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从青铜到核武:中国EDA的三次浪潮

半导体的供应链安全,成为中国EDA产业必须面对的一场持久战——实际上整个中国供应链都在面临这样一场持久战。速攻是无法解决问题的。

本文由知识自动化(zhishipai)授权转载

电子设计软件EDA堪称一个奇葩的行业。狭小的市场,却是人类电子工业知识的最高结晶。在美国对中兴、华为的制裁中,这是一堵无法跨越的墙。这让人们目标都集中在国产EDA软件上。

时钟拨回到1991年,华为开始自主研发ASIC芯片时,工程师先在PAL16可编程期间上设计自己的电路,在实际应用中验证迭代。成熟后将可编程器件上的方案,委托给一家拥有EDA软件能力的香港公司设计成ASIC芯片,然后去德州仪器(TI)进行流片和生产。那个时候,EDA软件还并不显眼。

阳朔会议,火种们的聚会

1978年金秋,在桂林阳朔举办的“数字系统设计自动化”学术会议,被誉为“EDA事业的开端”。这是以“计算机情报网”的名义,召开的“文革”后第一次全国性大型计算机学术活动。有67个单位,140多名代表参加了会议。这次会议召集起来的这批人,成为中国EDA事业的学术萌芽。

当时EDA的应用,主要集中在印刷电路板PCB设计领域。清华大学计算机系也很早就做好了布局,早在上个世纪七十年代初就成立了EDA研究室,从事理论、算法及系统研究。1979年,清华大学计算机系与机械工业部自动化所合作,开发了集成电路图版设计工具。北京理工大学也是较早地开创了中国的EDA学科。这种几乎无人听说过的EDA学科的初创,是十分艰难的。当时连博士点的申报,都是在极其艰难的奔波下才最终申报成功。北京理工大学的努力,为中国EDA的发展,开创了全新的疆土,计算机/集成电路设计方面领域第一线很多“干将”,都是从这里走出来。而北京理工大学与中科院计算所也开发了具有实用价值的电子CAD系统。

桂林大会上,最后选出18篇论文进行刊登,反映了自动逻辑综合、模拟技术、测试生成、电路分析、印制板布线及集成电路版图设计等各个方面。毫无疑问,当时的中国学者专家们,对于技术的把握和理论探讨,几乎与国外做到了同步,而在硬件支撑方面的差别却是太大。当时计算机非常少,计算资源是最宝贵和匮乏的,先进的外围设备和系统软件更是不可奢望。像邮电学院的老师几乎是手无寸铁,硬是用手摇计算机和手工计算,完成几万个用于逻辑综合的数据。

这也并不奇怪。相对应的则是中国芯片制造业的落后。在此前一年的人民大会堂召开的科教工作者座谈会上,芯片业的一位老科学家声称,全国共有600多家半导体生产工厂,其一年生产的集成电路总量,只等于日本一家大型工厂月产量的十分之ー。

在萌芽期,EDA的进展,还只是学术圈里的事情,是绝大多数人目光之外若隐若现的小火星。它所依附的中国集成电路产业,也只是一个刚刚从襁褓开始走路的孩子。有研究芯片发展史的专家做出判断,这一时期的中国“芯”,在科研、技术水平上与世界水平有15年左右的差距,在工业生产上则有20年以上的差距。

然而毕竟桂花香开,1978年金秋广西漓江畔碧莲峰的会议,成为中国EDA的香醇启蒙。中国EDA的青铜剑时代,正式开启。

熊猫微萌,产业破土

1986年7月,电子设计迎来了国家的春风。电子工业部确定在北京、上海、无锡建立3个集成电路设计中心。

在当时,巴黎统筹委员会又对中国禁运EDA软件,买不到先进的工具,IC设计很难发展。国内的ICCAD工具研发,停留在众多Ⅰ级系统和Ⅱ级系统。

1988年,国家计委设立了“ICCAD Ⅲ级系统开发”专项,交给北京集成电路设计中心牵头攻关,这个Ⅲ级系统被命名为“熊猫系统”。

当时的北京集成电路设计中心聚集了来自国内高等院校、研究所、中科院和有关企业等17个单位的120人,并在1988年聘请了华裔专家进行领导开发。事实上证明,这是一个至关重要的举措,国外专家的到来,弥补了国内专家在工程化、商品化方面的经验不足。那时,所有攻关人员都集中712厂一个五层楼中。单身人员住在楼下,楼上就是办公室。

