中國IC設計業的各項指標將再創歷史新高。在中國半導體行業協會IC設計分會理事長魏少軍教授分享的年度總結報告中,中國IC設計公司的數量已達到1,780家,2019年銷售額預計為3,084.9億元人民幣,並預計在全球IC產品銷售額中首次突破10%。

IC設計業的發展離不開其上游生態鏈的支持。EETimes-China、EDN-China和ESM-China在現場採訪了覆蓋EDA/IP、Foundry以及設計服務的多位高層,全面解讀和總結為中國Fabless公司提供服務的上游產業鏈的最新動態。

本文覆蓋以下8部分內容:

  • AI和雲端: EDA業界的兩個熱門關鍵詞。
  • EDA覆蓋從晶片到系統的完整設計流程。
  • 中國本土EDA廠商長足發展。
  • IP:越來越得到中國廠商的重視。
  • Chiplet和Design Lite。
  • 保護智慧財產權:「寧缺毋濫」還是「寧濫勿缺」?
  • 晶圓代工:與時共進。
  • 中國國產替代引發晶圓代工產能吃緊。

AI和雲: EDA業界的兩個熱門關鍵詞

AI與EDA工具的結合是最近幾年的一個熱點,使EDA工具更具備自我學習能力,進而提高效率。

新思科技(Synopsys)一直在強調「Shift Left」的設計理念,讓客戶將更多精力放在上層的應用軟體上。該公司也已經在其EDA工具中增加AI輔助設計,利用其多年積累的資料和設計經驗,將硬體抽象和建模,此外,新思還在中國成立了人工智慧實驗室,以針對中國大陸繁雜的應用場景研究和開發AI演算法和軟體,更好地協助客戶發揮AI的價值。

新思科技中國董事長暨全球資深副總裁葛群表示:「AI在EDA工具的應用有更深層次的軟體和工程問題。最早的EDA工具並不是基於AI演算法或者是做一個基本的資料結構的設計。很多年前,每個EDA工具可能投資十年以上,現在的EDA工具都是十年前設計的,當時並沒有考慮到雲端和AI,所以真正AI用起來,第一步是你能夠接收足夠多的資料,並且提取出你要的資訊。現在新思在開發新的EDA工具過程中,我們統一了新的資料結構,它能夠充分利用未來AI的技術,讓EDA每個環節很清楚知道需要什麼資訊,同時做AI分析之後,幫助早期或者其他環節能夠改進參數設定或者製程流程。」

葛群繼續分享:「以複雜的PLL設計為例,如果做PLL設計模擬需要設上萬參數,才能讓PLL模擬收斂。如果採用AI,就可以告訴工程師,根據過去的資料和參數是可以收斂的。這就把以前工程師們的積累,傳遞給新的工程師,做到更快、更好的效果。這就是AI可以給EDA帶來的巨大幫助。」

AI在EDA工具上的應用首先體現在後段佈局佈線和模擬版圖設計上。據Cadence南京凱鼎電子副總裁劉矛介紹,從模擬設計來說,在不影響原來設計方法學的基礎上,可以很快看到AI給設計帶來的提高。對於前段設計,Cadence有一個團隊從7、8年前就開始研究AI對前段設計,包括模擬上的幫助。

Mentor, a Siemens Business將AI應用到其自身產品,並整合到西門子的完整虛擬驗證和以Digital Twin為基礎的工業軟體組合裡。Mentor榮譽執行長Walden Rhines在其主題演講中,還專門從半導體生態系統和產業投資的角度分析了AI晶片及AI新創公司的興起,並預測中國在需要龐大資料量採集和挖掘的應用場景會出現全球領先的AI技術和獨角獸公司。

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左至右:Mentor, a Siemens Business榮譽CEO Walden Rhines博士、芯原微電子董事長兼總裁戴偉民博士、Socionext中國事業部總經理劉琿、和艦晶片製造(蘇州)公司銷售副總經理林偉聖

工具上雲端是被EDA業界提及了多年的一個趨勢,晶片設計業是否已認同?

