利多因素紛紛出籠 中國EDA產業機會點在何處?

作者 : 邵樂峰,EE Times China

EDA被譽為「晶片之母」,雖然只有百億美元的市場規模,但卻是數千億美元半導體產業發展的基石。而對整個中國IC產業來說,EDA又屬於「被箝制」的環節之一…

EDA被譽為「晶片之母」,雖然只有百億美元的市場規模,但卻是數千億美元半導體產業發展的基石。而對整個中國IC產業來說,EDA又屬於「被箝制」的環節之一,加之該領域絕大部分市場份額都為國外大廠所壟斷,所以中國發展EDA產業也是刻不容緩。 在2021年,中國EDA企業數量、融資案例數量和金額、產品與技術發佈都呈快速增加態勢,多家EDA公司紛紛搶灘登陸二級市場,中國EDA產業正以前所未有的速度駛入發展的快車道。然而,產業高速發展背後的驅動力來自哪裡?何處才是中國國產EDA的突破口?身處一個國外寡頭壟斷、技術壁壘高、長週期投入的產業,中國EDA企業還需要克服哪些短處和挑戰? 發展速度飆升 EDA產業在過去的幾十年中,從自由競爭走到寡頭壟斷,Synopsys、Cadence和Mentor Graphics (已被西門子收購)三巨頭佔90%以上的市場份額。中國的EDA產業發展之路並不順暢,在遭遇「巴黎統籌委員會」禁運後,國外EDA公司搶佔了中國市場,中國EDA企業錯失了在競爭中以戰養戰的機會。直到2008年,中國官方「核高基」(編按:核心電子元件、高階通用晶片及基礎軟體產品)專案實施,EDA領域才迎來新的政策和資金支援。 而在當前複雜多變的國際中國形勢下,必須擁有一批自主可控的EDA工具與企業,以避免在IC設計環節被「箝制」,已經成為中國官方和產業共識。中國EDA產業也因此迎來了千載難逢的發展機會,EDA企業如雨後春筍般湧現,僅在2020~2021年間,中國EDA公司的數量就從20多家成長到了40多家。 芯和半導體聯合創始人、高級副總裁代文亮對本刊表示,「中國EDA產業在過去的一兩年裡迎來了最好的發展時光。」國家戰略層面的重視,地方扶持政策的相繼落地,資本市場的追捧,第一次讓大家認識到了EDA的價值。 但他同時也指出,雖然一邊欣喜地看到越來越多的開發人員開始投身於這個技術門檻很高、成熟週期相對較長的產業,另一邊也感受到部分新進企業的浮躁和泡沫化。不過從整個產業的宏觀角度來看,這是產業發展早期的必然過程——先把點鋪開,然後再來比拼各自的硬實力,優勝劣汰,繼而推動整個產業的發展。 合見工軟聯席總裁徐昀則指出,材料、設備、EDA是中國半導體產業發展歷程中最重要的三個環節,特別是半導體產業鏈在EDA領域形成封閉迴路。EDA的發展要從技術和市場兩大維度來看,一方面,後摩爾時代晶片的複雜度和整合度上升,設計難度越來越高;另一方面,新智慧時代有很多來自AI和大規模運算相關應用的需求。現在市場上已有的成熟EDA產品,如果想要進行創新和技術更新換代,必須要向前相容,而相容以前所有的版本,這是一個很重的歷史包袱。 中國EDA產業在全球半導體供應鏈重組的狀態下,獲得了本土需求成長、國家政策利好、風險投資積極、人才回流等多重利好因素的加持,配合日漸成熟的產業鏈上下游支持,目前正處於快速發展階段,湧現出的多家EDA公司基本覆蓋到了晶片設計的各個流程環節。國微思爾芯CEO兼總裁林俊雄、行芯董事長兼總經理賀青和楷領科技業務副總裁梁璞均表達了類似的觀點。 不過,短期內美國技術壟斷EDA市場的局面還將持續,中國國產EDA與國外頭部品牌間還存在較大差距,需要產業鏈落地和人才技術的積累。