8月13日,美国商务部周五发布最终规定,对设计GAAFET(全栅场效应晶体管)结构集成电路所必须的EDA软件;金刚石和氧化镓为代表的超宽禁带半导体材料;燃气涡轮发动机使用的压力增益燃烧(PGC)等四项技术实施新的出口管制。相关禁令生效日期为2022年8月15日。

在禁令发布后,一些媒体把美国断供EDA说得很严重。其实,这种说法并不准确。从结果上说,这次EDA禁令,对学术交流和人才培养确实有影响,但对工业界而言,影响微乎其微。

短期来看,禁令对大陆工业界没有任何影响。长远来看,这项禁令反而会成为促使本土EDA厂商和晶圆厂进步的巨大动力,只要国产EDA和本土制造工艺发展起来,美国的禁令对大陆工业界就更没有影响。

01、什么是EDA工具

EDA工具是电子设计自动化(Electronic Design Automation)的简称,是从计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助测试(CAT)和计算机辅助工程(CAE)的概念发展而来的。利用EDA工具,工程师将芯片的电路设计、性能分析、设计出IC版图的整个过程交由计算机自动处理完成。

由于上世纪六十七年代,集成电路的复杂程度相对偏低,这使得工程师可以依靠手工完成集成电路的设计、布线等工作。但随着集成电路越来越复杂,完全依赖手工越来越不切实际,工程师们只好开始尝试将设计过程自动化,在1980年卡弗尔.米德和琳.康维发表的论文《超大规模集成电路系统导论》提出了通过编程语言来进行芯片设计的新思想,加上集成电路逻辑仿真、功能验证的工具的日益成熟,使得工程师们可以设计出集成度更高且更加复杂的芯片。

1986年,硬件描述语言Verilog问世,Verilog语言是现在最流行的高级抽象设计语言。1987年,VHDL在美国国防部的资助下问世。这些硬件描述语言的问世助推了集成电路设计水平的提升。随后,根据这些语言规范产生的各种仿真系统迅速被推出,使得设计人员可对设计的芯片进行直接仿真。

随着技术的进步,设计项目可以在构建实际硬件电路之前进行仿真,芯片布线布局对人工设计的要求和出错率也不断降低。时至今日,尽管所用的语言和工具仍然不断在发展,但是通过编程语言来设计、验证电路预期行为,利用工具软件综合得到低抽象级物理设计的这种途径,仍然是数字集成电路设计的基础。

一位从事CPU设计的工程师表示,“在没有EDA工具之前,搞电路要靠人手工,对于大规模集成电路有上亿晶体管的设计用手工简直是不可为的......可以说有了EDA工具,才有了超大规模集成电路设计的可能”。

02、EDA工具基本由国外垄断

目前,全球的EDA软件主要由Cadence、Synopsys、Mentor等三家美国企业垄断。称霸EDA市场的美国三巨头,牢牢占据了全球超过70%的市场份额。Synopsys是EDA三巨头之首。国内从事EDA软件开发的领头羊华大九天和这三家不是一个数量级的厂商。

铁流在一次展会上看到华大九天的展台左边是Cadence,右边是Synopsys,犹如两个巨人中间夹着一个儿童,场景异常尴尬。诚然,华大九天也想在某些点工具上做些突破,但就整体技术实力而言几乎是蚍蜉撼树。正是因为国内从事EDA工具开发的公司在Synopsys、Cadence、Mentor面前实力过于悬殊,国内IC设计公司几乎100%采用国外EDA工具。而且在一段时间里,看不到缩小和Synopsys、Cadence、Mentor技术差距的可能性。

这里提一下安全问题。也许有人会问,如果Synopsys、Cadence、Mentor在EDA工具里埋地雷,而国内IC设计公司恰恰用这些被埋雷的EDA工具设计芯片,那么芯片的安全性还有保障么?对于这个课题,其实有专门针对设计和版图的安全性的研究,打比方说,如果是DC工具在你的设计里埋个雷,人肉检查是搞不定的,因此,有专门做硬件木马检测技术的研究。不过,这些研究目前还处在低级阶段,只能和目前现存木马匹配,存在很大限制。