Cadence南京凱鼎電子副總裁劉矛表示,大規模平行運算的演算法和拓撲結構使得晶片設計的時間和PPA都有了大幅提高。不管是晶片整體設計的週期縮短,還是整體晶片設計性能的提升,雲端運算已經在晶片設計中發揮了重要作用。

劉矛表示:「中國目前的現狀是晶片需求巨大,更需完善的EDA工具和IP產品線,以及足夠的人才儲備。將EDA工具和IP搬到雲端,不但可以大大簡化設計流程,而且可以降低IP和EDA被盜取的風險。如果設計後段和基礎設置都部署在雲端,就可以大大解放生產力,緩解IC設計人才短缺問題。」

按照他的介紹,南京凱鼎電子是Cadence於2017年底在南京成立的一家子公司,是中芯國際14奈米製程上IP目前唯一供應商,並將於明年2月份發佈其為騰訊公司開發的第一顆人工智慧晶片。

摩爾精英CEO張競揚分享了他的觀點:「以前講雲端都是雲端運算的廠家,談雲端更多在IT層面,雲端有多少性能提升,這些對晶片產業有幫助,但是主要的幫助其實並不是來自於從機房到雲端的提升,而且到了雲端之後,改變了整個協作模式。過去協作模式是一個公司內部協作,一旦上雲之後,是全產業在協作,涉及人員上了兩個數量級,這樣就會帶來效率的提升。這樣的雲,我們總結了8個字『各自成雲、永不落地』。」

而Mentor的Walden Rhines認為,目前影響EDA上雲端快速推廣的一個原因是其隱含成本,共用資源的理念還需要技術實現和市場接受才行。與此同時,晶圓代工業者也在積極上雲端,以台積電(TSMC)為例,該公司去年攜手雲端平台服務業者和EDA供應商啟動了OIP虛擬設計環境(VDE)專案,其中,Cadence雲端EDA環境構建在微軟的Azure雲端平台上,而新思科技將其雲端方案搭建在AWS平台上。

EDA覆蓋從晶片到系統的完整設計流程

EDA不再單單是晶片設計的工具,已經向後延伸到功能模組、PCB板卡和系統整機。

新思科技的解決方案覆蓋from Silicon to Software。經過多年的深耕,已經覆蓋從晶片到軟體的系統化設計工具,為整個產業鏈提供完整的設計工具和解決方案。新思的葛群也多次強調,新思不僅關注客戶,也關注客戶的客戶,即幫助其晶片客戶應對潛在的應用場景和系統需求。

葛群表示:「新思很早就不再定位為單純的EDA公司。我們看到傳統意義上的晶片公司現在大概三分之一的人在做硬體,三分之二做系統軟體,其實我們晶片公司也慢慢轉型,不單單提供晶片,還要提供更多解決方案給客戶。從更寬泛意義論,我們還是做電子設計自動化,但是提供系統性的解決方案給用戶。對客戶更重要的是軟硬體融合和系統融合,我們要做的工作是定義一個非常好的模型。EDA公司的傳統是建模,我們把模型提取出來,看到抽象的資訊,可以更高層次的做晶片設計,不像以前需要瞭解詳細參數。」

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左至右:台積電(南京)總經理羅鎮球、新思科技中國董事長兼全球資深副總裁兼葛群、銳成芯微(ACTT) CEO向建軍、國微集團高級副總裁兼S2C CEO林俊雄

Cadence三年前推出了系統設計的概念,從整個系統考慮,無論是晶片封裝還是軟體設計,最近又導入了電磁分析和熱分析,主要目的是幫助系統公司和晶片設計公司從設計構思之初就把系統設計的每一個方面都考慮進去。透過這些軟體,在系統公司導入設計流程之後,設計週期相比傳統的設計流程減少了30%以上的時間。

三年前西門子(Siemens)宣佈收購Mentor,並將其納入西門子產品生命週期管理(PLM)軟體業務,最近更名為西門子數位化工業軟體。據Walden Rhines指出,Mentor這兩年的業務增長速度十分顯著,這要歸功於西門子強勁的系統設計客戶基礎和市場需求。

Silvaco公司CEO Babak Taheri在高峰論壇主題演講中提到從原子到系統的設計理念,更將EDA工具往前延伸到奈米級原子材料屬性和能量水準。該公司提出的設計技術協同優化(DTCO)是一種基於軟體的半導體製程節點開發方法,可以衡量和提高技術元素對電路性能的影響。

中國本土EDA廠商長足發展

伴隨著中國半導體設計業的快速發展,中國本土EDA廠商在最近幾年取得了長足發展。作為中國EDA業的代表之一,華大九天副總經理董森華表示,該公司現在已經可以提供類比設計全流程、數位SoC設計優化解決方案、晶圓製造輔助EDA工具,以及平面顯示設計全流程,對中國積體電路產業和平面顯示器產業做出了不小的貢獻。

