美國斷供EDA？對中國影響真不大

來源 | 科工力量

作者 | 鐵流

8月13日，美國商務(wù)部周五發(fā)布最終規(guī)定，對設(shè)計GAAFET（全柵場效應(yīng)晶體管）結(jié)構(gòu)集成電路所必須的EDA軟件；金剛石和氧化鎵為代表的超寬禁帶半導(dǎo)體材料；燃?xì)鉁u輪發(fā)動機使用的壓力增益燃燒(PGC)等四項技術(shù)實施新的出口管制。相關(guān)禁令生效日期為2022年8月15日。

在禁令發(fā)布后，一些媒體把美國斷供EDA說得很嚴(yán)重。其實，這種說法并不準(zhǔn)確。從結(jié)果上說，這次EDA禁令，對學(xué)術(shù)交流和人才培養(yǎng)確實有影響，但對工業(yè)界而言，影響微乎其微。

短期來看，禁令對大陸工業(yè)界沒有任何影響。長遠(yuǎn)來看，這項禁令反而會成為促使本土EDA廠商和晶圓廠進(jìn)步的巨大動力，只要國產(chǎn)EDA和本土制造工藝發(fā)展起來，美國的禁令對大陸工業(yè)界就更沒有影響。

01、什么是EDA工具

EDA工具是電子設(shè)計自動化（Electronic Design Automation）的簡稱，是從計算機輔助設(shè)計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）、計算機輔助測試（CAT）和計算機輔助工程（CAE）的概念發(fā)展而來的。利用EDA工具，工程師將芯片的電路設(shè)計、性能分析、設(shè)計出IC版圖的整個過程交由計算機自動處理完成。

由于上世紀(jì)六十七年代，集成電路的復(fù)雜程度相對偏低，這使得工程師可以依靠手工完成集成電路的設(shè)計、布線等工作。但隨著集成電路越來越復(fù)雜，完全依賴手工越來越不切實際，工程師們只好開始嘗試將設(shè)計過程自動化，在1980年卡弗爾.米德和琳.康維發(fā)表的論文《超大規(guī)模集成電路系統(tǒng)導(dǎo)論》提出了通過編程語言來進(jìn)行芯片設(shè)計的新思想，加上集成電路邏輯仿真、功能驗證的工具的日益成熟，使得工程師們可以設(shè)計出集成度更高且更加復(fù)雜的芯片。

1986年，硬件描述語言Verilog問世，Verilog語言是現(xiàn)在最流行的高級抽象設(shè)計語言。1987年，VHDL在美國國防部的資助下問世。這些硬件描述語言的問世助推了集成電路設(shè)計水平的提升。隨后，根據(jù)這些語言規(guī)范產(chǎn)生的各種仿真系統(tǒng)迅速被推出，使得設(shè)計人員可對設(shè)計的芯片進(jìn)行直接仿真。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，設(shè)計項目可以在構(gòu)建實際硬件電路之前進(jìn)行仿真，芯片布線布局對人工設(shè)計的要求和出錯率也不斷降低。時至今日，盡管所用的語言和工具仍然不斷在發(fā)展，但是通過編程語言來設(shè)計、驗證電路預(yù)期行為，利用工具軟件綜合得到低抽象級物理設(shè)計的這種途徑，仍然是數(shù)字集成電路設(shè)計的基礎(chǔ)。

一位從事CPU設(shè)計的工程師表示，“在沒有EDA工具之前，搞電路要靠人手工，對于大規(guī)模集成電路有上億晶體管的設(shè)計用手工簡直是不可為的......可以說有了EDA工具，才有了超大規(guī)模集成電路設(shè)計的可能”。

02、EDA工具基本由國外壟斷

目前，全球的EDA軟件主要由Cadence、Synopsys、Mentor等三家美國企業(yè)壟斷。稱霸EDA市場的美國三巨頭，牢牢占據(jù)了全球超過70%的市場份額。Synopsys是EDA三巨頭之首。國內(nèi)從事EDA軟件開發(fā)的領(lǐng)頭羊華大九天和這三家不是一個數(shù)量級的廠商。

