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美国芯片设计软件再断供,绊倒中国半导体?

时间:2022-08-15

来源:控制工程网

导语:EDA技术第一个将关于计算建模、计算思维、计算探索的概念和技术,成功应用于电子电路设计工程领域。

  再次断供。近日,美国商务部工业安全局BIS宣布对中国进行EDA软件的断供。与此同时提到的技术有两种超宽禁带半导体材料,还有一种燃气轮机的压力增强燃烧技术。半导体和发动机,是美国看守最严的两项技术。

  美国的EDA电子设计自动化软件对中国企业的熔断,已经是第三次了。第一次是2018年对付中兴;第二次是2019年断供华为;而这一次,干脆是对中国整个企业。

  这次禁运,事关半导体未来十年的格局。半导体制程已经进入3纳米后工艺,摩尔定律面临着失效的局面,而半导体界正在采用一种全新的全栅场效应晶体管GaaFET来应对更先进的制程,以替代之前一直使用的鳍式场效应晶体管FinFET。三星已经在其3nm工艺中使用GAA晶体管,而英特尔和台积电打算在2024年将GAA用于其2nm工艺。而美国商务部此次禁运的并非全部EDA软件,而是针对能够设计GaaFET结构芯片所必须的EDA软件模块。换言之,这是对高级制程的高级模块的禁售。实际上欧美一些仿真软件CAE的很多模块一直都是禁售的,这是发达国家的常用技法,它们会采用熔断战术,抽掉身后的梯子,将后发追赶国家的技术锁定在前几代的技术平原上。

  实际上,对于中国半导体的封堵,美国政府采用了软硬兼施两手棋。美国已经禁止荷兰阿斯麦ASML向中国销售极紫光刻机EUV机器,现在正在考虑禁止深紫光刻机DUV机器,后者可以加工128层以上的闪存存储器。而这两天,美国最大的几家半导体设备制造商,如科磊KLA和泛林LAM,已经宣布不再向中国出售14纳米制造的设备。

  一场面向未来的封堵,正在杀气腾腾而来。

  倒金字塔的尖尖角

  没有任何一种工具,能够像电子设计自动化(EDA)软件那样,跟半导体行业的飞速发展如此紧密地绑定在一起。摩尔定律引领半导体行业60多年,EDA软件则是这个先知定律的最忠实的伴随者——它从来没有跟丢过。如果没有它,半导体的飞速发展,是不可想象的。

  整个EDA软件的全球市场规模仅约为100亿美元,相对于5000亿美元的半导体产业,它的产值几乎不可见。但是,如果没有了这块基石,全球所有的芯片设计公司都会立即停摆,半导体倒金字塔瞬间坍塌。

  EDA软件的工作,是在芯片狭小的空间进行布局、走线和事前分析,如同在一颗米粒上刻出航空母舰模型那样。离开专业的EDA工具,半导体的设计和制造都是不可想象的事情。

  电路仿真软件SPICE作为最早的、在今天仍然是最重要的软件之一,诞生于1971年。虽比摩尔定律的提出时间晚了6年,但它自诞生之日起就成为摩尔定律最忠诚的保驾护航者。

  在2001年的时候,半导体技术沿着摩尔定律发展的最大威胁,来自设计费用的飙升。EDA软件的发展,成功地平复了设计成本的可能暴涨。实际上,它一直是在扮演“成本杀手”的角色。根据美国加州大学Kahng教授的计算分析,在2011年一块系统级芯片(SoC)的设计费大约是4000万美元。如果没有EDA技术的进步,这笔费用从2001年到2011年这10年就会上升至77亿美元。可见,EDA软件把设计费用整整降低了大约200倍。

  EDA技术第一个将关于计算建模、计算思维、计算探索的概念和技术,成功应用于电子电路设计工程领域。它改变了电子工程师设计和制造集成电路的方式。今天要设计任何一个电路,都可以从可执行编程语言规定的高度抽象的计算模型开始。然后,电路设计经过一系列综合、转换和优化,再进行严格的数字模拟和原型设计,接着是正式和半正式的验证,最后通过先进的光刻和化学工艺制造出来。各环节高度专业化,界面清晰,分工明确。