十年來,華大九天已經在全球發展了300多家客戶。董森華認為:「在EDA市場,光靠國產情懷和便宜的價格是無法參與競爭的,也不可能得到客戶的認可,核心和關鍵還是要技術創新,以客戶需求為導向,做有競爭力的、符合市場需求的產品才能得到市場的認可、客戶的認同。」華大九天在類比方面已經擁有自己的全流程產品,現在數位設計方面也開始加強自己的核心技術和產品方案,並正在積極研發和佈局更多的核心工具產品。

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左至右:Arm中國產品研發副總裁劉澍、華大九天副總經理董森華、Silvaco全球副總裁及中國區總經理Sharon Fang、Silvaco CEO Babak Raheri、北京芯願景聯合創始人兼董事總經理張軍

然而,中國EDA的基礎還比較薄弱,發展到今天也只有十幾家EDA公司,且規模都較小;這是目前中國大陸本土EDA產業的現狀。

2018年被國微集團收購的S2C是一家專注於FPGA快速原型驗證的EDA供應商,S2C CEO林俊雄認為,本土小型EDA公司在匹配客戶需求和市場動向方面比EDA巨頭反應更快,透過技術和市場的差異化可以在中國龐大而快速成長的半導體市場找出獨特的發展之路:「本土EDA廠商要通過收購兼併才能快速發展起來,但目前適合兼併的本土EDA公司很少,希望有更多業界人士加入EDA行列,以共同發展和推進中國IC產業發展。」

葛群以新思的發展歷史為例提供了發展中國本土EDA產業的建議;新思成立30多年來,透過自身技術累積和收購90多家EDA和IP相關公司才發展到今天的規模。「這個行業不是賺快錢的行業,需要技術的積累和沉澱,並且要始終專注於自身優勢和客戶需求的變化而做出適當調整,才能發展壯大;」他強調:「明年是新思科技進入中國的第25年,新思將繼續與合作夥伴一起努力,推動中國半導體產業的發展。」

IP:越來越得到中國廠商的重視

中國IC設計廠商的智慧財產權意識在急遽增強,而且過去10年來IP細分市場的年複合增長率超過10%,高於全球EDA和半導體業的增長率。按照IPnest統計,2018年全球IP業務額約36億美元,其中Arm佔據了16.1億美元,可謂半壁江山。

在ICCAD年會上,Arm中國產品研發副總裁劉澍對媒體明確闡述了Arm和Arm中國的立場:Arm架構是當今世界半導體產業最為成熟的、應用最廣泛的運算架構,Arm公司一直致力於保持技術的中立性。而作為獨立運作的Arm中國,其使命不但是要將Arm架構及產品和技術順利導入中國以滿足中國客戶的晶片設計需求,同時還要在中國研發具有中國特色的技術和產品。到目前為止,Arm中國已經發佈了三款在本土開發的產品,包括周易AI運算平台、星辰處理器IP,以及山海安全方案;其中山海安全方案就是物聯網安全機制PSA的具體實施,而且符合中國的國密演算法規範。

而作為一匹黑馬,RISC-V不斷在釋放新的活力。

得益於碎片化的IoT市場千差萬別的應用需求,開源而靈活的RISC-V核心IP找到了用武之地。在ICCAD高峰論壇和媒體採訪中,SiFive全球CEO Naveed Sherwani充滿激情地為業界同仁描繪了RISC-V生態的美好前景,以及為快速發展的中國半導體行業帶來的活力和價值。

作為RISC-V開源晶片設計革命的領導者,SiFive特別重視中國市場,因此2018年與中國本土團隊合作成立了上海賽昉科技有限公司,以便將SiFive的RISC-V IP產品和技術進行中國本土化的移植。賽昉科技CEO徐滔還透露,未來最高階的RISC-V核心將會在中國的研發中心開發,以滿足中國晶片設計市場的強勁需求和高性能要求。

Sherwani 表示:「首先RISC-V ISA在指令集上有根本的優勢。Intel x86有4,500條指令,Arm有1,500條,而RISC-V只有53個指令。RISC-V不僅僅是開源的,同時也是非常簡潔的。全球範圍的很多大學老師和教授都願意採納和教授RISC-V相關教程。」

徐滔表示,賽昉科技是一家獨立的公司,立足中國市場、把SiFive技術本土化,推動本土生態發展;「從我的觀念來看,RISC-V目前沒有遇到太多的阻力,發展非常迅速,遠遠超出了當時SiFive發明人以及投資人的預期。而且到目前為止還未出現碎片化和專利的問題。對於碎片化,不同的事情可以用不同的方式來解決。SiFive技術特點之一就是可以按照不同的應用,做不同的東西。另外SiFive的另一個優勢就是生態。目前來看沒有一個力量要把RISC-V碎片化,因為一旦碎片化,反而自身就無法壯大和發展。」

