一顆芯片的誕生,要經歷一段精雕細琢的漫長過程。在過去的幾十年里,芯片的工藝、規模跟隨著摩爾定律逐級躍遷,其內部的復雜度、集成度也呈指數級增長。如今,芯片內部集成的晶體管數量動輒數以億計,而微型化、輕量化的趨勢也讓芯片的設計難度大幅度增加。
摩爾定律逐漸達到物理極限,先進工藝帶來的性能提升空間也隨之坍縮,迫使業界將目光轉向芯片的設計階段。芯片內部結構的設計對其能否流片成功起到決定性作用,而作為芯片設計最上游的產業,EDA工具逐漸成為集成電路持續發展的重要支撐。
借助EDA工具,芯片設計公司通過搭建高精度仿真模型,不斷發現和排除先進工藝在制造過程中可能產生的問題,求得芯片綜合性能、功耗、面積、成本等各方面最優解的解決方案。然而,隨著應用需求逐漸細化、工藝迭代紅利逐漸減少,EDA發展的步伐越來越跟不上芯片設計規模和需求的快速增長。在芯華章科技產品與業務規劃總監楊曄看來,未來十年,集成電路的發展對EDA提出了更高的要求,為了進一步提升設計和驗證效率、降低技術門檻、縮短項目周期,EDA工具和方法學亟需創新和突破。
圖:芯華章科技產品與業務規劃總監楊曄
后摩爾時代,EDA發展困局
集成電路發展初期,芯片設計還是手工繪制版圖。隨著計算機商業化加速,芯片集成度也在不斷提升,人工布線已經無法滿足芯片設計需求。脫胎于CAD、CAE的概念,EDA逐漸開始商業化,進入發展的黃金時期。
隨著芯片設計方法學逐漸演進和革新,芯片工藝進入到納米級別,規模和復雜度成倍增長。楊曄認為,EDA 1．0正陷入后摩爾時代困局,面臨著新的挑戰。從市場應用來看,日益細分的應用場景給芯片設計造成了巨大的困難,EDA 1．0的設計周期和驗證方法已經無法支撐起下游市場的更迭速度。其次,復雜集成電路驗證過程消耗的時間成本也隨之增加。據業界統計,芯片制造過程中70%的時間成本都會消耗在驗證上。充分的驗證是芯片成功流片的前提,但依賴于工程師經驗的驗證無論在覆蓋率還是容錯率上都無法得到保障。
圖源:芯華章
另一方面,先進工藝開發投入的IP成本逐漸增加,IP模塊的復用價值被削弱。語言、接口和數據標準化和開放性不足,導致EDA工具嚴重碎片化,影響EDA流程的自動化、智能化發展。此外,楊曄還指出,EDA的開發與應用都需要強大的數學理論支撐,行業壁壘高,芯片設計人才稀缺,這也致使國產EDA發展緩慢甚至停滯不前。
打通芯片設計驗證“任督二脈”
他山之石,可以攻玉。如前所述,EDA 1．0已經無法滿足市場需求,亟需破局的鑰匙。借鑒應用軟件開發的發展經驗,芯華章已經找到了那把突出重圍的鑰匙。楊曄表示,EDA 2．0彌補了前代的弊端和不足,實現了自動化、智能化的芯片設計及驗證流程,為客戶提供快速、專業、靈活的芯片設計服務,是后摩爾時代芯片設計發展的未來方向。
那么如何解決設計難、人才少、周期長、成本高等問題,實現EDA 1．0至EDA 2．0的演進,芯華章給出了三條關鍵路徑:
開放和標準化
EDA 2．0增強了芯片設計流程各個環節的開放程度,包括軟件API接口、數據格式和數據訪問接口等;EDA軟件也對更多硬件平臺開放;芯片內外部總線和接口趨于標準化;商業EDA和開源EDA相結合;IP模塊也更加開放和便捷。
自動化和智能化
以開放和標準化為前提,EDA 2．0縮減了芯片架構在設計、驗證、布局等流程中的人力投入,采用高度并行化的設計工具,結合過去的設計經驗和數據,在設計需求分析、芯片架構探索、設計生成、物理設計及驗證階段進行數據模型化仿真,實現芯片設計全流程自動化,提高芯片設計效率。
平臺化和服務化
EDA工具與云端軟硬件生態相結合,對軟硬件框架和算法進行創新、融合和重構,優化用戶服務。芯華章打造了基于云原生軟件架構的全新服務平臺EDaaS,深度利用云端彈性功能,為客戶提供近乎無限的計算彈性和更優化的使用模式。
芯片設計離不開EDA工具,而EDA 2．0降低了EDA工具的使用門檻和芯片設計門檻,縮減了設計周期,讓芯片設計更加簡單便捷。楊曄表示,芯華章以智能調試、智能編譯、智能驗證為三大基座,提供硬件仿真系統、FPGA原型驗證系統、智能驗證、形式驗證及邏輯仿真等五大產品線,全面覆蓋數字芯片驗證需求,為芯片打通設計與驗證的“任督二脈”。
國產EDA如何破局
EDA發展三十余年,Cadence(楷登電子)、Synopsys(新思科技)和西門子旗下的Mentor Graphics占據了全球超60%的市場份額。2020年國內EDA市場規模為66．2億元,而海外三巨頭就占據了80%以上,留給國產自主EDA企業的份額極其有限。
作為集成電路的上游支撐,EDA工具的重要性不言而喻。楊曄表示,EDA是數字化時代的底層關鍵技術,目前,國產EDA在數字驗證仿真等環節依然存在短板,產業鏈脆弱,因此在中國建立完善的集成電路產業鏈迫在眉睫。
國家政策支持下,對集成電路的重視和支持力度加大,整個產業鏈發展持續向好。隨著汽車、工業、醫療、教育等領域逐漸趨于自動化、網絡化,集成電路產業迎來了發展的爆發期,擁有龐大的市場空間和發展機遇。面對EDA產業機遇,芯華章等眾多企業協同產業鏈專業人士,積極吸納行業頂尖人才,培養新生代技術儲備力量,共同推動EDA 2．0的演進。
從科技革命角度來看,軟件定義芯片的時代已經到來。人工智能、云計算等技術飛速發展,集成電路正在尋求新的突破口,而國產EDA技術也已經踏上新賽道,逐步構建算力、算法和數據深度融合的數字化系統全新生態,打造本土EDA核心競爭力。