  此外,EDA技术是计算机科学与工程跨领域合作的成果。计算机科学家和EDA工程师与电气工程师合作,获得了不同层次的电路模型;他们与物理学家和化学家合作,推出了制造模型;他们与理论计算机科学家合作,进行各种复杂性分析;他们与应用数学和优化专家合作,开发出伸缩性很好的模拟和综合算法;他们与应用领域专家合作,开发出知识产权(IP)库。

  正因为如此,EDA软件成为半导体行业的骄子。电子电路设计领域遇到的问题,比如说成本压力、复杂性挑战、多样性挑战,有很多是需要通过EDA技术来解决。与此同时,EDA技术也在扩展其自身的应用领域,跳出电子电路的窠臼,解决诸多新兴领域的设计自动化问题。当硬件行业越来越多的讨论“后摩尔时代”的时候,EDA软件责无旁贷地挑起了重担,不仅要延续“摩尔定律”,而且要实现“超越摩尔”的雄心。

  摩尔定律成为半导体领域的铁律,使得行业预测变得简单、直白且管用,也使得整个领域的上下游,都不得不以同样的速度演化。这正是EDA软件面临的状况。它需要为半导体产业不断提供设计下一代芯片的方法和工具。EDA软件不断被时间追赶,永远在赛道上飞驰。

  奇怪的归属

  最早的EDA软件,其实是属于机械CAD软件供应商之下。在上个世纪五六十年代的明星CAD软件,如Applicon、CALMA和CV等,同时也会有EDA软件。电子行业,并没有呈现跟机械行业,有什么格外不同的地方。设计软件,也都是在一起。

  当然,在那个时候,CAD软件也并不是独立的产业。现在到处都是“软件定义硬件”,尽管也是过溢之词,也呈现了软件扬眉吐气的一面。但在当时,软件都处于从属地位,都需要依附在硬件厂商的门下。当时算力明显不足,存储空间也是奇缺,硬件比黄金还贵,软件自然也是难成气候。

  这些开创了CAD软件时代的早期公司现在基本上都不存在了。导致这些软件消亡的原因,是当年软件发展的一个通病:软件都是跟工作站和硬件紧密绑定在一起。定制化现象太严重,机器移植也太复杂。小型机和PC机的崛起宣告了它们的死亡:这是僵化和捆绑付出的时代代价。

  可以说,EDA软件在最早的时候是机械CAD软件的附属品,那是一个机械的时代。但EDA软件和CAD软件这两者,看似同宗同源,却差别甚大。一个服务于电子半导体行业,跟着摩尔定律走;一个服务于机械、航空、汽车、轮船等制造行业,跟着物理定律走。两者有着本质上的不同。

  这导致二者后来,各自分道扬镳,到了今天几乎是完全不同的行业。

  软件前传

  半导体芯片设计公司与设计验证工程师最离不开的软件,当属电路仿真软件SPICE。它在仿真模拟电路、混合信号电路等许多场合纵横驰骋。其实,它才是最正宗的EDA软件鼻祖。作为最早的电子设计自动化软件,SPICE在今天仍然位列最重要的软件之一。

  美国加州大学伯克利分校电机工程与计算机系的唐纳德·佩德森教授,造就了三个传奇。第一个传奇是他在20世纪五六十年代就设法在加州大学伯克利分校里建设了半导体制造厂。MiniFab是第一个设立在大学里的“微电子制造厂”。这让小规模的工艺实验成为可能,极大地促进了该校电子工程学科的发展。第二个传奇是他对于电路仿真程序SPICE的巨大贡献。在他的支持下,来自电机系与机械系几乎对电子一窍不通的大学生们,凭借着高超的数学理论和数值分析基础,生硬地通过稀疏矩阵算法实现了方程组的求解,完成了电路仿真程序。可以毫不夸张地说,SPICE完全出自数学理论的功底。又见数学的荣耀,它是工业软件的根基。

