你不會以為EDA軟件開發(fā)就只需要軟件工程師吧？
在剛剛過去的12月28日，EDA廠商概倫電子正式登陸科創(chuàng)板。作為國內EDA板塊第一股，概倫電子一上市就受到狂熱追捧，開盤第一天股價漲幅53.57%，市盈率達到驚人的575.28倍。
EDA第一股在金融市場上的成功卻掩飾不了這個行業(yè)嚴峻的現實。根據概倫電子招股說明書中披露的行業(yè)數據顯示，三大EDA巨頭——新思科技Synopsys、鏗騰電子Cadence、西門子EDA（原明導Mentor Graphics）——全球市占率超過77%，如果加上第四是德科技Keysight、第五ANSYS，那么前五大國外EDA 公司累計占有了約 85%的份額，留下國產廠商在夾縫中生存。
圖：全球EDA市場份額，內圈至外圈分別為 2018-2020 年數據（資料來源：概倫電子招股說明書）
IC產業(yè)卡脖子的危機讓我們認識到了EDA軟件的重要性和落后的現實，但從軟件工程的角度來看，我國并不是一個軟件開發(fā)的弱國。每年從各大院校畢業(yè)的軟件工程師不計其數，程序員如今依然是一個高收入的金領工種。比如在OA信創(chuàng)領域，在國家的推動下，計算機操作系統(tǒng)、辦公自動化軟件、數據庫軟件、云計算軟件等等基礎軟件都在陸續(xù)實現國產替代。
那我們不禁要問，同樣是基礎軟件，為什么國產EDA目前的形勢依然不容樂觀？換句話來問，EDA軟件到底難在哪兒，以至于我國這么龐大的軟件人才儲備竟然還搞不定？
EDA：先有物理，后有軟件
EDA的作用一句話就可以說明白：用軟件模擬的方式達到預設的各種電路性能指標，然后再去foundry廠流片。如果IC設計時各種參數都達標，但片子流回來一測，數據飄到天上去，這就是徹底的失敗。那么如何保證EDA里的電路設計跟真實芯片之間性能一致呢？
答案是：精準的器件模型。
IC電路的基本單元是晶體管，稱為CMOS管。在EDA里需要一套數學公式來描述晶體管的基本物理參數關系，比如最基本的柵極G、源極S、漏極D的電壓—電流關系，類似于電阻的電壓和電流公式I=U/R。晶體管的U-I公式當然會更復雜，但基本思路和原理是一致的。這套數學公式稱為晶體管的器件模型。
圖：N型晶體管和P型晶體管截面圖
用數學公式表征的器件模型就是EDA軟件和實際工藝制程之間的橋梁，器件模型越準確，EDA仿真的電路就越接近于真實芯片。那這個器件模型很難嗎？
答案是：難，特別難。
由于芯片的種類和應用場景多種多樣，器件模型要能反映晶體管在各種工作條件下的實際情況，那么模型的類型至少要包括：直流、交流、靜態(tài)、瞬態(tài)、噪聲、壓力、射頻、可靠性……
更大的難度在于，如今晶體管的尺寸已經縮小至納米尺度，在這個尺度下，晶體管會產生很多量子效應，比如短溝道效應、彈道輸運效應……工藝制程每前進一個世代，晶體管尺寸每縮小一次，就會出現更多物理效應。對晶體管建模先要從量子力學、半導體物理等理論層面理解一個新效應背后的物理機理是什么，然后再用數學公式去描述新產生的物理效應對電流、電壓、電阻等基本物理量的影響。
這還沒完。
芯片大致可以分為數字芯片和模擬芯片，數字芯片里晶體管的的工作模式只有高電壓和低電壓，即“1”和“0”。實際上，數字芯片會允許有一個可接受的工作電壓區(qū)間，比如說電壓在0.1—0.3V被視為“0”，電壓在0.3—06V被視為“1” 。那模型的精度就可以有一定的容錯率。
但模擬芯片里，各種參數是連續(xù)變化的，不存在“0”到“1”之間的跳變，模型就要精準的描述所有變化，對精度要求會更高。尤其是射頻芯片，工作頻率高達GHz，在如此高頻的振蕩電路里，芯片襯底會產生很多寄生效應，各種寄生電阻、寄生電容、寄生電感都會出現，模型要包含所有寄生效應，對半導體基礎物理理論的理解要求更高，另一方面對foundry廠工藝的一致性要求也更高。
圖：射頻電路里晶體管襯底各種寄生效應的等效電路
這也是為什么我們能有一批還不錯的數字芯片設計公司，比如海思、展銳、瑞芯微、全志……但在模擬芯片和射頻芯片領域，國產廠家與國外的差距更大，更不容易追趕。
因此，對于EDA軟件，先有量子力學、半導體物理、固體物理的物理知識，然后才是對物理知識的軟件化。我們在EDA上的劣勢反映的其實是在半導體基礎科學上的弱勢。
芯片設計EDA的終極考驗是——數學
器件模型的建立一般是foundry廠來完成，foundry對工藝線上制造出來的每一個器件都會建立一套數學模型，然后打包成PDK（process design kits，工藝設計工具包）發(fā)給IC設計公司使用。
IC設計公司將各種模塊的IP綜合在一起，然后EDA軟件調用PDK里的數學公式計算整個電路的綜合參數。于是，考驗芯片設計類EDA軟件的時候到了。
