手棋——

美國已經(jīng)禁止荷蘭公司阿斯麥ASML向中國銷售極紫光刻機，現(xiàn)正考慮禁售深紫光刻機，后者可以加工128層以上的閃存存儲器。最近，美國最大的幾家半導體設備制造商，如科磊KLA和泛林LAM，已經(jīng)宣布不再向中國出售14nm制造的設備。

設計軟件加制造設備，一場面向未來的封堵已經(jīng)逼近。


學界鼻祖

最早的EDA軟件，其實是屬于機械計算機輔助設計（Computer-aided design，以下簡稱CAD）軟件的供應商之下。

上個世紀五六十年代的明星CAD軟件，如Applicon、CALMA和CV等，同時也會有EDA軟件。電子行業(yè)并沒有呈現(xiàn)出跟機械行業(yè)的格外不同之處，其設計軟件也是在一起，沒有分離。

在機械時代，EDA軟件雖是機械CAD軟件的附屬品，但它們看似同宗同源，差別卻很大。一個是服務于電子半導體行業(yè)，跟著摩爾定律走；一個是服務于機械、航空、汽車、輪船等制造行業(yè)，跟著物理定律走。這種內(nèi)在的差別最終導致了后來的分道揚鑣。直到今天，EDA和CAD幾乎屬于了完全不同的行業(yè)。

EDA獨自開宗立派，要從電路仿真軟件SPICE說起。它才是最正宗的EDA軟件的鼻祖。

作為最早的EDA軟件，SPICE在今天仍然位列最重要的軟件之一，是半導體芯片設計公司與設計驗證工程師最離不開的軟件。而說到SPICE，就不得不提佩德森（Donald Pederson），他是美國加州大學伯克利分校電機工程與計算機系教授，被尊為SPICE之父。

圖1 Donald O. Pederson | 圖源：berkeley.edu，Karen Pederson攝


佩德森造就了三個傳奇。

第一個傳奇是，他早在20世紀五六十年代就設法在加州大學伯克利分校里建設了半導體制造廠。MiniFab是第一個設立在大學里的 “微電子制造廠”。這讓小規(guī)模的工藝實驗成為可能，極大地促進了該校電子工程學科的發(fā)展。

第二個傳奇就是他對于電路仿真程序SPICE的巨大貢獻。

在他的支持下，來自電機系與機械系的那些對電子幾乎一竅不通的大學生們，憑借著高超的數(shù)學理論和數(shù)值分析基礎，生硬地通過稀疏矩陣算法實現(xiàn)了方程組的求解，完成了電路仿真程序?？梢院敛豢鋸埖卣f，SPICE幾乎完全出自數(shù)學理論的功底。

第三個傳奇是，佩德森教授也是開源運動的發(fā)起人。

他允許SPICE四處擴散，幾乎可以免費使用。唯一的回報要求，就是開發(fā)者要把增加的代碼發(fā)回來。這比1991年大名鼎鼎的開源操作系統(tǒng)LINUX內(nèi)核開源早了整整20年。

插一句，伯克利分校的有限元仿真軟件也獨步天下，其代碼也是開源的。20世紀八九十年代，以北京大學為代表，許多國內(nèi)高校都從加州大學伯克利分校帶回了有限元仿真軟件的火種。其中，SAP84有限元仿真軟件在國內(nèi)四處傳播，名噪一時。那是一個知識向全世界開放的黃金時代。

當時的半導體巨頭如惠普、泰克和德州儀器等公司，紛紛建立了自己的CAD部門，將SPICE程序進行改編，為自己部門所用。整整十多年，產(chǎn)業(yè)界與學術界進行了大規(guī)模地知識吞吐和交換，SPICE多個版本不斷迭代演化，其功能迅速發(fā)展。

1993年，加州大學伯克利分校最后一次更新的SPICE版本達到了巔峰狀態(tài)，它的求解算法已經(jīng)爐火純青。這種大規(guī)模的商業(yè)加學術的無私合作，是制造業(yè)發(fā)展史上十分罕見的一幕。之后，SPICE逐漸出現(xiàn)商業(yè)化版本。