由于国内绝大多数芯片设计公司仍在采用进口的EDA工业软件来设计芯片,这就导致在该领域我们完全受制于人。最近这些年,我国不少IC设计公司在商业上比较成功,但其技术路线和商业模式是存在巨大风险的。

以国产ARM芯片为例,其设计工具方面依赖国外公司的EDA工具,在芯片设计上依赖ARM公司的IP核授权,在制造上依赖台积电的制造工艺,可以说是买国外的设计工具和CPU核、GPU核,“拼装”芯片版图,然后去台积电流片。当然,这种“拼装”芯片版图要比我们自己买CPU、主板、显卡、内存、硬盘组装电脑要高端得多,但这种“拼装”与真正独立自主设计芯片尚有很大差距。我们在看到一些国产芯片通过“在洋人地基上盖房子”的方式获得商业上成功的同时,也必须正视这种商业模式的潜在风险和危害。

03、禁令短期内影响不大

EDA工具是与相应的制造工艺相匹配的,如果购买了28nm HKMG工艺的EDA软件,那就只能用于设计该工艺的芯片,不能用于设计16nm FinFET工艺芯片,购买了16 nm 工艺的EDA软件,就只能用于该工艺,不能用于设计7nm FinFET工艺芯片。

目前,美国禁止EDA公司向我国出售GAAFET(全栅场效应晶体管)结构集成电路所必需的EDA软件,而GAAFET工艺是3nm以下芯片才会用到的,当下属于尖端的5/7nm工艺用的都是FinFET(鳍式场效应晶体管),简言之,5nm以上工艺的EDA并不在禁令范围内,禁令只针对3nm以下工艺。

之前提到了EDA软件是与相应制造工艺相匹配的,当下,大陆先进制造工艺依然是12/14nm,虽然有外媒对大陆最新工艺进行了比较,认为其性能接近台积电7nm,但该工艺的产能很小,尚处于试生产阶段,大陆晶圆厂目前的主要营收来源依然是28nm以上工艺,在技术上与3nm工艺尚有不小的距离。

必须说明的是,3nm以下工艺对于工业界而言并非不可或缺,绝大多数芯片压根没必要用3nm工艺,大陆晶圆厂现有的12/14nm工艺已经能够满足绝大部分市场需求。在进入28nm工艺节点后,继续攀升工艺的性价比越来越低,这也是很多对成本非常敏感的芯片依旧采用28nm工艺的原因。何况开发3nm工艺必然高度依赖ASML、应用材料、泛林等欧美公司的半导体设备,潜在风险不可小觑。

因此,铁流认为,未来5年内,大陆晶圆厂的主要任务有两个,一是逐步提升12/14nm工艺的产能和营收占比,提升7nm工艺良率,二是稳步提升半导体设备的国产化比例,构建红色产业链。研发3nm工艺的优先级不会高于前两者。可以说,由于断供的EDA软件过于先进,明显超越了大陆晶圆厂的制造能力。因此,短期来看,美国该项禁令对大陆企业没有影响。

04、EDA禁令利好自主企业

目前的情况是,已经购买的EDA软件可以继续用,3nm以上工艺的EDA软件也可以买,甚至有的时候还能用破解版。不过,对于破解版,不应对其抱有过高期望,一位行业人士告知:虽然破解版肯定会有,但未必会有支持,如果没有厂商支持,破解版在使用中一旦出了问题就不好解决。

就这项禁令而言,明显是对本土企业的重大利好,特别是那些真正几十年如一日自主研发的企业,可以获得政策红利和市场红利。就以华大九天为代表的本土EDA厂商来说,必然获得资本市场的追捧和政策红利,以及原本对华大九天不太感冒的一些本土大公司,也会基于技术备份的考量采购其产品。

