Chiplet赋能！EDA工具：困局、标准、生态和突破
2022年8月13日，美国商务部发布最终规定，对设计GAAFET（全栅场效应晶体管）结构集成电路所必须的EDA软件以及其他技术的出口管制。相关禁令生效日期为2022年8月15日。
EDA软件的“卡脖子”问题，随着美国的新禁令又被重提。作为设计芯片出图纸的电子自动化工具，EDA是目前芯片行业不可或缺的关键环节。EDA软件是集成电路领域的上游基础工具，贯穿于集成电路设计、制造、封测等环节，是集成电路产业的战略基础支柱之一，间接撬动了国内万亿规模的数字经济，中国发展高精尖制造业与数字经济产业过程中，不能绕开EDA产业。EDA分类：按照应用场景 EDA 工具分为数字设计、模拟设计、晶圆制造、封装、系统等五大类
外国EDA厂商垄断局面目前难以打破，Cadence、Synopsys、Mentor这三家公司基本已经占据了将近全球EDA市场约70%的份额，具有明显优势。
海外龙头EDA厂商成立时间早，在政策支持下快速发展，通过多次并购完善产品线布局，已覆盖芯片设计全部环节，并持续投入高额研发费用构筑行业壁垒。目前中国的集成电路设计高度依赖欧美系EDA工具，一旦欧美断供EDA工具，中国依赖高端芯片的相关制造业将举步维艰，中国经济将蒙受难以估算的巨大损失。尽管面对强势的国际先进厂商的围追堵截，面对技术积累、人才储备、生态缺失的诸多短板，本土EDA厂商仍然在近几年政策的大力扶持下如雨后春笋式爆发，迎难而上。我国当下大力推动EDA本土化，在产品布局、工艺制程、研发投入、生态建设方面取得显著成果，除了政策倾斜之外，大基金同时重磅出击，比如大基金持股合见工软、华大九天等重要EDA厂商。但本土EDA技术相对比较薄弱，多数企业起步较晚，技术积累不足。首先，本土企业EDA工具并不能做到全流程。IC设计是全流程，Fabless希望采购的工具是配套的全流程工具。本土EDA头部厂商华大九天，据求证也只能在模拟电路这一块做到全流程，数字电路这一块相对来说不太理想。其次，市场培育是非常难的，厂商开发出一个好用EDA产品，一定要经过无数次的产品迭代。客户通过使用软件，发现产品的不足反馈给厂商，厂商针对问题对EDA工具进行迭代。即使华大九天做出一款跟Cadence功能就一模一样的产品，客户也是很难接受的。IBS数据显示，当下28nm制程SoC芯片设计成本为5130万美元，制程上升至7nm后的设计成本高达2.98亿美元，5nm芯片的设计成本更是跃升至5.42亿美元。几次流片的失败就可能会让一家芯片设计初创公司倒闭，高昂的IC设计成本使得EDA工具的可靠性愈发重要。把问题拦截在流片之前，这正是EDA工具存在的意义。没有一家Fabless公司愿意做“小白鼠”。即使本土EDA厂商拥有优秀的技术团队、EDA工具可靠稳定并且费用低廉，想要在短时间内打开市场是非常困难。最后，本土EDA厂商想要研发一个非常好的EDA工具，产品要领先于制程。比如说现在主流是12纳米制程的EDA工具，厂商就要提前研发支持5纳米的EDA工具。此刻5纳米的芯片还没有量产，要研发5纳米的EDA工具需要后端晶圆厂工艺库PDK支持。Cadence、Synopsys、Mentor三家公司跟国际主要的晶圆厂已经形成了一个很好的生态关系。Cadence、Synopsys、Mentor三家公司可以优先拿到这些先进晶圆厂的PDK，然后开始做仿真、验证。但是本土的一些公司拿到PDK时候，该工艺可能已经成熟了。虽然从当下情况来看，国外先进厂商优势突出，本土EDA厂商存在重重困境，但是国内的EDA产业也在变革中迎来全新的发展机遇。与国际市场相比，中国EDA市场规模较小，但增长迅速。2017年中国EDA市场规模为64.1亿元，而在2020年，中国EDA迅速增长至93.1亿元，预计2026年中国EDA市场规模将达到221.88亿元。本土EDA厂商在强敌环伺的危机中抱团发展、强势崛起，加之国家政策的大力扶持，要实现“后来者居上”的逆境反超也逐渐从“痴人说梦”变成了很多本土EDA厂商的理想目标。
