一顆芯片的誕生,要經(jīng)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(guī)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(shù)級增長。如今,芯片內部集成的晶體管數(shù)量動輒數(shù)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(yè)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?jīng)Q定性作用,而作為芯片設計最上游的產(chǎn)業(yè),EDA工具逐漸成為集成電路持續(xù)發(fā)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(fā)現(xiàn)和排除先進工藝在制造過程中可能產(chǎn)生的問題,求得芯片綜合性能、功耗、面積、成本等各方面最優(yōu)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(fā)展的步伐越來越跟不上芯片設計規(guī)模和需求的快速增長。在芯華章科技產(chǎn)品與業(yè)務規(guī)劃總監(jiān)楊曄看來,未來十年,集成電路的發(fā)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(chuàng)新和突破。

圖:芯華章科技產(chǎn)品與業(yè)務規(guī)劃總監(jiān)楊曄

后摩爾時代,EDA發(fā)展困局

集成電路發(fā)展初期,芯片設計還是手工繪制版圖。隨著計算機商業(yè)化加速,芯片集成度也在不斷提升,人工布線已經(jīng)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(yè)化,進入發(fā)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(guī)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(zhàn)。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(jīng)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(jù)業(yè)界統(tǒng)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(jīng)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(fā)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(shù)據(jù)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(fā)展。此外,楊曄還指出,EDA的開發(fā)與應用都需要強大的數(shù)學理論支撐,行業(yè)壁壘高,芯片設計人才稀缺,這也致使國產(chǎn)EDA發(fā)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(jīng)無法滿足市場需求,亟需破局的鑰匙。借鑒應用軟件開發(fā)的發(fā)展經(jīng)驗,芯華章已經(jīng)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(xiàn)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(yè)、靈活的芯片設計服務,是后摩爾時代芯片設計發(fā)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(xiàn)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(huán)節(jié)的開放程度,包括軟件API接口、數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)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(yè)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(jīng)驗和數(shù)據(jù),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(shù)據(jù)模型化仿真,實現(xiàn)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(tài)相結合,對軟硬件框架和算法進行創(chuàng)新、融合和重構,優(yōu)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(yōu)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(tǒng)、FPGA原型驗證系統(tǒng)、智能驗證、形式驗證及邏輯仿真等五大產(chǎn)品線,全面覆蓋數(shù)字芯片驗證需求,為芯片打通設計與驗證的“任督二脈”。

國產(chǎn)EDA如何破局

EDA發(fā)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(jù)了全球超60%的市場份額。2020年國內EDA市場規(guī)模為66．2億元,而海外三巨頭就占據(jù)了80%以上,留給國產(chǎn)自主EDA企業(yè)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(shù)字化時代的底層關鍵技術,目前,國產(chǎn)EDA在數(shù)字驗證仿真等環(huán)節(jié)依然存在短板,產(chǎn)業(yè)鏈脆弱,因此在中國建立完善的集成電路產(chǎn)業(yè)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(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展持續(xù)向好。隨著汽車、工業(yè)、醫(yī)療、教育等領域逐漸趨于自動化、網(wǎng)絡化,集成電路產(chǎn)業(yè)迎來了發(fā)展的爆發(fā)期,擁有龐大的市場空間和發(fā)展機遇。面對EDA產(chǎn)業(yè)機遇,芯華章等眾多企業(yè)協(xié)同產(chǎn)業(yè)鏈專業(yè)人士,積極吸納行業(yè)頂尖人才,培養(yǎng)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(jīng)到來。人工智能、云計算等技術飛速發(fā)展,集成電路正在尋求新的突破口,而國產(chǎn)EDA技術也已經(jīng)踏上新賽道,逐步構建算力、算法和數(shù)據(jù)深度融合的數(shù)字化系統(tǒng)全新生態(tài),打造本土EDA核心競爭力。