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又断供?美国对“芯片之母”EDA下手!如何戳中我们的“软肋”?

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2022-08-07

资料来源:芯智讯等

作者:今天星期四

物联网智库 整理发布

 
毫无疑问,在美国对中国科技企业的打压“工具包”中,“断供”已经成为最常态化的手段。昨日,据外媒Protocaol报道称,美国针对中国大陆企业在芯片设计与制造上的发展,现已有了新的“约束力”手段。美国政府已经做好准备,对用于设计半导体的特定类型EDA软件实施新的出口限制。
 
据知情人士称,由于该软件是涉及设计与制造最先进的人工智能芯片至关重要的下一代技术,美国政府希望借此计划阻止中国相关公司获得该软件,这是美国在与中国的“马拉松式”科技长跑中的重要一招。值得一提的是,报道提到这些软件是使用“Gate-all-around”(环绕栅极,GAA)新技术制造芯片所必需的,典型的应用已经在三星3nm芯片中得到证实。
 
报道还称,此前数月,美国政府一直在权衡该禁令的可能性,但目前看来已是大概率事件。新的出口限制或在未来几周内实施,目前正在由管理和预算办公室进行审查,其实施细节同步敲定当中。针对该消息,美国白宫和商务部尚未回复。
 
 
 

什么是EDA?

 
在半导体芯片行业,EDA属于芯片设计中不可或缺的关键设计工具,被行业内称为“芯片之母”。作为贯穿集成电路设计、制造、封装、测试等产业链各环节的基础工具,EDA可谓是集成电路产业的咽喉,直接影响产品的性能和量产率。
 
 
EDA是Electronic Design Automation的简称,中文名为“电子设计自动化”,是指以计算机为工具,融合图形学、计算数学、微电子学、拓扑逻辑学、材料学及人工智能等技术,辅助工程师自动完成集成电路设计、综合、验证、物理结构(布线、布局和版图)等一系列流程的软件设计工具。
 
在EDA出现之前,传统集成电路的设计复杂程度低,半导体设计制造工业仍较为原始和粗放。芯片的设计由传统设计人员通过手工完成设计和布线等基础动作,前沿的工程师会使用集合方法制造适用于电路光绘的专用胶带(Photo plotter)便可满足需求。
 
然而,随着数据和计算量的激增,相较之前有限的晶体管布局和布线难度,现有的集成电路设计之复杂、规模之庞大、难度之艰巨,早已非单纯的人力范围所能及。这让能够自动完成工程师设计,将程式码转化为实际电路设计的EDA孕育而生。
 
简单来说,工程师向EDA提供完成的HDL code(Hardware Description Language,硬件描述语言代码),EDA会根据逻辑闸设计图的规格对该代码进行修改和调整,生成功能正确的电路图,最后供给后端进行布局模拟和电路制作,形成光罩,然后支持流片到成品。
 
而除了帮助工程师提升芯片设计制造效率之外,EDA同样能够对芯片企业带来重大效益上的提升。简单举个例子,流片作为集成电路设计制造过程中至关重要的一环,成功了意味着产品能够快速投入市场,失败了则意味着成百上千万的资金就这样打了水漂。而通过EDA,在集成电路高度复杂的今天,则能够有效降低芯片设计的试错成本,避免企业真金白银的损失。
 
尤其是在半导体先进制程从7nm不断向5nm、3nm,甚至2nm以下迈进,摩尔定律不断逼近物理极限的今天,DEA软件的作用可谓是重中之重。
 
根据相关报道称,此前美国已经禁止向中国销售10nm或更先进芯片的EDA工具,如果此次禁令出台,无疑会进一步削弱国内企业在利用GAA技术构建芯片上的能力。
 

目前EDA仍是软肋

 
EDA市场规模虽然并不算庞大,但发挥的杠杆效应却十分显著。根据SEMI的数据显示,2020年EDA行业的全球市场规模刚刚超过100亿美元,但却撬动着集成电路行业超过4000亿美元的年产值。重要的行业地位、潜在的巨大商业价值,也让EDA成了业内的“兵家必争之地”
 
 
20世纪80-90年代后,EDA行业在经过数轮的市场竞争、清洗和整合后,逐渐从“百家争鸣”进入到了“三足鼎立”时代。根据目前EDA软件市场来看,Synopsys、Cadence和Siemens EDA(原Mentor Graphics)在全球EDA市场占据绝对领先的优势。
 
数据显示,2019年,Synopsys在全球EDA市场上的份额为32%,2020年进一步提升至32.14%;2019年,Cadence在全球EDA市场上的份额为22.24%,2020年进一步提升至23.4%;2019年,Siemens EDA在全球EDA市场上的份额为10.3%%,2020年进一步提升至14%%。
 
三家EDA软件主要供应商占据了全球市场60%-70%的份额,可见EDA市场格局头部效应十分明晰那。
 
而在中国大陆,EDA市场优势地位更为显著。根据赛迪智库数据显示,2020年,Synopsys、Cadence和Siemens EDA三巨头合集在国内约占到市场的将近90%左右。相比之下,国产EDA厂商的份额只有可怜的11.5%。其中,国内最大的EDA提供商华大九天占据了国内EDA市场约6%的份额。
 
 
而且根据此前华大九天公布的招股书显示,该公司除在电路仿真工具产品一项中支持最高量产工艺制程做到了最先进的5nm,处于国际领先水平,其他包括原理图编辑工具、版图编辑工具、物理验证工具、寄生参数提取工具、可靠分析工具在内的工具仍然停留在28nm制程阶段,尚不能支持16nm及以下先进工艺制程,与先进工艺的同类领先工具仍存在一定差距。
 