当下我国政府一改往日“重硬件，轻软件”的方针，从十几年前的“02专项”到后来的“大基金”支持，EDA厂商都获益匪浅，融资渠道多样化，融资环境大大改善。中国是全球最大的半导体消费市场，随着中美在半导体领域竞争白热化，国外EDA厂商并不能像过去一样在中国市场如鱼得水，但是中国市场也是他们难以割舍的利益。Synopsys主要通过以“Synopsys+”的合作模式发展在中国市场的“朋友圈”：芯华章、芯和半导体、全芯智造、芯行纪等国产EDA企业达成合作伙伴关系。值得注意的是，据了解近三年成立的EDA公司，其中很多新创企业由Cadence和Synopsys这两大EDA公司培养出来的高管所创办，比如专注在数字验证领域的合见工软，其管理层和EDA专家库都曾在国际EDA公司管理或研发等领导职务。因为这两大EDA巨头的中国公司都选择了本土化研发和销售并举的策略，为国内培养了一批领军人才，也导致我国EDA行业发生了大规模的裂变。从当下来看，这些本土新兴EDA公司在享受国外先进厂商技术经验的同时也在积极投入，研发自主可控的EDA工具。多家企业开始向EDA全流程进军，通过自研和并购等多种手段不断壮大。对于EDA厂商来说，做到全流程设计工具，而不是单个环节的点工具，才能收获最大的利润，形成的竞争力也不可同日而语。但哪怕是对于Synopsys、Cadence和西门子EDA这样的巨头来说，同样是靠长期的积累和收购才完成的。图：海外 EDA 产品具有先发优势，国产替换不易
遗憾的是，当下国产EDA公司还没有一家可以做到覆盖芯片设计和制造全流程工具，这就是本土EDA发展必须优先建设EDA产业生态的紧迫性。EDA公司有一特点就是需要与晶圆厂和设计公司深度绑定，EDA公司的进步很大程度是依靠与晶圆厂的紧密合作。晶圆厂会把工艺设计工具包也就是PDK给到EDA公司。PDK当中包含了晶圆厂的设计规则文件、电学规则文件、版图层次定义文件、spice仿真模型、器件版图和器件定制参数。只要有了这些文档和数据，EDA公司才能把最准确的工具给到芯片设计公司，如果EDA公司太过分散，不管是对接晶圆厂还是IC设计公司，都会造成双方的沟通成本大幅上升。对于国产EDA厂商来说，随着近几年各种初创EDA公司的崛起，一心追求全流程化的他们肯定不会放过兼并这一条路，例如去年9月，芯华章收购了仿真软件厂商瞬曜电子，将其整合到芯华章的数字验证全流程EDA产品线上。去年10月，已经完成了模拟设计全流程的华大九天，同样斥资收购了香港的EDA厂商芯達芯片，可以预见晶圆制造EDA和数字设计EDA的全流程将是华大九天接下来的主要方向。此外，国内头部EDA厂商已经进入了台积电、三星、中芯国际和格芯等先进晶圆厂的EDA生态联盟中，甚至不少都已经获得了其先进工艺的技术认证。但如何将设计和制造两大环节结合在一起，还是一个棘手的问题。国内厂商目前在晶圆厂的客户定位里分量还不算高，这点从先进工艺的PDK和器件库开发中就能看出。除了推动EDA生态建设建设，软件上云也是当下热门话题。在“ICCAD2022”上中国半导体行业协会集成电路设计分会理事长魏少军教授表示，2022年中国大陆有3243家芯片设计企业，同比增长了15.4%。但这3243家芯片设计企业广泛分布在消费电子、汽车、智慧城市等多个行业。这些企业大多为中小微企业，且大多面临人手短缺，设计能力匮乏等问题，尤其是设计团队在进行仿真和验证时，往往缺乏大规模的算力集群支持。对于AI和HPC这类对芯片设计要求更高的应用来说，不仅对开发团队的创新提出了要求，也对其硬件计算资源提出了更高的要求，所以软件上云被提了出来。可以持续扩张的算力资源，为设计与验证提供了便利，大大降低了芯片设计自动化的效率，也降低了基础设施的添置和管理成本。像亚马逊这样的云服务厂商，连自己的服务器芯片，也选了100%云端设计。在这一趋势下，EDA厂商们纷纷开启了自己的上云之路。以EDA三巨头为例，Synopsys推出了FlexEDA，Cadence推出了OnCloud，西门子EDA推出了Veloce云，国内的国微思尔芯、芯华章、英诺达和速石科技等，也都纷纷开始发展云端EDA业务。