  第三个传奇是,佩德森教授也是开源运动的发起人。他允许SPICE四处扩散,几乎可以免费使用。唯一的回报要求,就是开发者要把增加的代码发回来。这比1991年大名鼎鼎的开源操作系统LINUX内核开源,整整早了20年。

  可以说,佩德森教授不仅仅是SPICE之父,也是软件代码开源运动的鼻祖级人物。实际上,伯克利分校的有限元仿真软件也独步天下,而且代码也是开源的。20世纪八九十年代,以北京大学为代表,从加州大学伯克利分校带回有限元仿真软件的火种。其中,SAP84有限元仿真软件在国内四处传播,名噪一时。这是一个知识向全世界开放的黄金时代。

  没有商业利益的熏陶,知识都是慷慨的。当然了,软件也就根本不值钱。硬件,足够了。

  当时的半导体巨头如惠普、泰克和德州仪器等公司,纷纷建立了自己的CAD部门,将SPICE程序进行改编,为自己部门所用。整整十多年,产业界与学术界进行了大规模地知识吞吐和交换,SPICE多个版本不断迭代演化,其功能发展迅速。1993年,加州大学伯克利分校最后一次更新SPICE版本,SPICE达到了巅峰,它的求解算法已经炉火纯青。这种大规模的商业+学术的无私合作,是制造业发展史上十分罕见的一幕。之后,SPICE逐渐出现商业化版本,但深深烫烙于这款EDA软件身上的工业印记却永远无法磨灭。

  这种奇特的学术与产业的哺育与反哺现象,也间接地打造了美国EDA软件在全球的霸主地位。在全球软件领域,无论是哪种类别的软件,在美国之外基本上都有旗鼓相当的竞争对手,唯独EDA软件主要是美国最强(西门子收购了美国的第三大EDA软件Mentor,但也还是在美国)。听上去,这也像是一个悖论:加州大学伯克利分校广为开放传播软件源代码,反而造就了最成功的软件霸主。

  第二代EDA软件

  SPICE只能解决小部分的问题,更多的EDA软件功能,需要更加商业化的接班人来实现。

  在20世纪70年代,电子设计自动化软件开始出现第二代旗帜。当时最有名气的三驾马车中,Daisy Systems公司和Valid Logic公司出售自有的硬件和软件系统,工作站也是自己开发的;Mentor公司则开发专用软件,捆绑在阿波罗(Apollo)工作站上。

  这三家基本上都是把软硬件放在一起,看上去似乎与第一代EDA软件的差别不大。然而,时代不同了,全新的赛道出现了:那就是专用集成电路(ASIC, Application Specific IC)。

  当时半导体的世界,都是集成一体化的世界,前后都做。类似于“大陆漂移说”中所提到的,地球的五大洲是一体的。集成电路(IC)的设计队伍,都在强大的半导体公司,从头做到尾。集成电路设计是一门高门槛的技术活,它是由庞大的半导体制造商的设计部门自己完成的,如IBM、通用电气的内部设计部门。可以想象,复杂的逻辑和物理设计、库和过程开发、封装,都由一个团队完成。这是一个封闭的金字塔,一般人难以走进。

  然而,ASIC的发展,彻底改变了这种封闭的局面。集成电路的设计不再是那些大型半导体厂商的专利。ASIC仍是集成电路,但设计者的理念已经完全不同。电子设计自动化的软件商创造了一些半定制和定制方法,使得系统设计师们不需要了解通用IC的物理版图、加工工艺,就可以利用编程语言进行设计。

  ASIC的体量更大、需求更容易满足,系统设计者也远比那些内部设计团队更加开放,EDA软件因此得到了迅速扩张。这大幅增加了EDA软件从业人员的数量。这些很多来自华裔的从业人员,逐渐构成了一种强大的软件土壤。独立的EDA软件厂商,开始出现,可以单独为半导体厂商服务。

  然而,第二代EDA软件的缺陷跟第一代EDA软件,一样明显,那就是过于依赖硬件。软件和硬件紧密地绑定在一起,硬件收入占比最大。这是一个时代的印记,软件依然是附属品。