另外,来自一份向美国证券交易委员会提交的季度文件显示,Synopsys和Cadence第二财季中,分别各有17%和13%的收入来自于中国大陆。不过,这些文件中并没有清楚指出Synopsys和Cadence的收入中,有多少是来源于用于GAA技术相关芯片的EDA软件。
 
同时报道提到,目前Cadence和Siemens EDA尚未就该消息进行表态,不过Synopsys的一位发言人表示,该公司将遵守美国的所有出口管制。
 

围剿中的国产EDA

 

 

事实上,这并不能算作中国大陆第一次被EDA困住。早在1949年12月,成立仅一个月的“巴黎统筹委员会”就对中国实行了禁运,在很长的一段时间内,国外的EDA都无法进入中国。
 
1986年7月,电子工业部执行国家的决定,确定在北京、上海、无锡建立3个集成电路设计中心,并以北京为重点,先行一步。不久后的“七五”期间,IC CAD自主开发任务交给了北京集成电路设计中心牵头,动员全国17个单位、超120名专家(后增至300名),共同开发国产EDA。
 
 
最终历经3年时间,攻关组在1991年对外发布了新一代CAD系统的原型版本——熊猫系统。该系统的问世打破了国外EDA的长期封锁,并在此后不断完善,1995年更是进入包括美国在内的国际市场,拥有5家客户,共20余套系统和工具出售。
 
不过好景不长,1994年,“巴统”禁令取消,EDA三巨头纷纷涌入中国市场,以成熟的技术、低廉的价格、免费赠送等组合拳,快速收割着市场份额。
 
相比之下,上述三巨头可谓优势尽显。比如,无论是Synopsys、Cadence还是Siemens EDA,在其过往的发展中,通过大量的整合并购吸收和容纳外部的实力,让它们很快能够在EDA市场上“独领风骚”。其次是当地政府扶持也让它们在长期的发展中有着不断的给养。比如Cadence,作为由SDA System和ECAD合并而来的EDA巨头,凭借出色的班底被直接保送至全球前三。而除此之外,美国国防部对其长期的支持,也是Cadence一直处于行业巅峰的关键。
 
虽然现在来看,国际EDA巨头的涌入让中国的集成电路行业与世界进一步接轨,诞生了如华为海思这样的优秀芯片设计企业。但与此同时,国内EDA的发展与在缺少养分和市场环境的情况下逐渐凋零。如今,伴随着中美全方位的摩擦和对抗,国产EDA软件实力不足的软肋再次被现实揭开,无疑又为国产EDA的发展提供了重要发展机遇。
 

国产EDA发展正当时

 
从政策来看,自2008年中国工信部启动“核高基”重大专项计划起,国内EDA产业得到了国家层面的大力扶持。在“十二五”和“十三五”期间,我国继续发布了多项鼓励政策,支持EDA技术的发展和突破。
 
尤其是在去年,国家及地方政府纷纷发布的“十四五”规划当中,大力发展集成电路设计工具(EDA)明确被写在当中,其中,上海、山东、江苏、浙江、广东等沿海地区皆为重点支持EDA发展的省/市。
 
在产业方面,国内EDA企业也有如群星冉冉升起,并能够在资本市场获得青睐。比如华大九天,作为“熊猫系统”的继承者,华大九天可以说是国产EDA的“国家队”。虽然仍旧与国外EDA行业巨头存在差距,但在某些方面还是值得称赞的。
 
目前,华大九天已发展成为我国规模最大、技术最强的EDA龙头企业。可以提供全流程数模混合信号芯片设计系统、SoC后端设计分析及优化解决方案、平板(FPD)全流程设计系统、IP以及面向晶圆制造企业的相关服务,其客户覆盖国内众多集成电路企业。
 
2021年,包括华大九天、概伦电子、国微思尔芯以及广立微在内的4家国产EDA企业,还纷纷登陆了资本市场。
 
在学术方面,去年底华中科技大学官方微信公众号公布该校在11月4日结束的EDA领域国际会议ICCAD 2021上,华中科技大学计算机学院吕志鹏教授团队获得了CAD Contest布局布线(Routing With Cell Movement Advanced)算法竞赛的第一名,也让人颇为惊喜。
 
在市场方面,在全球集成电路及EDA行业发展持续向好的情况下,我国集成电路产业保持高速增长的大背景下,我国2018年、2019年、2020年EDA行业总销售额分别约为44.9亿元、55.2亿元和66.2亿元,实现连续增长。其中,2020年我国自主EDA工具企业在本土市场营收约为7.6亿元,同比增幅65.2%。
 

结尾

 
总而言之,美国新一轮的打压禁令的大棒落下来后,从国内产业的发展来讲,一定会经历一段时间的阵痛,但与此同时,在国内环境逐渐向好的情况下,也要对国产化保有一定的信心。因为一个国家的强大,一定离不开每一个细节,而EDA这块硬骨头,我们当然也啃得下。
 
参考资料:
 
1.华大九天首次公开发行股票并在创业板上市招股说明书
2.《EDA的中场战事》,我思锅我在
3.《EDA软件:半导体行业的“七寸”(深度)》,计算机文艺复兴
4.《EDA市场三足鼎立,国产EDA有何机会?》,全球半导体观察
5.《EDA,国产芯片最薄弱一环》,赛博汽车
6.《传美国将对华断供GAA技术相关的EDA工具》,芯智讯