事實上,一窩蜂擠入EDA賽道,可能造成資源和時機的浪費,這些都需要政府積極參與和政策引導。 「風口」在哪裡? 資料顯示,2020年全球EDA市場規模為115億美元,撬動著4,404億美元市場規模的半導體產業。如此龐大的市場需求,凸顯了EDA的重要性。但同時,由於地緣政治打破了之前一直處於穩定狀態的EDA供需平衡,中國對於本土EDA的需求和供給端的巨大空缺,吸引了資本和玩家的急速湧入。 合見工軟聯席總裁郭立阜認為,「受制於人」是其中的一個關鍵點;其次,中國晶片產業高速蓬勃發展,越來越迫切期望得到更貼近中國晶片設計生態和應用需要的EDA工具支撐,這為中國EDA產業發展帶來了極大的推動力。另一方面,先進製程節點的高階晶片開發成本越來越昂貴,更理解本地需求的中國國產EDA對於提高開發效率,節省晶片設計成本有著舉足輕重的作用。 在EDA領域的眾多細分方向中,驗證伴隨著晶片設計的全過程,從創意開始一直到最後的晶片實現,而且驗證工具的開發存在較高的技術壁壘和進入門檻,目前已經成為研發工具成本佔比最高的一塊,因此驗證領域的突破對中國晶片產業發展至關重要。 另外,隨著Chiplet逐漸成為晶片設計業的主流技術趨勢之一,這也帶來了先進封裝設計中所存在的高整合度、高匹配性等複雜問題,如何透過EDA工具來高效解決這些問題勢在必行。因此,這些都是中國EDA企業很好的突破口,也是合見工軟首先選擇的突破點。 考慮到在晶片設計領域,Cadence的類比晶片設計流程和Synopsys的數位晶片設計流程已擁有絕對的壟斷地位和使用者黏著度,因此定位在晶片設計流程替代的中國EDA公司短時間內毫無希望,只能在流程中的「點」上實現差異化競爭,這也是為什麼目前絕大多數中國EDA公司佈局的都是點工具。 於是,代文亮將尋找突破口的一票投給了「模擬分析EDA」。在他看來,與設計EDA這條贏家通吃的賽道相比,模擬分析EDA擁有更低的用戶使用門檻。事實上,頂尖的晶片設計公司也願意嘗試各種模擬工具,進行橫向比對,以形成流片成功的最大信心。所以擁有自主產權、模擬精確度佳、模擬效率傑出並具有差異化特性的模擬EDA工具,將有機會率先實現突破。 另一方面,從最新的麥肯錫(McKinsey & Company)資料中可以看到,受到疫情的影響,居家辦公、遠端教育、視訊直播、線上購物等行為讓全球數位化進程大幅提升,亞太地區的加速更是超過了十年。在前所未有的巨量資料獲取、運算、傳輸、儲存的過程中,從資料中心、雲端運算、網路到5G通訊和AI大資料分析,從邊緣運算到智慧車輛自動駕駛,高效能運算(HPC)無所不在,成為了數位化轉型的關鍵。 代文亮解釋,從半導體產業的視角來看,當摩爾定律接近物理極限時,透過SoC單晶片的進步已經很難維繫更高性能的HPC,整個系統層面的異質整合將成為半導體高速成長的最重要引擎之一。未來,會有越來越多的系統公司開始嘗試垂直整合,自研晶片會成為新的風潮。 這其中,包括2.5D/3D IC、Chiplet在內的先進封裝設計將是整個半導體產業未來5年的爆點,尤其考慮到先進封裝不需要每顆晶片都應用最先進的製程,這對目前中國先進製程發展受制於人的現狀將是一個非常好的突破口。 芯願景副總經理石子信和研發總監丁仲認為,從目前中國EDA產業的發展格局來看,類比電路模擬(華大九天)、液晶面板設計(華大九天)、數位後端佈局佈線(國微思爾芯)、設計-製程協同最佳化(概倫電子)、數位晶片驗證(芯華章)、ECO修調(奇捷科技)、全產業鏈模擬(芯和)、RTL視覺化除錯(芯願景)、數位電路後端設計和驗證(芯願景)等領域正在或即將成為中國EDA企業的突破口。