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左至右:摩爾精英董事長兼CEO張競揚、賽昉科技總經理徐滔、SiFive全球CEO Naveed Sherwani博士、Cadence南京凱鼎電子副總裁劉矛

Chiplet和Design Lite

Chiplet類似於IP,但不是以軟體形式出現,而是以裸片(die)形式提供。Chiplet可將不同製程節點、不同材質、不同功能的裸片封裝在一起,可以縮短晶片開發週期,降低晶片設計總成本。那麼,Chiplet可否在「後摩爾時代」成為業界通用的IP模式,從而繼續提高整合度並降低成本呢?

芯原微電子董事長兼總裁戴偉民認為,是晶片設計的昂貴和長週期這些問題驅動業界尋求像Chiplet這類新的模式,因為採用Chiplet方式可以重複使用IP,成本也低。芯原微電子提出了IP as a Chiplet (IaaC)理念,旨在以 Chiplet實現特殊功能IP的「隨插即用」,可以將影像處理(ISP)、VIP (NPU)、VPU (視訊)和GPU等IP核心以不同製程節點的 Chiplet實現,然後與CPU和晶片上緩衝記憶體互連,最後形成系統級封裝(SiP)晶片。

Socionext中國事業部總經理劉琿從技術屬性上給出了解釋:數位訊號跑得比類比訊號快,不同的功能模組採用不同製程和材料做成裸片,但可以按照Chiplet通用互連標準整合封裝起來,從技術可行性和經濟性方面,都預示著Chiplet是業界可以接受的可行方案。

Chiplet的理念也可映射到設計業的一個趨勢:從Fabless到Design Lite。半導體產業在經歷了地域變化以及設計和製造分離直至發展到今天,Fabless模式也開始承壓,尤其在5G+AI+IoT融合的時代需求下。

除了傳統的fabless公司外,整機廠商和網際網路業者現在都在嘗試做自己的晶片,而以AI晶片為首的晶片設計新創公司也希望低成本、高效率地開發特定領域專用的晶片。像芯原、摩爾精英、Socionext這類提供晶片設計專業服務的公司已經看到了這樣的需求趨勢,在設計和服務理念上也在做出相應的改變,從「重設計」(Design-heavy)到「輕設計」(Design-lite)理念浮出水面。

「對晶片設計新創企業來說,『輕設計』是很自然的選擇,因為儘量選擇晶片設計服務公司提供的標準IP、軟體工具和設計服務,可以降低風險和成本,並快速將晶片推向市場。當然,自己核心的技術是不能外包的,否則就失去了市場競爭力;」戴偉民表示,「對於系統廠商和網際網路公司,就要慎重選擇『重設計』還是『輕設計』。這類客戶設計晶片不是對外銷售,而是滿足自己特定的需求,晶片不是其核心業務和技術,很多行業通用的IP、軟體和最佳實踐沒有必要從頭再搞。」

保護智慧財產權:「寧缺毋濫」還是「寧濫勿缺」?

北京芯願景有兩塊主要業務:設計服務以及智慧財產權分析服務;該公司總經理張軍表示:「可能大家對芯願景公司印象更多的是反向分析。實際上近10年來,公司也同時在開展設計服務工作,現在每年大概有150個設計服務專案。同時,這150款晶片產品並不都是從零開始,更多地是基於自身的IP核心不斷演化而來。」憑藉豐富經驗的累積和自主研發的EDA工具,該公司早已進入到設計服務領域,並具有強烈的智慧財產權保護意識。

按照他的分享,隨著IC產業在中國的飛速發展,近幾年專利侵權和訴訟活動變得活躍起來,對智慧財產權分析的訴求越來越強烈;「這兩年智慧財產權訴訟案子確實比原來多很多,其中有如下幾個變化:第一:中美貿易戰開始之後,美國對中國智慧財產權提出了很強的要求,其中最重要的訴求點有兩個:強制授權以及商業秘密。」