  只有当硬件随着摩尔定律的路径,越跑越快,成本越来越低,算力变得并不稀缺,新的软件模式出现了。

  软件崛起:决定性的一步

  第三代EDA软件与第二代EDA软件的区别,在于商业模式,而不在于出现的时间:它们其实几乎是在同一时间形成的。可以说,这两代之间并不存在一个进化关系,而是基于对未来判断的两条路径的选择。第三代EDA软件主要以Cadence公司和Synopsys公司的产品为代表,它们一直顽强地活到了今天,并成为霸主地位。

  Cadence公司是在1982年成立的,仅仅比第二代三驾马车之一的Mentor公司的成立晚一年。来自加州大学伯克利分校的尖子生和贝尔实验室的科学家,在Cadence开创了一种全新的商业模式,那就是“只卖软件”(Software Only)。这是一种从未有过的软件业务模式。此前所有软件,都是捆绑在硬件设备上搭配销售。那是一个硬件为王的时代。硬件的存储、计算、显示都是极其昂贵的稀缺资源,软件不过是珍贵花瓶上有颜色的花纹而已——尽管这些花纹让硬件显得更加物有所值。

  现在看起来,第二代EDA软件独立公司中存在时间最长的Mentor,在2016年被西门子公司45亿美元收购是有前兆的。1990年的时候,Mentor公司依然对“只卖软件”模式表现出了不屑一顾。时任公司董事长说,从未见过单独软件销售能够存活。历史上“软件是硬件的附属”的印象,很难被打破。虽然它后来通过并购,积极调整战略,也保持了EDA软件公司三强之一的地位。但与第三代EDA软件两大巨头的差距仍越来越大,最后成了西门子的盘中餐,丧失了独立地位。或许,这就是第二代EDA软件公司Mentor的宿命,早在它三十五年前出生之时就已经注定。这一时刻,信息技术革命正在悄然走向软件为主导的方向。EDA软件的第二代与第三代的差别,正是软件走向独立的时代所投射下来的影子。

  Cadence公司引入投资的独特模式,同样引人注目。这又是软件得以生存的关键一步:软件是用出来的。Cadence把入股机会留给了下游厂商,类似通用电气、爱立信、IBM等半导体生产商,这些下游用户各自投入了100万美元。这是一种高明的融资术。Cadence公司聪明地让下游半导体设计制造商,与自己捆绑在一起。没有半导体厂商提供工艺、提供反馈,EDA软件的长大是不可能的。这次投资的分布,也明显地表明了EDA软件的工业属性而非IT属性。“工业反哺胜于投资”是研发工具软件的一个重要特点,这不是靠钱能砸出来的,它需要的是工业用户的经验。

  Cadence公司还开创了合伙人制度,宣示了这个领域对领军人物知识价值的高度认可。Cadence公司的创建,本质上是基础科学的胜利,也是一个基础研究与产业热情相互对接的胜利。加州大学伯克利分校的尖子生和贝尔实验室的科学家一起,成就了一个非凡的产业:规模虽小,但威力超群。

  四年之后成立的Synopsys公司,延续了Cadence公司所有的创新机制。实际上,这种合伙人制度已经成为半导体行业的一种惯例。

  早期电路板的物理设计人员干的是一门精密的工匠活,需要动手处理每一个晶体管,绝对属于高强度的劳动密集型,并且需要头脑灵活。随着晶体管集成度的提高,其复杂程度已经大幅超越了工程师的逻辑极限。这个时候,单元库出现了,它包含了预先设计好的各种特性的逻辑门。就像现在的数据模板调用一样,设计人员能花更少的时间和精力设计出更大规模的电路。单元库拥有很多优势,使得电路设计工作很容易从一家晶圆工厂移植到另外一家。最重要的是,半导体的设计思路转向了抽象化,即在一个更高的层次上进行设计,而把那些底层的细节设计都归并到单元库和CAE软件工具中。

