一颗芯片的诞生,要经历一段精雕细琢的漫长过程。在过去的几十年里,芯片的工艺、规模跟随着摩尔定律逐级跃迁,其内部的复杂度、集成度也呈指数级增长。如今,芯片内部集成的晶体管数量动辄数以亿计,而微型化、轻量化的趋势也让芯片的设计难度大幅度增加。

摩尔定律逐渐达到物理极限,先进工艺带来的性能提升空间也随之坍缩,迫使业界将目光转向芯片的设计阶段。芯片内部结构的设计对其能否流片成功起到决定性作用,而作为芯片设计最上游的产业,EDA工具逐渐成为集成电路持续发展的重要支撑。

借助EDA工具,芯片设计公司通过搭建高精度仿真模型,不断发现和排除先进工艺在制造过程中可能产生的问题,求得芯片综合性能、功耗、面积、成本等各方面最优解的解决方案。然而,随着应用需求逐渐细化、工艺迭代红利逐渐减少,EDA发展的步伐越来越跟不上芯片设计规模和需求的快速增长。在芯华章科技产品与业务规划总监杨晔看来,未来十年,集成电路的发展对EDA提出了更高的要求,为了进一步提升设计和验证效率、降低技术门槛、缩短项目周期,EDA工具和方法学亟需创新和突破。

图:芯华章科技产品与业务规划总监杨晔

后摩尔时代,EDA发展困局

集成电路发展初期,芯片设计还是手工绘制版图。随着计算机商业化加速,芯片集成度也在不断提升,人工布线已经无法满足芯片设计需求。脱胎于CAD、CAE的概念,EDA逐渐开始商业化,进入发展的黄金时期。

随着芯片设计方法学逐渐演进和革新,芯片工艺进入到纳米级别,规模和复杂度成倍增长。杨晔认为,EDA 1．0正陷入后摩尔时代困局,面临着新的挑战。从市场应用来看,日益细分的应用场景给芯片设计造成了巨大的困难,EDA 1．0的设计周期和验证方法已经无法支撑起下游市场的更迭速度。其次,复杂集成电路验证过程消耗的时间成本也随之增加。据业界统计,芯片制造过程中70%的时间成本都会消耗在验证上。充分的验证是芯片成功流片的前提,但依赖于工程师经验的验证无论在覆盖率还是容错率上都无法得到保障。

图源:芯华章

另一方面,先进工艺开发投入的IP成本逐渐增加,IP模块的复用价值被削弱。语言、接口和数据标准化和开放性不足,导致EDA工具严重碎片化,影响EDA流程的自动化、智能化发展。此外,杨晔还指出,EDA的开发与应用都需要强大的数学理论支撑,行业壁垒高,芯片设计人才稀缺,这也致使国产EDA发展缓慢甚至停滞不前。

打通芯片设计验证“任督二脉”

他山之石,可以攻玉。如前所述,EDA 1．0已经无法满足市场需求,亟需破局的钥匙。借鉴应用软件开发的发展经验,芯华章已经找到了那把突出重围的钥匙。杨晔表示,EDA 2．0弥补了前代的弊端和不足,实现了自动化、智能化的芯片设计及验证流程,为客户提供快速、专业、灵活的芯片设计服务,是后摩尔时代芯片设计发展的未来方向。

那么如何解决设计难、人才少、周期长、成本高等问题,实现EDA 1．0至EDA 2．0的演进,芯华章给出了三条关键路径:

开放和标准化

EDA 2．0增强了芯片设计流程各个环节的开放程度,包括软件API接口、数据格式和数据访问接口等;EDA软件也对更多硬件平台开放;芯片内外部总线和接口趋于标准化;商业EDA和开源EDA相结合;IP模块也更加开放和便捷。

自动化和智能化

以开放和标准化为前提,EDA 2．0缩减了芯片架构在设计、验证、布局等流程中的人力投入,采用高度并行化的设计工具,结合过去的设计经验和数据,在设计需求分析、芯片架构探索、设计生成、物理设计及验证阶段进行数据模型化仿真,实现芯片设计全流程自动化,提高芯片设计效率。

平台化和服务化

EDA工具与云端软硬件生态相结合,对软硬件框架和算法进行创新、融合和重构,优化用户服务。芯华章打造了基于云原生软件架构的全新服务平台EDaaS,深度利用云端弹性功能,为客户提供近乎无限的计算弹性和更优化的使用模式。

芯片设计离不开EDA工具,而EDA 2．0降低了EDA工具的使用门槛和芯片设计门槛,缩减了设计周期,让芯片设计更加简单便捷。杨晔表示,芯华章以智能调试、智能编译、智能验证为三大基座,提供硬件仿真系统、FPGA原型验证系统、智能验证、形式验证及逻辑仿真等五大产品线,全面覆盖数字芯片验证需求,为芯片打通设计与验证的“任督二脉”。

国产EDA如何破局

EDA发展三十余年,Cadence(楷登电子)、Synopsys(新思科技)和西门子旗下的Mentor Graphics占据了全球超60%的市场份额。2020年国内EDA市场规模为66．2亿元,而海外三巨头就占据了80%以上,留给国产自主EDA企业的份额极其有限。

作为集成电路的上游支撑,EDA工具的重要性不言而喻。杨晔表示,EDA是数字化时代的底层关键技术,目前,国产EDA在数字验证仿真等环节依然存在短板,产业链脆弱,因此在中国建立完善的集成电路产业链迫在眉睫。

国家政策支持下,对集成电路的重视和支持力度加大,整个产业链发展持续向好。随着汽车、工业、医疗、教育等领域逐渐趋于自动化、网络化,集成电路产业迎来了发展的爆发期,拥有庞大的市场空间和发展机遇。面对EDA产业机遇,芯华章等众多企业协同产业链专业人士,积极吸纳行业顶尖人才,培养新生代技术储备力量,共同推动EDA 2．0的演进。

从科技革命角度来看,软件定义芯片的时代已经到来。人工智能、云计算等技术飞速发展,集成电路正在寻求新的突破口,而国产EDA技术也已经踏上新赛道,逐步构建算力、算法和数据深度融合的数字化系统全新生态,打造本土EDA核心竞争力。