鐵流在一次展會上看到華大九天的展臺左邊是Cadence，右邊是Synopsys，猶如兩個巨人中間夾著一個兒童，場景異常尷尬。誠然，華大九天也想在某些點工具上做些突破，但就整體技術(shù)實力而言幾乎是蚍蜉撼樹。正是因為國內(nèi)從事EDA工具開發(fā)的公司在Synopsys、Cadence、Mentor面前實力過于懸殊，國內(nèi)IC設(shè)計公司幾乎100%采用國外EDA工具。而且在一段時間里，看不到縮小和Synopsys、Cadence、Mentor技術(shù)差距的可能性。

這里提一下安全問題。也許有人會問，如果Synopsys、Cadence、Mentor在EDA工具里埋地雷，而國內(nèi)IC設(shè)計公司恰恰用這些被埋雷的EDA工具設(shè)計芯片，那么芯片的安全性還有保障么？對于這個課題，其實有專門針對設(shè)計和版圖的安全性的研究，打比方說，如果是DC工具在你的設(shè)計里埋個雷，人肉檢查是搞不定的，因此，有專門做硬件木馬檢測技術(shù)的研究。不過，這些研究目前還處在低級階段，只能和目前現(xiàn)存木馬匹配，存在很大限制。

由于國內(nèi)絕大多數(shù)芯片設(shè)計公司仍在采用進(jìn)口的EDA工業(yè)軟件來設(shè)計芯片，這就導(dǎo)致在該領(lǐng)域我們完全受制于人。最近這些年，我國不少IC設(shè)計公司在商業(yè)上比較成功，但其技術(shù)路線和商業(yè)模式是存在巨大風(fēng)險的。

以國產(chǎn)ARM芯片為例，其設(shè)計工具方面依賴國外公司的EDA工具，在芯片設(shè)計上依賴ARM公司的IP核授權(quán)，在制造上依賴臺積電的制造工藝，可以說是買國外的設(shè)計工具和CPU核、GPU核，“拼裝”芯片版圖，然后去臺積電流片。當(dāng)然，這種“拼裝”芯片版圖要比我們自己買CPU、主板、顯卡、內(nèi)存、硬盤組裝電腦要高端得多，但這種“拼裝”與真正獨立自主設(shè)計芯片尚有很大差距。我們在看到一些國產(chǎn)芯片通過“在洋人地基上蓋房子”的方式獲得商業(yè)上成功的同時，也必須正視這種商業(yè)模式的潛在風(fēng)險和危害。

03、禁令短期內(nèi)影響不大

EDA工具是與相應(yīng)的制造工藝相匹配的，如果購買了28nm HKMG工藝的EDA軟件，那就只能用于設(shè)計該工藝的芯片，不能用于設(shè)計16nm FinFET工藝芯片，購買了16 nm 工藝的EDA軟件，就只能用于該工藝，不能用于設(shè)計7nm FinFET工藝芯片。

目前，美國禁止EDA公司向我國出售GAAFET（全柵場效應(yīng)晶體管）結(jié)構(gòu)集成電路所必需的EDA軟件，而GAAFET工藝是3nm以下芯片才會用到的，當(dāng)下屬于尖端的5/7nm工藝用的都是FinFET（鰭式場效應(yīng)晶體管），簡言之，5nm以上工藝的EDA并不在禁令范圍內(nèi)，禁令只針對3nm以下工藝。

之前提到了EDA軟件是與相應(yīng)制造工藝相匹配的，當(dāng)下，大陸先進(jìn)制造工藝依然是12/14nm，雖然有外媒對大陸最新工藝進(jìn)行了比較，認(rèn)為其性能接近臺積電7nm，但該工藝的產(chǎn)能很小，尚處于試生產(chǎn)階段，大陸晶圓廠目前的主要營收來源依然是28nm以上工藝，在技術(shù)上與3nm工藝尚有不小的距離。