軟硬分離

SPICE只能解決小部分的問題，更多的EDA軟件功能，需要更加商業(yè)化的接班人來實現(xiàn)。

當時半導體的世界，都是集成一體化的世界。集成電路設計這門高門檻的技術活，由龐大的半導體制造商，如IBM、通用電氣的設計部門獨自完成?？梢韵胂?，復雜的邏輯和物理設計、庫和過程開發(fā)、封裝，都由一個團隊完成。這個封閉的金字塔，一般人難以走進。

在20世紀70年代，EDA軟件開始出現(xiàn)第二代旗幟。當時最有名氣的三駕馬車中，Daisy Systems 公司和 Valid Logic 公司出售自有的硬件和軟件系統(tǒng)，工作站也是自己開發(fā)的；Mentor公司則開發(fā)專用軟件，捆綁在阿波羅（Apollo）工作站上。

這三家基本上都是把軟硬件放在一起，看上去似乎與第一代EDA軟件的差別不大。然而，時代畢竟不同了，全新的賽道已經(jīng)出現(xiàn)：那就是專用集成電路（Application Specific IC, 以下簡稱ASIC）。ASIC的發(fā)展，徹底改變了這種封閉局面。

ASIC的體量更大、需求更容易滿足，系統(tǒng)設計者也遠比那些內(nèi)部設計團隊開放，EDA軟件因此得到了迅速擴張，從業(yè)人員的數(shù)量隨之大幅增加，包括很多華人和華裔從業(yè)人員，逐漸構成了一種強大的軟件土壤。獨立的EDA軟件廠商由此出現(xiàn)，可以單獨為半導體廠商服務。

然而，第二代EDA軟件的缺陷跟第一代一樣明顯，那就是過于依賴硬件。軟件和硬件緊密地綁定在一起，硬件收入占比最大。

這是一個硬件為王的時代。硬件的存儲、計算、顯示都是極其昂貴的稀缺資源，軟件不過是珍貴花瓶上有顏色的花紋而已——盡管這些花紋讓硬件顯得更加物有所值。

只有當硬件隨著摩爾定律的路徑，越跑越快，成本越來越低，算力變得并不稀缺，新的軟件模式才出現(xiàn)。

第三代EDA軟件主要以Cadence公司和Synopsys公司的產(chǎn)品為代表，它們一直頑強地活到了今天，并成為霸主地位。 

第三代EDA軟件與第二代的區(qū)別在于商業(yè)模式，而不在于出現(xiàn)的時間。它們其實幾乎是在同一時間形成的。這兩代之間并不存在一個進化的關系，而是基于對未來判斷的兩條路徑的選擇。

Cadence公司于1982年成立，僅僅比第二代三駕馬車之一的Mentor公司的成立晚一年。來自加州大學伯克利分校的尖子生和貝爾實驗室的科學家，在Cadence開創(chuàng)了一種全新的商業(yè)模式，那就是 “只賣軟件”（Software Only）。

這是一種從未有過的軟件業(yè)務模式。此前所有軟件，都是捆綁在硬件設備上搭配銷售的。

現(xiàn)在看起來，第二代EDA軟件獨立公司中存在時間最長的Mentor，其在2016年被西門子公司45億美元收購是有前兆的。

1990年，Mentor公司依然對 “只賣軟件” 模式表現(xiàn)出了不屑一顧。時任公司董事長說，從未見過單獨軟件銷售能夠存活。歷史上 “軟件是硬件的附屬” 的印象，很難被打破。后來，Mentor雖然通過并購，積極調(diào)整戰(zhàn)略，也保持了EDA軟件公司三強之一的地位，但與EDA軟件其它兩巨頭的差距仍越來越大。信息技術革命正在悄然走向軟件為主導的方向。


合 作

這一時期，Cadence公司引入投資的獨特模式，同樣引人注目。這又是軟件得以生存的關鍵一步：軟件是用出來的。

Cadence把入股機會留給了下游廠商，如通用電氣、愛立信、IBM等半導體生產(chǎn)商。這些下游用戶各自投入了100萬美元。這是一種高明的融資術。Cadence公司聰明地讓下游半導體制造商與自己捆綁在一起。