IC设计从大面上分为模拟设计和数字设计。模拟设计对工程师的水平要求较高,就意味着对工具的依赖较低。数字设计对工程师的要求较低,对工具的依赖就比较高了。所以,考虑到中国IC设计水平较低的现实,Ⅲ级系统是从模拟设计入手的。

经过3年奋战,这支团队终于在1991年开发出原型。熊猫系统获得了1993年的国家科技成果一等奖。经过跟用户的磨合,证明“熊猫系统”能够在多种集成电路设计上应用。

即使“熊猫系统”还是原型版,但它冲破了国外封锁,使国内市场上同类外国软件的销售价应声而降,有的降幅达60%左右。

“八五”期间,国家将IC CAD产业化的任务交给华大设计中心,并在1995年完成最终版本熊猫系统。当时有56套系统在国内26家集成电路设计单位应用,共完成集成电路产品设计逾200种。

熊猫系统也成功进入国际市场,在美国,用户用它设计的电路最高可以集成600万个元件。像国外软件Mentor,为了开拓中国市场,也会将他们的产品与熊猫系统做集成。连当时来华谈判知识产权问题的美国商务部副部长也专程到华大设计中心考察,对我国自主知识产权的“熊猫系统”表示赞赏。

1998年,熊猫2000在第35次设计自动化会议(DAC)上展出,与世界同行握手。中国的EDA软件,终于与国际舞台,形成了交叉相遇。

破墙而入:外商进入中国,幼苗扼杀

“巴黎统筹委员会”曾是一堵墙,限制重点之一就是禁止向中国销售先进电子CAD软件。我国曾同一些外国厂商谈判引进IC CAD软件,甚至国家领导人都亲自出马同外国领导人谈判,但结果都未能如愿。1986年,法国同意帮中国建立集成电路设计中心,并赠送一套ICCAD(集成电路自动化设计)系统。但是由于政府更迭,这一计划搁浅。

熊猫系统的发布,屡屡碰壁的EDA南墙上终于打开了一个小口子。可以说,与国外的商业EDA软件相比,这个差距有五年左右。然而,这只能是技术上的一个乐观估计。工业软件的应用,从来不会是只考虑技术差距,使用习惯、用户界面、前后处理,都是影响软件在市场上铺开的重要因素。

虽然中国已经做成了第一版ICCAD,但不久之后的1994年“巴统”解散,国外EDA公司就迅速进入中国市场。而在当时的业界,信奉的理念是“造不如买,买不如租”。能买到的,就没有必要自己做。EDA市场发生了巨大的变化。

“巴统”禁令刚刚解除,国际EDA的巨头Cadence公司,便立即到北京参加了1994年亚洲电子设计自动化及测试研讨展览会,不久之后就在人民大会堂宣布成立北京办事处。一个办公室的成立,都要在大会堂宣布,可见当时这也是一件隆重无比的大事。这也反映了国外公司的心思。

随后的第二年,Synopsys(新思)公司在中国大饭店宣布成立北京办事处。在办事处成立之前,北京集成电路设计中心、华晶半导体公司、电子部54所、清华大学、复旦大学等均已采用了Synopsys的产品和技术。即使研发了熊猫系统的北京集成电路设计中心,也利用“八五”科技经费,率先引入了Synopsys的MS-3400硬件仿真器,成为这一产品在亚洲地区的首位用户。

这个时候,国外EDA厂家,为了培育中国市场,开展了各种形式的公共服务。

以曾经的世界第四EDA巨头Magma(2012年被新思收购)为例,采用与政府合作创建孵化基地的方式。以比较便宜或者免费的形式提供软件及相关配套服务,配合政府的战略决策,协助企业进行员工培训等等多方面的手段来提升中国设计业的整体水平。同时与包括清华、复旦在内的四所高校联合设立了大型EDA实验室,为日常授课及实验室研发提供相应的服务与支持。