必須說明的是，3nm以下工藝對于工業(yè)界而言并非不可或缺，絕大多數(shù)芯片壓根沒必要用3nm工藝，大陸晶圓廠現(xiàn)有的12/14nm工藝已經(jīng)能夠滿足絕大部分市場需求。在進(jìn)入28nm工藝節(jié)點后，繼續(xù)攀升工藝的性價比越來越低，這也是很多對成本非常敏感的芯片依舊采用28nm工藝的原因。何況開發(fā)3nm工藝必然高度依賴ASML、應(yīng)用材料、泛林等歐美公司的半導(dǎo)體設(shè)備，潛在風(fēng)險不可小覷。

因此，鐵流認(rèn)為，未來5年內(nèi)，大陸晶圓廠的主要任務(wù)有兩個，一是逐步提升12/14nm工藝的產(chǎn)能和營收占比，提升7nm工藝良率，二是穩(wěn)步提升半導(dǎo)體設(shè)備的國產(chǎn)化比例，構(gòu)建紅色產(chǎn)業(yè)鏈。研發(fā)3nm工藝的優(yōu)先級不會高于前兩者。可以說，由于斷供的EDA軟件過于先進(jìn)，明顯超越了大陸晶圓廠的制造能力。因此，短期來看，美國該項禁令對大陸企業(yè)沒有影響。

04、EDA禁令利好自主企業(yè)

目前的情況是，已經(jīng)購買的EDA軟件可以繼續(xù)用，3nm以上工藝的EDA軟件也可以買，甚至有的時候還能用破解版。不過，對于破解版，不應(yīng)對其抱有過高期望，一位行業(yè)人士告知：雖然破解版肯定會有，但未必會有支持，如果沒有廠商支持，破解版在使用中一旦出了問題就不好解決。

就這項禁令而言，明顯是對本土企業(yè)的重大利好，特別是那些真正幾十年如一日自主研發(fā)的企業(yè)，可以獲得政策紅利和市場紅利。就以華大九天為代表的本土EDA廠商來說，必然獲得資本市場的追捧和政策紅利，以及原本對華大九天不太感冒的一些本土大公司，也會基于技術(shù)備份的考量采購其產(chǎn)品。

另外，對于國內(nèi)CPU公司而言，美國這項禁令也是利好。近年來，隨著信創(chuàng)的東風(fēng)，國產(chǎn)CPU著裝成長，這些CPU可以分為兩個流派，一個流派是從零開始自主研發(fā)，自主設(shè)計指令集，自主設(shè)計微結(jié)構(gòu)，重視CPU核升級和IPC提升，對尖端工藝依賴比較弱，典型代表是龍芯，龍芯采用12nm工藝的CPU性能超過了技術(shù)引進(jìn)的7nm CPU。

另一個流派則是技術(shù)引進(jìn)，通過引進(jìn)國外CPU核，重視工藝提升，因而對臺積電依賴很高，在失去臺積電流片渠道后，芯片就會“絕版”。同時，這類CPU的性能對臺積電尖端工藝依賴性高，一旦換成大陸工藝則出現(xiàn)CPU性能倒退，典型代表是國產(chǎn)ARM芯片。

美國這項禁令等于是給中國CPU公司的工藝鎖了上限，而且是在未來5年至10年內(nèi)，大陸CPU公司的工藝上限就是5nm，這會使那些依賴尖端工藝來提升性能的公司失去以往在工藝上的優(yōu)勢。這等于是給那些專注于提升CPU核設(shè)計能力的自主CPU公司送紅利。

宏觀來看，美國這項禁令會促使CPU公司把精力用在如何提升架構(gòu)設(shè)計水平和CPU核的性能，而不是把資源用在買國外更好的CPU核，買更好的EDA工具，以及買更先進(jìn)的臺積電工藝，這對于國產(chǎn)CPU行業(yè)而言是大好事。

05、EDA和制造工藝的進(jìn)步需要攜手共進(jìn)