沒有半導體廠商提供工藝、提供反饋，EDA軟件的長大是不可能的。這次投資的分布，也明顯地表明了EDA軟件的工業(yè)屬性而非信息技術屬性。

“工業(yè)反哺勝于投資” 是研發(fā)工具軟件的一個重要特點，這不是靠錢能砸出來的，它最需要的是工業(yè)用戶的經(jīng)驗。

Cadence公司還開創(chuàng)了合伙人制度，宣示了這個領域?qū)︻I軍人物知識價值的高度認可。其創(chuàng)建，本質(zhì)上是基礎科學的勝利，也是一個基礎研究與產(chǎn)業(yè)熱情相互對接的勝利。加州大學伯克利分校的尖子生和貝爾實驗室的科學家一起，成就了一個非凡的產(chǎn)業(yè)：規(guī)模雖小，但威力超群。

四年之后成立的Synopsys公司，延續(xù)了Cadence公司所有的創(chuàng)新機制。實際上，這種合伙人制度已經(jīng)成為半導體行業(yè)的一種慣例。


走向更高的層次

早期電路板的物理設計人員干的是一門精密的工匠活，需要動手處理每一個晶體管，絕對屬于高強度的勞動密集型作業(yè)，并且需要頭腦靈活。

隨著晶體管集成度的提高，其復雜程度已經(jīng)大幅超越了工程師的邏輯極限。這個時候，單元庫出現(xiàn)了，它包含了預先設計好的各種特性的邏輯門。就像現(xiàn)在的數(shù)據(jù)模板調(diào)用一樣，設計人員能花更少的時間和精力設計出更大規(guī)模的電路，也使得電路設計工作很容易從一家晶圓工廠移植到另外一家。

最重要的是，半導體的設計思路轉(zhuǎn)向了抽象化，即在一個更高的層次上進行設計，而把那些底層的細節(jié)設計都歸并到單元庫和仿真軟件CAE工具中。抽象化的技術還讓設計師可以直接采用高級語言 “設計電路板”，然后通過邏輯綜合工具把抽象的設計自動轉(zhuǎn)化成機器語言，形成由各種邏輯門組成的電路組合。

Synopsys公司的團隊在這個時候登場了，其成員來自通用電氣的微電子中心。通用電氣的工業(yè)背景，給Synopsys公司帶來了扎實的根基。

Synopsys公司能在起步的時候就引領了行業(yè)的技術優(yōu)勢，很大原因也在于它推進了抽象化的發(fā)展，使得整個行業(yè)的設計前進了一大步。抽象化成為產(chǎn)業(yè)界的標準，也進一步擴展了芯片設計群體。就像系統(tǒng)設計工具擴展了專用集成電路設計師群體那樣，抽象語言使得大量的工程師能夠參與進來，形成了一個蔚為壯觀的工程師社群。

知識產(chǎn)權（IP）的發(fā)展，也再次推進了EDA軟件的發(fā)展。這是硅基系統(tǒng)設計方面的一個里程碑。

英國ARM公司的登場，帶來一個全新的商業(yè)模式。它將各種設計庫虛擬化，然后授權給其他企業(yè)使用。這意味著，作為處理器的交付物，不再是具體的物理產(chǎn)品，而是以一種數(shù)字化的IP模塊形式而存在。ARM公司的這種思想對整個半導體行業(yè)產(chǎn)生了重大的影響。物理實體變成了軟件定義，處理器就是IP模塊。

Synopsys公司很快就注意到了這種模式的價值，它迅速進入這塊陣地，使得IP模塊收入成為其整個收入的重要一塊，當前它的近1/3的產(chǎn)值來自于此，而且這塊業(yè)務發(fā)展勢頭強勁。

IP模塊的高速發(fā)展，極大地擴展了EDA軟件的靈活性。這是一個極簡主義和知識復用的勝利。


頻繁的并購

EDA軟件有著極其龐雜的分類。根據(jù)美國專門從事EDA咨詢的公司GSEDA（2018年已經(jīng)出售給另外一家咨詢公司）統(tǒng)計，EDA軟件一共涉及90多種不同的技術。在這個領域，密密麻麻地分布著420家公司。而按照美國《半導體工程》雜志的列舉清單，EDA軟件領域一共有900多家小公司。