这个案例,代表几乎所有EDA外商的缩影。作为对未来工程师的培养,这些厂家非常热衷培养熟练使用EDA工具的在校学生。院校也很欢迎,很多高校建成了由外商EDA工具支撑的EDA开放平台。这种立足于教育的结果,最后就是培养了一大批熟悉国外软件的学生,日后他们在工作中对工业软件的选择,反映了这种从大学入手的教育培训,该是一条多么成功的策略。

在EDA领域,“造不如买”的思维占据了上风。从1994年到2008年,中国的EDA产业发展陷入了长达十五年的沉寂,仅留下了微弱的产业火种,它们是华大九天、华天中汇、芯愿景、爱克赛利、圣景微、技业思、广立微和讯美等。

这十五年,国外的EDA厂商正在进行着“大鱼吃小鱼”的激烈兼并, EDA从自由竞争走向寡头垄断的时期。而中国EDA完全错失了在激烈竞争中以战养战的机会,连入场券都没有拿到。

清华魏少军教授在公开场合演讲时曾提出,从1993年到2008年,中国科技界犯了两个战略性错误。一个战略性错误,是放弃了对ICCAD的支持。第二个战略性错误,是过度支持了反向设计。这15年对中国IC设计的自主创新扼制十分严重。因为做反向设计,事实上对EDA的需求就不存在了。

EDA再战,核高基挑旗

2008年4月,国家“核高基”重大科技专项正式进入实施阶段,EDA领域也迎来了新一轮的国家支持。

抓住这个契机,2009年中国华大集成电路设计集团,与国投高科技共同投资,将华大的EDA部门独立出来,成立了独立法人公司华大九天。

这是一个勇敢的决定。当时的中国华大集成电路设计中心EDA事业部有40个人,只有500万的销售额,每年的亏损都在500万以上。一旦离开集成电路设计集团的羽翼,华大九天开始独自面对市场风暴。

一直到2013年,尽管这期间也有核高基专项对EDA产业进行了长达五年的支持。但整个EDA行业步履艰难。一方面,在EDA这样一个寡头垄断的领域,新入局者生存艰难,只有在特定的细分领域,做有限的点工具,才能生存下去。找到正确的细分定位,是EDA小公司存活的希望所在。而另一方面,华大九天作为由政府支持成立的EDA公司,承担着国家赋予的产业使命。从国家产业安全的角度出发,需要华大九天去做全流程的EDA工具。这种做法,既没有付费用户,也没有应用迭代,注定是一个凶险的前进之旅。

工业软件总是能找到它所适合的工业土壤。如果工业软件孱弱,那么它的工业用户也必然处于稚嫩期。在2009年时候,中国本土的IC设计公司还很弱小。数量很少。根本没有很好的市场环境来孕育EDA业务。更重要的是,这些IC设计公司对使用国产软件存在疑虑。最后的结果就是,头部数百家IC设计企业有钱购买EDA软件,优先考虑国外软件;而更多的IC设计企业利润微薄,几乎不考虑购买EDA软件的问题。

事实上,全流程设计平台在IC领域几乎不可能赚钱。一是因为这本身是三巨头的主战场,已成垄断之势。二是缺少代工厂的支持,代工厂找不到理由和新的EDA厂商合作,于是EDA软件不能为IC设计公司提供足够的工艺信息,于是IC设计公司也没必要购买EDA软件。

在这一点上,国外厂商采用极其隐蔽的商业模式。它采用了战车团挤压单驾马车的战法。由于国内没有全流程工具,而只有点工具。国外厂商,往往会针对该点工具,并不收费,但会在其他工具,提高收费。这样国内EDA的单点工具,生存空间就会受到很大的挤压。另外EDA软件公司,已经大大增加了IP内核的开发力度。像Synopsys的IP收入占比,已经超过总营收的1/3。尽管软件工具与IP 内核,本来是是独立的。EDA公司通过知识IP内核,进一步服务于既有的芯片设计公司,从而把知识IP和EDA工具,都锁定在一家企业。