以海思麒麟9000為例，這塊5nm制程的芯片包含了153億個晶體管，一個晶體管對應一套數學公式，要算出這么多晶體管組合在一起的整體計算結果，考驗的是EDA軟件的算法有效性和快捷性。而且EDA還要理解晶體管與晶體管之間的拓撲結構，按照一定的區(qū)域劃分出不同的電路單元分塊計算。從下圖就能十分清晰的看出，設計類EDA軟件的核心競爭力在于數學和高效算法。
圖：芯片設計類EDA技術概覽（資料來源：概倫電子招股說明書）
再以芯片中的金屬布線為例，麒麟9000中的153億個晶體管都要用金屬導線連接起來，靠人去布線是不可能的，只能靠EDA軟件里的算法來實現，還要盡可能減少金屬導線的總長度。畢竟金屬導線越長，芯片的制作成本越高。
在數學里，這個問題可以抽象成找到遍歷153億個節(jié)點的最短路徑問題，這是圖論里的一個經典問題。其最初最簡單版本是七橋問題，即找到走完一個城市內7座橋的最短路線。
圖：數學圖論中的七橋問題和抽象圖表示
從7個節(jié)點到153億個節(jié)點，對芯片金屬布線算法的要求可見一斑。如此復雜的金屬布線靠人去檢驗也是不可能的，同樣也只能靠算法自己檢驗。IC設計師們常說的跑電路仿真，實際上軟件內部真正運行的是各種極其復雜的數學算法。
圖：芯片內部金屬導線顯微鏡放大圖
因此，與其說設計類EDA是電子工程軟件，不如說它是數學軟件。先有數學上的突破，才有EDA的易用性。否則，如果算法太慢，一塊芯片仿真的時間以天、甚至以月來計，計算結果還不一定正確，那這樣的EDA軟件哪個設計公司會用呢？
國產EDA軟件的成色到底如何
聊完EDA的技術難點，再來看看國產EDA公司的產品到底有多少技術含量，競爭力如何。還是以已經上市的概倫電子為樣本。
從其招股說明書中可以知道，概倫電子的EDA產品主要有兩類客戶，制造類EDA工具的客戶是以臺積電、中芯國際、聯(lián)電為代表的foundry廠，用于中低頻工藝平臺、基帶芯片、存儲器芯片的器件建模，在較高工作頻率、射頻芯片的模型上還不能使用；設計類EDA工具的客戶是以三星電子、SK海力士、鎂光、長鑫存儲為代表的存儲器芯片公司。
由于存儲器芯片內晶體管的工作模式較為簡單，只工作在0和1的狀態(tài)，不涉及復雜的電路性能計算。因此，其設計類EDA軟件在一般的IC設計公司里使用較少。最更大的差距在于，EDA巨頭們將芯片IP也集成在設計軟件里，更加降低IC設計公司的設計門檻。從下圖就可以看到，新思科技Synopsys和鏗騰電子Cadence還是全球第二、第三大IP授權公司。將IP和EDA綁定，IC設計公司的使用粘性會更強，國產EDA要在IC設計領域打破國外壟斷會更難。
圖：全球10大芯片IP公司（資料來源：IPnest 2021.4）
在EDA軟件里最核心的半導體器件模型上，概倫電子使用的依然是BSIM、HiSIM、PSP這些外國的器件模型。其中BSIM和PSP是美國的，HiSIM是日本的。從這個角度也可以看出，EDA三大巨頭全部都創(chuàng)始于美國不是沒有原因。沒有國產半導體器件模型，對應于芯片設計領域里，就是沒有一套自主開發(fā)的指令集。
綜合產品的各個維度，可以看到國產EDA軟件的差距依然巨大。概倫電子在從其招股說明書中是這么說的：“新思科技、鏗騰電子、西門子 EDA 等國際競爭對手相比，公司在產品種類豐富度上存在較為明顯的差距。前述國際競爭對手豐富多樣的產品種類可以滿足下游客戶的多方面需求，為其提供一站式采購選擇。公司產品種類相對國際競爭對手較少，導致公司在產品銷售協(xié)同效應上處于劣勢，同時在公司經營中產品失敗的風險難以分散！
從披露出的信息來看，概倫電子對每家客戶的EDA授權使用費大致在100萬元/年。而從網上收集到的信息顯示，Cadence一個license費用大致在一百萬美元，價格差距6—7倍。
圖：概倫電子EDA 工具主要業(yè)務指標（資料來源：概倫電子招股說明書）
寫在最后
華為最困難的那兩年里，任正非在很多媒體采訪中都會說這么一句話：搞芯片光砸錢不行，得砸數學家、物理學家、化學家。
明白了EDA軟件的核心技術難點就會明白，任正非的這句話絕不是心血來潮。半導體產業(yè)的物理基礎是量子力學、固體物理、納米材料，沒有在基礎理論上以十年計的長期積累，要想取得實質性的突破是不可能的。而基礎理論研究更適合于高校、研究院來搞。
好消息是，國內一批頂級大學都陸續(xù)成立了集成電路學院，如清華大學、北京大學、華中科技大學、北京理工大學、天津理工大學、中山大學……，尤其是北京大學在集成電路學院成立的新聞通稿里這樣寫道：
北京大學集成電路學院將加強與北京大學計算機、數學、物理、化學、材料等多個優(yōu)勢學科的交叉融合，著力集成微納電子、電子設計自動化、集成電路設計、集成電路制造、集成微納系統(tǒng)五個重點方向。其中隱然已經有劍指EDA軟件的意思。
更好的消息也來了，2021年11月4日，華中科技大學的一支團隊在ICCAD2021（計算機輔助設計國際會議）芯片布局布線算法競賽中獲得第一名。
路還很遙遠，但至少曙光初現了。
編輯：ZQY 最后修改時間：2022-07-14