而前行的動能,則來自中國官方對IC產業的高度重視,包括一系列產業政策的推出、大量扶持資金的投入,以及新的融資管道(科創板)的推出。 「十年前,中國設計企業和半導體產業上下游較不成熟,EDA企業缺乏一個好的環境。近年來,中國半導體及IC產業發展迅速,不僅是數量的成長,應用和設計也變得更複雜,更有差異化。」林俊雄說,量變和質變雙重帶動了EDA需求擴張,中國EDA公司更應順勢把握主場優勢貼近客戶,無論是向中國領先的設計企業提供優質的本土化工具和服務,還是尋求與中國晶圓廠、封裝廠展開合作,都會是很好的突破口。 目前中國國產EDA公司基本已經覆蓋了晶片設計流程各環節的主要點工具。梁璞認為,考慮到模擬中國國產IC相關的EDA技術發展時間比較久,且產業鏈也比較完善,相對更容易短期內形成國產替換。同時,由於雲端原生軟體架構加上雲端運算力將會為晶片設計帶來極大的效率提升,國外一流EDA公司與中國EDA公司都正在將雲端技術作為未來的重點發展方向。隨著市場需求快速變化與發展,梁璞相信未來會持續湧現更多的雲上晶片設計公司,而高效、易用、低成本的晶片設計平台一定是使用者最需要的。 上海俠為電子董事長羅晶認為,不同於一般性應用軟體,EDA作為典型的工業軟體產品,本質是工業品,需要軟體工程、演算法研究、工業Know-How三個方面高度配合才可以研發EDA軟體。從這個角度來看,中國電子工業產業中,工業基礎越強的領域,就越有機會提供高水準的工業Know-How來支援工業軟體的開發,而強大的工業基礎又可以提供高水準且龐大數量的用戶,而這些使用者正是EDA軟體能夠快速演進並走向成熟的基礎。 「中國EDA產業之所以能駛入高速發展的快車道,主要原因有三:中國半導體產業大踏步發展、國際形勢變化,以及全球IC產業鏈的重組。」賀青說,在後摩爾時代來臨、技術進步放緩、技術演進路徑不再唯一的科技大背景下,大量新的EDA市場突破口正在出現:先進製程、先進封裝、AI、雲端技術等,這些領域也將可望成為中國EDA企業的突破口。 從「無」到「優」 目前已經有不少中國國產EDA工具經過前期的開發和累積,具備了基本的設計或分析功能,可以完成一些工程類的專案。但要走向市場化,面對的是需要產品設計差異化和產品上市週期巨大壓力的設計企業,應用環境千變萬化,中國國產EDA工具必須和同類國際工具一樣,擁有好的品質與好的體驗。而最終決勝市場,贏得競爭優勢,EDA工具還要在差異化上下功夫。 當然,產品的「好」和「優」,從來都是客戶在和其他同類產品相比較後提出評價,而不是供應商的自我評價。另一方面,從「無」到「有」的過程也是艱難的,是先決條件。但僅僅是「有」,不代表就會被客戶採用,更何況,從「有」到「好」這一路甚至會更艱難。 同時,EDA工具的更新與發展需要大量的時間不斷與客戶專案磨合,只有經過了以上過程,被客戶證明能夠更好地解決客戶的痛點(如提升效率、降低成本),客戶才會評價「好」;而「優」則是在「好」的基礎上更進一步的要求,要求產品的功能、性能和價格等綜合指標領先同行,最終才會得到市場認可,才會有持續的競爭力和生命力。 數位驗證平台成熱點 在採訪中,筆者注意到不少中國EDA公司都選擇驗證作為切入點,這一現象背後存在著怎樣的市場和技術發展邏輯? 林俊雄分析,這是因為隨著晶片規模不斷變大,軟體演進持續增加讓驗證也變得越來越複雜。目前,驗證佔晶片設計70%以上時間,流片失敗造成的時間和費用成本更是突顯了驗證的重要性。除了需求,很多新創EDA公司選擇驗證作為切入點是因為驗證屬於晶片設計前段環節,相較而言更自主,更易於獨立推廣。 