国微芯执行总裁兼首席技术官白耿先生称，国微芯和腾讯云合作，形式验证工具在腾讯云初步上云，供国内头部的IC设计公司使用。其它的产品也在逐步上云。除此之外白耿还提到，国微芯EDA产品优势就是要充分利用多CPU的硬件环境，进行物理验证和OPC加速。目前国微芯的物理数据底座已经支持了物理验证、OPC等多种设计后端和制造端工具，当产品和底座技术成熟后，国微芯可以考虑开放数据底座的API接口，与其他开发设计后端及制造端EDA工具的同行进行合作。除了本土EDA厂商自身努力谋发展之外，当下Chiplet技术的成熟也给本土EDA厂商带来“换道超车”的新机遇。图：中国EDA企业IPO情况，国产EDA任重道远
国外先进厂商的垄断、国际实体清单的管制、技术和人才的差距以及产业生态的层层壁垒，诸多不利因素摆在本土EDA厂商面前，如同愚公眼前的高山，连绵不绝，让人望而生畏。如果这种情况一成不变，那么逆袭则无从谈起。所以国内的厂商要创造变化、利用变化，坚持不懈地拿起“移山”的“斧头、铲子”，才能在变化中觅得翻身的良机。自UCIe产业联盟这一推进Chiplet互连生态的组织成立以来，采用Chiplet这种新兴设计方式的解决方案就迎来了井喷的趋势。芯粒（Chiplet）技术将不同工艺节点和不同材质的芯片通过先进的集成技术（如 3D 集成技术）封装集成在一起，形成一个系统芯片，实现了一种新形式的IP复用。从单芯片Soc到2.5D/3D多芯片的Chiplet是行业的趋势，先进封装是当中的核心元素。因为把Soc分成Chiplet,最终要靠先进封装把它合起来。因为这一过程需要EDA工具提供全面支持，所以EDA仍旧面临着非常大的挑战。但这也为新进入这一领域的企业提供了非常好的契机。在这一新的领域，借由Chiplet这项新的技术，在一定程度上拉近了我们与国际先进厂商的起跑线，弥合了原本看似天堑的差距，将给中国的EDA企业提供了一个“弯道超车”的机会。2022年12月，由中国计算机互连技术联盟CCTIA发起，联合国内集成电路相关企业及专家共同主导制定的《小芯片接口总线技术要求》（T/CESA 1248-2023）标准正式通过了工信部中国电子工业标准化技术协会的审定，并于今年2月13日正式实施。中国Chiplet标准的主要发起人和起草人，中科院计算所研究员、中国计算机互连技术联盟（CCITA）秘书长、无锡芯光互连技术研究院院长郝沁汾表示，尽管Chiplet目前还不能替代以光刻机的演进为主要方向的传统集成电路的技术路线，但在一些特定的场景下，Chiplet设计方式结合成熟制程工艺，已经可以“小于等于”先进制程工艺。今年，CCITA还将聚焦Chiplet技术，在EDA和封测领域，组织相关企业和技术专家，进行相关技术标准的制订工作。这对于本土EDA厂商打造自主产业生态，具有深远的意义。随着本土Chiplet和EDA的崛起，国内EDA厂商合见工软、芯和科技已纷纷开启了自己的Chiplet+EDA研发进程。要应对Chiplet在先进封装的挑战，必须打破在复杂多维空间系统级设计互连，实现数据的一致性和信号、电源、热、应力的完整性。为此合见工软在2021年发布了先进封装协同设计环境（UniVista Integrator，简称UVI）之后，又在去年6月推出了UVI功能增强版。UVI功能增强版首次真正意义上实现了系统级Sign-off功能，可在同一设计环境中导入多种格式的IC、Interposer、Package和PCB数据，支持全面的系统互连一致性检查（System-Level LVS），同时在检查效率、图形显示、灵活度与精度上都有大幅提升。Chiplet赋能下，本土EDA厂商或开辟与外国先进厂商竞争的“第二战场”，有望实现“换道超车”。我国EDA产业目前仍处于供给率不足的状态，国外政策制裁、实体清单限制等因素刺激本土企业不得不加快研发步伐，以实现自主可控。现如今，虽然国内较早推行自主可控与国产化要求，军工芯片等基本可以自给自足，但少数高端元器件和材料仍未摆脱部分受限制、依赖进口的局面，国产替代任重道远。