  Synopsys公司的团队在这个时候登场了,团队成员来自通用电气的微电子中心。所有工业软件的发展,都非常依赖创始人的出身和气质。一个工业软件的DNA基因,完全是个人英雄主义的投射,基本都是来自工程师。通用电气的工业背景,给Synopsys公司带来了扎实的根基。事实上,1986年创办的Synopsys公司,主要就是利用了在通用电气兴起的综合技术。以前的芯片设计都是工程师从底层的电路板设计开始。有了抽象化的技术之后,设计师可以直接采用高级语言“设计电路板”,然后通过逻辑综合工具把抽象的设计,自动转化成机器语言,形成由各种逻辑门组成的电路组合。

  Synopsys公司能在起步的时候就引领了行业的技术优势,很大原因在于它推进了抽象化的发展,使得整个行业的设计前进了一大步。抽象化成为产业界的标准,也进一步扩展了芯片设计群体。就像系统设计工具扩展了专用集成电路设计师群体那样,抽象语言使得大量的工程师能够参与进来,形成了一个蔚为壮观的工程师社群。

  此外,知识产权(IP)的发展,再次推进了EDA软件的发展。这是硅基系统设计方面的一个里程碑。英国ARM公司的登场,带来一个全新的商业模式:将各种设计库虚拟化,然后授权给其他企业使用。这意味着,作为处理器的交付物,不再是具体的物理产品,而是以一种数字化存在的IP模块形式而存在。ARM公司的这种思想对整个半导体行业产生了重大的影响。物理实体变成了软件定义,处理器就是IP模块。Synopsys公司很快就注意到了这种模式的价值,它迅速进入这块阵地,使得IP模块收入成为其整个收入的重要一块,当前它的近1/3的产值来自于此,而且这块业务发展势头强劲。

  IP模块的高速发展,极大地扩展了EDA软件的灵活性。这是一个极简主义和知识复用的胜利。

  再无后者,三分天下

  EDA软件有着极其庞杂的分类。根据美国专门从事EDA咨询的公司GSEDA(2018年已经出售给另外一家咨询公司)统计,EDA软件一共涉及90多种不同的技术。在这个领域,密密麻麻地分布着420家公司。而按照美国《半导体工程》杂志的列举清单,EDA软件领域一共有900多家小公司。

  这么多小公司是如何存活的?

  工具软件的发展史,是一部深海鲨鱼吃小鱼的并购史。机械类CAD软件如此,仿真CAE软件如此,半导体的EDA软件更是如此。这是一个非常奇怪的市场,小鱼的存在,似乎就是用来喂养大鱼的。在美国工业软件的池子里,前赴后继,小鱼、小虾永远都层出不穷。

  这是国外工业软件发展给中国工业软件界教授的最陌生的一课。并购这种场景在中国工业软件市场上并不常见。在Cadence公司数不清的并购中,1989年收购Verilog软件是其最为重要的一次并购。Verilog作为一种模拟器,是用来描述芯片并对其进行模拟和验证的工具,它成功地解决了复杂度带来的芯片性验证困难。EDA技术一下子同时实现了软件模拟和硬件仿真。这也意味着设计与仿真,可由同一家公司的不同套软件来完成,二者密不可分。这个趋势比机械领域的CAD技术和CAE技术的融合,整整要早三十多年。直到最近几年,在非电子制造的领域,CAD技术和CAE技术的融合才成为明显的技术主流。这也再次说明,EDA软件的发展,其实是完全独立于机械CAD软件发展的。

  2001年前后,正是Cadence公司与其离职的前员工所成立的公司精疲力竭地打官司的时期。就在这个时候,坐山观虎斗的Synopsys公司,出其不意地收购了这家与Cadence公司打官司的公司,获得了面向工具开发者的前端工具。这大幅丰富了Synopsys公司的产品线。

  说清这些EDA公司或软件并购的历史,需要一篇冗长的文字。简单地说,在美国EDA公司的并购历史中,仅仅由排名前三的巨头企业直接参与的并购,就达到了惊人的200次,每家企业的并购数量平均达到70次。如果考虑许多被并购公司在此之前也是在大鱼吃小鱼,那么前三巨头每家所涉的总并购次数估计在300次左右。