針對不斷增加的案件,他建議:「一是招聘員工的時候要做到合法、合規,避免給公司和個人帶來不必要的麻煩,二是在產品規劃和研發階段,要做好智慧財產權檢索,不是要『寧缺毋濫』而是要『寧濫勿缺』,只有全面調查相關專利、尤其是競爭對手的專利,這樣在面對糾紛的時候,才不至於因為沒有採取預防措施而被動。第二個變化是:近幾年布圖設計權的侵權訴訟明顯增多,預計今年會有20個這類訴訟案件,但是考慮到布圖設計相關法律成熟程度較低,可借鑒的典型案例不多,因此設計公司在涉及布圖設計侵權時,建議要知法善用、選擇合適的鑒定單位,同律師做好充分溝通,避免因法律理解不到位或溝通不充分而造成的誤判損失。」

張軍還提到,公司應該建立自己的專利戰略,把專利的調查、申請、交易和攻防等同公司的市場和競爭結合起來,形成一個完整的智慧財產權保護戰略;「很多國內中小公司缺少專利和法律方面的專業人員,從公司長久發展來看,是非常不利的,一個公司發展到一定規模的時候,束縛公司最終成為行業翹楚的關鍵通常不是技術本身,而是無法逾越智慧財產權雷區。」

張軍表示:「在設計服務上我們可以最終做到晶片產品,但晶片產權、商標和市場都是屬於客戶的。現在不少使用晶片的系統公司將業務安全性擺在很重要的位置,願意更多嘗試本土晶片產品,這是國內設計公司的機會。」

晶圓代工:與時共進

自從格芯(Globalfoundries)和聯電宣佈退出7奈米製程開發後,目前全球仍在研發7奈米及更小製程技術的廠商僅剩台積電、英特爾和三星,而且研發5/3奈米以下製程技術的難度和成本成倍增加。

除了巨額投資以外,台積電南京公司總經理羅鎮球表示,如何營運和處理客戶訂單難度更大:「在全球經濟不穩定和半導體產業變幻不定的大環境下,準確把握市場走勢不是簡單的科學,而是一門藝術。半年前整個半導體行業彌散著下滑、衰退和不確定的氣氛,接單都很困難,但現在已出現產能吃緊的情況。如果一家代工廠現在還說訂單難接的話,恐怕經營就比較麻煩了。無論市場和外部環境如何變化,關鍵是要清楚自己的方向。」他間接表達了代工業目前景氣的現狀。台積電於2017年在南京投資建廠,2018年11月量產,現在已經實現盈利。

5G時代的來臨將帶動半導體產業從設計到製造整個產業鏈的發展,羅鎮球表示,代工廠早就做好了準備:「5G標準和技術已經發展多年,現在就要進入大規模商用階段。其實從EDA和IP供應商,到晶圓代工廠,整個產業鏈上下游都已經準備好,以便為5G手機的爆發和網路系統的全面部署提供充足的產能和產品供應。最先進的7奈米5G手機應用處理器晶片的量產出貨是晶圓代工廠商與上游EDA/IP合作夥伴緊密協作的最好例證。」

中國國產替代引發晶圓代工產能吃緊

下半年出現了晶圓代工產能吃緊的情況,哪些需求在驅動呢?和艦晶片製造(蘇州)公司銷售副總經理林偉聖給出了答案。「傳統製程和特殊製程的產能吃緊,國產替代是最大驅動力;由於中美貿易摩擦,今年上半年半導體前景還十分黯淡,但現在很多應用的需求都變大。」

他表示:「由於國產晶片替代的全面啟動,類比IC和電源管理元件的需求明顯變強。從具體應用來看,藍牙TWS需求上升,IoT晶片和OLED驅動器需求也加大,80/55/40奈米的產能都開始出現緊缺,估計28奈米產能需求也將在2020年趨熱。另外,影像感測器等特殊製程的可用產能也吃緊。總之,中美貿易議題加速帶動國產晶片替代,使得產能趨向飽和。」

林偉聖在ICCAD年會的高峰論壇演講中提到,目前全球電子和半導體產業正在經歷巨大變化,從需求面來看,5G、8K和AI等新興應用正在加速展開,而供給面的產業供應鏈多個環節也面臨全球範圍內重組。在供應和需求兩方面都快速變化的情勢下,Fabless行業面臨諸多挑戰,但對能夠準確把握發展趨勢的公司來說也是難得的機會。

作為晶片設計公司的合作夥伴,晶圓代工業者可以從兩方面加強對fabless客戶的服務支援:首先,持續當地語系化製造路線,加深與fabless客戶運營協作的緊密度;其次,擴大研發投入,除了繼續提供經過驗證的基礎IP、介面IP和其他產品外,還要以豐富的製程簡化客戶營運管理流程,提高供應鏈的彈性,這樣可以降低設計公司的研發成本。