另外,对于国内CPU公司而言,美国这项禁令也是利好。近年来,随着信创的东风,国产CPU着装成长,这些CPU可以分为两个流派,一个流派是从零开始自主研发,自主设计指令集,自主设计微结构,重视CPU核升级和IPC提升,对尖端工艺依赖比较弱,典型代表是龙芯,龙芯采用12nm工艺的CPU性能超过了技术引进的7nm CPU。

另一个流派则是技术引进,通过引进国外CPU核,重视工艺提升,因而对台积电依赖很高,在失去台积电流片渠道后,芯片就会“绝版”。同时,这类CPU的性能对台积电尖端工艺依赖性高,一旦换成大陆工艺则出现CPU性能倒退,典型代表是国产ARM芯片。

美国这项禁令等于是给中国CPU公司的工艺锁了上限,而且是在未来5年至10年内,大陆CPU公司的工艺上限就是5nm,这会使那些依赖尖端工艺来提升性能的公司失去以往在工艺上的优势。这等于是给那些专注于提升CPU核设计能力的自主CPU公司送红利。

宏观来看,美国这项禁令会促使CPU公司把精力用在如何提升架构设计水平和CPU核的性能,而不是把资源用在买国外更好的CPU核,买更好的EDA工具,以及买更先进的台积电工艺,这对于国产CPU行业而言是大好事。

05、EDA和制造工艺的进步需要携手共进

EDA工具和国外差距大,一方面固然有国外起步早的先发优势。另一方面,也需要整个产业链携手共进。使用国外正版或破解版EDA工具只是权宜之计。

国内单位应正视问题,齐心协力一起把国产EDA工具一点一点做强。开发出性能优越的EDA工具,一方面要有良好的算法,另一方面需要和工艺相结合。

前者对数学要求很高,由于数学这类纯理论不赚钱,很多数学人才纷纷改行去来钱快的行业。后者则由于种种因素,使国产EDA软件与自主工艺很难结合——即便在算法方面有可能取得一定的技术突破,但EDA设计的后端工具要和工艺相结合,而国内自主工艺方面比较弱,境内晶圆厂最先进的工艺线大多是引进的,还签署一定限制条款。正如国家要发展必然离不开完善的基础建设,这是发展的基础,EDA工具的研发进步就需要国内自主研发的制造工艺做基础,由于缺乏自主研发的尖端制造工艺,所以和工艺结合的那部分就根本不可能取得技术突破。

那如果有了自主研发的先进工艺,就能够开发出良好的EDA工具了么?

事情没这么简单。即便有了自主研发的先进工艺,撇开工艺结合,光在算法技术上和国外三巨头的差距也很远。而且算法和工艺相结合很难,需要非常高深的数学理论,这是目前国内很难做到的。技术发展也离不开商业因素,愿意采购华大九天产品的公司相对偏少,而EDA工具的成熟,离不开IC设计公司的大规模应用。

在国外三巨头占有统治地位的情况下,会导致国产EDA陷入恶性循环——产品有差距导致客户少,客户少加剧产品差距。就国产EDA工具而言,短期还看不到赶超西方的可能性。

因此,国产EDA工具的成长和发展,必须依赖IC设计、IC制造公司的鼎立协助,只有大家协同形成合力,才有希望追赶国外EDA三大厂。这个过程会比较慢,可能很多年才能实现。幸运的是,美国政府的EDA禁令,等于是给我国EDA行业送上了神助攻,在禁令下,原本很难实现的行业大协作会迎来大提速。

当下,龙芯、申威正在积极使用国产EDA和开源EDA工具,因为这些EDA工具可以满足它们大部分嵌入式CPU的设计需求。

06、结语

总之,美国本次断供EDA对我国产业界几乎没有多少负面影响,3nm工艺对于大陆来说可能是五至十年之后的事了。真正的负面影响不在产业界,而在学术界,因为断供可能会影响学术和技术交流,对于人才的成长非常不利。

话说回来,如果不是美国政府咄咄逼人,华大九天、龙芯、达梦等一批几十年如一日坐冷板凳,坚定不移自主研发的企业不会获得这么好的发展机会、发展环境。也许在20年后我们回望这段历史的时候,会情不自禁的感慨必须给美国政府送1吨重的奖章。