不過隨著設計變得愈加複雜,不同的設計階段會有不同的驗證需求,晶片設計團隊也希望採用多種驗證方法學來進行交叉對比。另外,AI在設計分割和模擬演算法方面的應用、EDA上雲等也都會是今後幾年的創新方向。這些較新的技術可以帶給客戶更高的性能和更多的便利性,而且國際大廠在這些方面也並沒有領先太多,會是中國國產EDA公司彎道超車的差異化。 郭立阜則指出,晶片設計的複雜性和整合度不斷增加,對於EDA工具而言,帶來的永恆挑戰是不斷追求容量和性能的極致提升。所以對於核心驗證引擎部分,最重要的技術挑戰分別是容量、速度和靈活性,要把這三點都做到最好,非常不容易。 熟悉驗證流程的人都知道,在整個驗證工具鏈中,基於通用運算資源的高速數位仿真器和基於專用軟硬體的硬體模擬器、原型驗證等高性能驗證環境為晶片設計提供了核心的驗證平台。而形式化驗證、智慧模擬激勵產生、驗證效率管理、軟硬體協同驗證,以及鎖定應用和任務驅動的各種驗證解決方案等都是建立在這個平台之上。 所以,一味談驗證的概念和方法論很容易,但是真正實現高速大容量的核心引擎才是基礎。以數位仿真器為例,如果利用一些開源的手段例如LLVM,很容易實現在不同指令集CPU環境中的移植,但是解決不了本質問題,達不到商用要求的性能門檻。 實際上,世界領先的EDA公司也在一直不斷地探索和發展使用異質、平行運算和AI技術來改善和最佳化驗證引擎,但是基於過去歷史包袱,技術決策和實施效率非常低。 「晶片驗證市場的天花板可以理解為沒有明顯的限制,而後段實現受限於項目數量與設計難度的複合因素,成長空間不如晶片驗證市場。」梁璞認為,數位晶片複雜度越來越高,應用複雜多樣,對驗證覆蓋率和完備度的壓力越來越大,導致對驗證資源的投入呈指數成長,涉及人力、IT、還有寶貴的專案時間,而EDA中的驗證解決方案正是解決這些問題的利器。 在晶片設計流程中,後段流程與製程極其相關,對EDA公司的技術要求極高,既有自身演算法的演進,也要有大量生產流片資料回饋。後段EDA軟體正在越來越多的應用機器學習演算法提升工具的自動化和智慧化。在這個方向上,國外EDA大廠正在他們已有的技術累積上持續增強優勢,中國國產EDA追趕的難度很大。 相比後段流程,前段驗證與晶片的功能定義亦極其相關,對人的依賴度非常高,不同晶片的驗證環境實現千差萬別,EDA工具很難實現自動化和智慧化,所以前段驗證團隊一般是後段團隊的5倍。人數多,需要驗證的場景多,這些決定了驗證軟體的使用基數非常大。驗證軟體基本不受製造製程影響,其主要依賴高效的演算法實現,而中國演算法類人才較多,加上用戶需求大,所以驗證領域的中國國產EDA有比較好的發展條件。 梁璞表示,目前晶片驗證的挑戰主要在驗證方法學的進步,很多先進的驗證方法學在國外逐漸普及,但中國還是10年前的水準。應用好的驗證方法學,如形式驗證、PSS,在提升晶片品質和開發效率上有極大幫助。 利用雲上無限的運算力資源無疑是未來驗證應該創新的方向,中國EDA處於起步期,沒有歷史包袱,可以從架構與演算法建構時就考慮雲端原生的技術路線。EDA上雲既可以借助雲上充沛的運算力提升工具效率,也可以為用戶提供更為靈活的授權使用方式,這對EDA公司和最終用戶無疑都是有利的。 本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌20224月號          

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