工具軟件的發(fā)展史，是一部鯊魚吃小魚的并購史。機械類CAD軟件如此，仿真CAE軟件如此，半導體的EDA軟件更是如此。

這是一個非常奇怪的市場，小魚的存在，似乎就是用來喂養(yǎng)大魚的。而在美國工業(yè)軟件的池子里，小魚、小蝦前赴后繼，永遠層出不窮。這是國外工業(yè)軟件發(fā)展給中國工業(yè)軟件界教授的陌生一課。

并購這種場景在中國工業(yè)軟件市場上并不常見。EDA公司或軟件并購的歷史較為冗長。簡單地說，在美國EDA公司的并購史中，僅僅由排名前三的巨頭企業(yè)直接參與的并購就達到了驚人的200次，每家企業(yè)的并購數(shù)量平均達到70次。如果考慮許多被并購公司在此之前也是在大魚吃小魚，那么前三巨頭每家所涉的總并購次數(shù)估計在300次左右。

這個并購的歷史是連續(xù)發(fā)生的。從1990年開始，每十年所發(fā)生的并購次數(shù)十分平穩(wěn)。許多小公司的存活期只有短短幾年，并購金額經(jīng)常是幾百萬美元。EDA軟件行業(yè)的并購頻率可能是很多其他行業(yè)無法企及的，這也反映了工業(yè)軟件有著極其特殊的產(chǎn)業(yè)規(guī)律。 

靠著強力的知識吞吐，工業(yè)軟件以其 “百河納川” 的匯聚方式，形成了深不可測的知識鴻溝——追趕者很容易被遠遠甩在后面。正是這些疊羅漢式的并購，促進了無數(shù)電子工程師的思想碰撞和專業(yè)技術的沉淀，最終將人類的智慧匯聚成高聳入云的工程學尖塔。

尖塔之外，很難有取巧速升的建筑。

三十年前的第三代EDA軟件的主要玩家，基本確立了江湖的秩序，以至于后來再無挑戰(zhàn)者。自那以后，所有的初創(chuàng)公司再也沒有了資本加持的發(fā)展空間，2002年以后的二十年，沒有一家企業(yè)能夠上市。所有EDA軟件新創(chuàng)公司的唯一命運，就是被三家頭部企業(yè)吞并收購。三代江湖，五十年歷史，造就了EDA軟件三分天下的分治格局。


成本殺手，超越摩爾

EDA軟件的鼻祖SPICE誕生于1971年，雖比摩爾定律的提出時間晚了6年，但它自誕生之日起就成為摩爾定律最忠誠的保駕護航者。

摩爾定律成為半導體領域的鐵律，使得行業(yè)預測變得簡單、直白且管用，也使得整個領域的上下游都不得不以同樣的速度演化。這正是EDA軟件面臨的狀況。它需要為半導體產(chǎn)業(yè)不斷提供設計下一代芯片的方法和工具。EDA軟件不斷被時間追趕，永遠在賽道上飛馳。

在2001年的時候，摩爾定律發(fā)展的最大威脅來自設計費用的飆升。EDA軟件的發(fā)展，成功地平復了設計成本的可能暴漲。它一直在扮演 “成本殺手” 的角色。

根據(jù)美國加州大學Kahng教授的計算分析，2011年一塊系統(tǒng)級芯片（SoC）的設計費大約是4000萬美元。如果沒有EDA技術的進步，這筆費用從2001年到2011年這10年就會上升至77億美元?？梢?，EDA軟件把設計費用整整降低了大約200倍。

EDA技術第一個將關于計算建模、計算思維、計算探索的概念和技術，成功應用于電子電路設計工程領域。它改變了電子工程師設計和制造集成電路的方式。

今天要設計任何一個電路，都可以從可執(zhí)行編程語言規(guī)定的高度抽象的計算模型開始。然后，電路設計經(jīng)過一系列綜合、轉(zhuǎn)換和優(yōu)化，再進行嚴格的數(shù)字模擬和原型設計，接著是正式和半正式的驗證，最后通過先進的光刻和化學工藝制造出來。各環(huán)節(jié)高度專業(yè)化，界面清晰，分工明確。