还好,华大九天找到了突破点,时钟时序的优化、模拟的电路仿真软件成为新的突破口。尤其是将IC领域的全流程设计支持技术,迁移到液晶面板设计全流程。液晶面板的面板设计领域,在当时是一个刚刚兴起的市场。它的设计流程与模拟IC设计流程,有70%相似度,再加上市场份额较小还没有引来巨头的关注。华大九天的模拟IC设计全流程工具,在这个细分市场获得了新生,并随着中国液晶面板的崛起,而同步占领了市场。借此机会,也形成了模拟全流程、数字后端等软件的发展。

这是一个生动的案例。它解释了一个制造业产业,在从微弱破壳的初生态中,随风长大的时候,只要培育合适,它就会带动工业软件的发展。

卡脖子下的三进宫:烽火四起

不幸的是,由于见不到明显的投资回报,而且这种EDA软件的销售额实在太低,几乎完全不可见。中国IC设计公司有2000家,但良莠不齐,对EDA能够形成真正促进的良性市场,亟待形成。

在2014年到2018年这五年间,发展EDA产业的必要支持,再一次被搁置起来。同一时期,整个投资的兴趣,都转向了突飞猛进的半导体产业。

直到2018年和2019年,两次深刻的教训,让人们意识到软件断供——这种从来只有假设的可能性,成为血淋淋的现实。一味追求庞大产值的半导体产业,如存储器、设计、封装等,会给中国产业留下一系列致命的伤口。EDA就是卡位最高的一道伤。

2018年下半年以后,小小的EDA软件突然被看成了一件“核武”。投资界也开始将目光转向EDA,一些激进的目标也被设定。很多人都试图在这个要“争气”的领域找到赚大钱的机会。虽然有很多良莠难辨的虚火,但对于EDA产业发展来讲,还是有很多市场主体被吸引进来,为EDA的资金需求补了血。对于国内的EDA厂商来讲,有盟友总比没盟友强,至少人才有保障;有投资比没投资强,至少有更多研发的可能。

中国有全球头部的IC设计公司,中国有全球最多的代工厂,截止到2019年,中国大陆光晶圆厂,就达到86座。同时还有全球最大的半导体消费市场,达到了60%。这样的一种制造和消费格局,应该会诞生相应的国产EDA公司。半导体行业内,IC设计公司、EDA软件和代工厂之间的铁三角关系,成为关键。要想磨合工艺套件,就必须三家一起打磨。当然目前国内的芯片设计公司和代工厂,给与国产EDA软件的重视,甚至还不如台积电。这种局面只有被打破,三家必须联手,才有希望破局——尽管EDA软件的产值看起来太小了,可能只有IC公司的1%,代工厂产值的千分之一。中国半导体的崛起,给发展EDA软件带来新的希望。如果说在全球,从投资角度来看,EDA快要算成夕阳产业了(在美国已经有近20年没有EDA软件上市公司),但在中国大陆却是风景独好。

中国在半导体的市场
图:中国在半导体的市场
(来源:波士顿2019年报告)

2019年全球电子设计领域最具有影响力的DAC大会上,华大九天、广立微、概伦电子、芯禾科技四家中国EDA厂商联袂出场,向世界展示了EDA领域的中国力量。而在2019年底,概伦电子则收购博达微,进一步整合优势资源。这都是中国力量春笋窜节的声音。

而与此同时,随着5G、工业互联网、汽车电子、区块链等领域的兴旺,提出了很多特色鲜明的、尚未被EDA工具满足的IC设计需求,这恰是EDA工具厂商的新机会。

小记:铁三角的力量

中国的EDA产业,从阳朔会议的萌芽,到熊猫系统的问世;从国产品牌的困局力撑,到全民惊醒,它自身的定位,经历了从青铜到核武的转变。半导体的供应链安全,成为中国EDA产业必须面对的一场持久战——实际上整个中国供应链都在面临这样一场持久战。速攻是无法解决问题的。在这种情况下,半导体铁三角的深度联盟关系,几乎是唯一能看得见,可以让中国EDA拔出泥潭的力量。

鸣谢华大九天副总经理吕霖的大力支持。

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作者简介

林雪萍:南山工业书院发起人,北京联讯动力咨询公司总经理,微博@南山林雪萍

赵堂钰:南山工业书院工业软件研究组

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