EDA工具和國外差距大，一方面固然有國外起步早的先發(fā)優(yōu)勢。另一方面，也需要整個產(chǎn)業(yè)鏈攜手共進(jìn)。使用國外正版或破解版EDA工具只是權(quán)宜之計。

國內(nèi)單位應(yīng)正視問題，齊心協(xié)力一起把國產(chǎn)EDA工具一點一點做強。開發(fā)出性能優(yōu)越的EDA工具，一方面要有良好的算法，另一方面需要和工藝相結(jié)合。

前者對數(shù)學(xué)要求很高，由于數(shù)學(xué)這類純理論不賺錢，很多數(shù)學(xué)人才紛紛改行去來錢快的行業(yè)。后者則由于種種因素，使國產(chǎn)EDA軟件與自主工藝很難結(jié)合——即便在算法方面有可能取得一定的技術(shù)突破，但EDA設(shè)計的后端工具要和工藝相結(jié)合，而國內(nèi)自主工藝方面比較弱，境內(nèi)晶圓廠最先進(jìn)的工藝線大多是引進(jìn)的，還簽署一定限制條款。正如國家要發(fā)展必然離不開完善的基礎(chǔ)建設(shè)，這是發(fā)展的基礎(chǔ)，EDA工具的研發(fā)進(jìn)步就需要國內(nèi)自主研發(fā)的制造工藝做基礎(chǔ)，由于缺乏自主研發(fā)的尖端制造工藝，所以和工藝結(jié)合的那部分就根本不可能取得技術(shù)突破。

那如果有了自主研發(fā)的先進(jìn)工藝，就能夠開發(fā)出良好的EDA工具了么？

事情沒這么簡單。即便有了自主研發(fā)的先進(jìn)工藝，撇開工藝結(jié)合，光在算法技術(shù)上和國外三巨頭的差距也很遠(yuǎn)。而且算法和工藝相結(jié)合很難，需要非常高深的數(shù)學(xué)理論，這是目前國內(nèi)很難做到的。技術(shù)發(fā)展也離不開商業(yè)因素，愿意采購華大九天產(chǎn)品的公司相對偏少，而EDA工具的成熟，離不開IC設(shè)計公司的大規(guī)模應(yīng)用。

在國外三巨頭占有統(tǒng)治地位的情況下，會導(dǎo)致國產(chǎn)EDA陷入惡性循環(huán)——產(chǎn)品有差距導(dǎo)致客戶少，客戶少加劇產(chǎn)品差距。就國產(chǎn)EDA工具而言，短期還看不到趕超西方的可能性。

因此，國產(chǎn)EDA工具的成長和發(fā)展，必須依賴IC設(shè)計、IC制造公司的鼎立協(xié)助，只有大家協(xié)同形成合力，才有希望追趕國外EDA三大廠。這個過程會比較慢，可能很多年才能實現(xiàn)。幸運的是，美國政府的EDA禁令，等于是給我國EDA行業(yè)送上了神助攻，在禁令下，原本很難實現(xiàn)的行業(yè)大協(xié)作會迎來大提速。

當(dāng)下，龍芯、申威正在積極使用國產(chǎn)EDA和開源EDA工具，因為這些EDA工具可以滿足它們大部分嵌入式CPU的設(shè)計需求。

06、結(jié)語

總之，美國本次斷供EDA對我國產(chǎn)業(yè)界幾乎沒有多少負(fù)面影響，3nm工藝對于大陸來說可能是五至十年之后的事了。真正的負(fù)面影響不在產(chǎn)業(yè)界，而在學(xué)術(shù)界，因為斷供可能會影響學(xué)術(shù)和技術(shù)交流，對于人才的成長非常不利。

話說回來，如果不是美國政府咄咄逼人，華大九天、龍芯、達(dá)夢等一批幾十年如一日坐冷板凳，堅定不移自主研發(fā)的企業(yè)不會獲得這么好的發(fā)展機會、發(fā)展環(huán)境。也許在20年后我們回望這段歷史的時候，會情不自禁的感慨必須給美國政府送1噸重的獎?wù)隆?/p>