  EDA软件公司的并购历史,是连续发生的。这一点,与机械CAD/CAE软件公司的并购史有些不一样。后者主要集中在最近十多年;而EDA软件则从1990年开始,每十年所发生的并购都十分均匀。这说明,EDA软件产业,早已成为一个非常成熟的产业,从来就没出现黑马挑战者。唯一令人吃惊的大事件,应该算是Mentor公司在2016年成为西门子公司的猎物被吞并。

  有意思的是,如果细看过去,许多小公司的存活期只有短短几年,并购金额经常是几百万美元。EDA软件行业的并购频率可能是很多其他行业无法企及的,这也反映了工业软件有着极其特殊的产业规律。

  靠着强力的知识吞吐,工业软件以其“百河纳川”的汇聚方式,形成了深不可测的知识鸿沟——追赶者很容易被远远甩在后面。正是这些叠罗汉式的并购,促进了无数电子工程师的思想碰撞和专业技术的沉淀,最终将人类的智慧汇聚成高耸入云的工程学尖塔——尖塔之外,很难有取巧速升的建筑。

  三十年前的第三代EDA软件的主要玩家,基本确立了江湖的秩序,以至于后来再无挑战者。自那以后,所有的初创公司都再也没有了资本加持的发展空间,2002年以后的二十年,没有一家企业能够上市。所有EDA软件新创公司的唯一命运,就是被三家头部企业吞并收购。三代江湖,五十年历史,造就了EDA软件三分天下的分治格局。

  小记:绊倒中国?

  现在这种垄断局面,给中国半导体的快速发展笼罩了巨大的阴影。与国外再无上市公司不同,这两年资本恰好给了中国软件巨大的追捧。国内EDA软件今年上市公司有两家:概伦电子和华大九天。一个代表了海归创业,华裔是全球EDA人才池里最为重要的力量;一个代表了本土坚持,前身源自院所起步的华大九天,见证了中国整个EDA软件历史:从萌芽到兴起,到寂静再到重回资本舞台中心。而在这之外,还有一批EDA软件,正在企业家的雄心和资本的激情之下,踊跃而上。然而,这些EDA软件各自体量都很小,即使是万般宠爱于一身的龙头华大九天,也只有5.8亿元人民币收入。而Synopsys在2021年收入为260亿元人民币左右,利润达到50多亿元人民币。

  这些EDA软件,恐怕还无法全面挑战国外三大EDA厂家的高端地盘。

  这三大芯片设计软件公司,一直将中国视为重要客户。根据美国证券交易委员会的季度财报来看,在2022年第二财季中,Cadence有13%的收入来自中国大陆,Synopsys则达到了17%,中国市场是它们的必争之地。但这些用于先进制程的GaaFET的设计软件,应该并不多。

  这意味着,此次EDA软件的功能模块断供的限制,对这些厂家的收入干扰很小,但对中国雄心勃勃的半导体计划,却是影响巨大,一条技术迭代升级的鸿沟就竖在眼前。

  应对中国的举起,美国的行动似乎正在变得更加具有进攻性和系统性。美国战略与国际研究中心CSIS认为,美国政府找到了保住技术霸权的最好方法,那就是跑得更快。但采用的方法则是两头下注,既要跑得更快(如8.10通过的2800亿美元的《芯片与科学法案》),同时要不断扔出障碍物(8.13日发布的管制公告)绊倒中国。美国现在要将中国半导体的技术,拦截在14纳米的围墙之外。

  中国半导体发展,需要摸着美国的石头过河,现在美国把石头都拿走了。如果中国不尽量解决设计软件工具的问题,还有体量更大得多的光刻设备等问题,那面向未来的半导体真的就会输在起跑线上。

  对于中国而言,任何一家EDA软件的单打独斗,恐怕很难迎头赶上。系统性、生态性的布局,结束当前零散的诸侯割据人人争上市的局面,恐怕到了关键时刻。


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