此外，EDA技術是計算機科學與工程跨領域合作的成果。計算機科學家和EDA工程師與電氣工程師合作，獲得了不同層次的電路模型；他們與物理學家和化學家合作，推出了制造模型；他們與理論計算機科學家合作，進行各種復雜性分析；他們與應用數(shù)學和優(yōu)化專家合作，開發(fā)出伸縮性很好的模擬和綜合算法；他們與應用領域?qū)＜液献?，開發(fā)出知識產(chǎn)權（IP）庫。

正因為如此，EDA軟件成為半導體行業(yè)的驕子。電子電路設計領域遇到的問題，比如成本壓力、復雜性挑戰(zhàn)、多樣性挑戰(zhàn)，有很多需要通過EDA技術來解決。與此同時，EDA技術也在擴展其自身的應用領域，跳出電子電路的窠臼，解決諸多新興領域的設計自動化問題。

當硬件行業(yè)越來越多地討論 “后摩爾時代” 的時候，EDA軟件責無旁貸地挑起了重擔，不僅要延續(xù) “摩爾定律”，而且要實現(xiàn) “超越摩爾” 的雄心。


中國的挑戰(zhàn)

現(xiàn)在EDA領域的這種壟斷局面，給中國半導體的快速發(fā)展籠罩了巨大的陰影。

與國外再無上市公司不同，這兩年資本恰好給了中國軟件巨大的追捧。今年國內(nèi)EDA軟件的上市公司有兩家：概倫電子和華大九天。一個代表了海歸創(chuàng)業(yè)，華裔一直是全球EDA人才池里最為重要的力量；一個代表了本土堅持，前身源自研究院所的華大九天，見證了中國整個EDA軟件歷史。它從萌芽到興起，到寂靜，再到重回資本舞臺中心。而在這之外，還有一批EDA軟件，正在企業(yè)家的雄心和資本的激情之下，逆流而上。

然而，這些EDA軟件各自體量都很小，即使是集萬般寵愛于一身的龍頭華大九天，也只有5.8億元人民幣收入。而Synopsys在2021年收入為260億元人民幣左右，利潤達到50多億元人民幣。中國的這些EDA軟件，恐怕還無法全面挑戰(zhàn)國外三大EDA廠家的高端地盤。

而國際上這三大芯片設計軟件公司一直將中國視為重要客戶。根據(jù)美國證券交易委員會的季度財報，在2022年第二財季中，Cadence有13%的收入來自中國大陸，Synopsys則達到了17%，中國市場是它們的必爭之地。但這些用于先進制程的GaaFET的設計軟件，中國的公司用得應該并不多。

這意味著，此次EDA軟件的功能模塊斷供的限制，對這些廠家的收入干擾很小，但對中國雄心勃勃的半導體計劃卻是影響巨大，一條技術迭代升級的鴻溝就豎在眼前。

應對中國的崛起，美國的行動似乎正在變得更加具有進攻性和系統(tǒng)性。美國戰(zhàn)略與國際研究中心CSIS認為，美國政府找到了保住技術霸權的最好方法，那就是跑得更快。采用的方法則是兩頭下注，既要跑得更快（如今年8月10日通過的2800億美元的《芯片與科學法案》），同時要不斷扔出障礙物（今年8月13日發(fā)布的管制公告）。美國現(xiàn)在要將中國半導體的技術，攔截在14nm的圍墻之外。

如果中國不盡量解決設計軟件工具以及體量更大得多的光刻設備等問題，面向未來的半導體恐怕會輸在起跑線上。對中國而言，任何一家EDA軟件的單打獨斗，恐怕很難迎頭趕上。系統(tǒng)性、生態(tài)性的布局，結(jié)束當前零散的諸侯割據(jù)人人爭上市的局面顯得尤為迫切。

制版編輯 | 姜絲鴨


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