手工設(shè)計計算機芯片的日子早已一去不復(fù)返了。在 1970 年代芯片中包含數(shù)千個晶體管,而今天它們已經(jīng)超過了 1000 億個,而手動創(chuàng)建這些設(shè)計是不可能的。這就是電子設(shè)計自動化 (EDA) 軟件的用武之地。它是一類工具,可幫助電氣工程師設(shè)計和開發(fā)更復(fù)雜的芯片。
該軟件現(xiàn)在構(gòu)成了中美科技貿(mào)易戰(zhàn)的最新戰(zhàn)線。8 月 12 日,美國商務(wù)部宣布對某些 EDA 工具實施多邊出口管制,阻止中國和 150 多個其他國家(基本上是任何不是美國傳統(tǒng)盟友的國家)在沒有特別許可的情況下訪問這些工具。
EDA 軟件是半導(dǎo)體供應(yīng)鏈中一個小而強大的部分,它主要由三個西方公司控制。這給了美國一個強大的籌碼點,類似于它上個月想要限制使用光刻機的方式——這是芯片制造的另一個關(guān)鍵工具。那么這個行業(yè)是如何變得如此以美國為中心的,為什么中國不能開發(fā)自己的替代軟件呢?
什么是 EDA?
電子設(shè)計自動化(也稱為電子計算機輔助設(shè)計或 ECAD)是用于芯片制造的專用軟件。它就像建筑師使用的 CAD 軟件,只是它更復(fù)雜,因為它處理集成電路上的數(shù)十億個微型晶體管。
沒有任何一個占主導(dǎo)地位的軟件程序可以代表行業(yè)中的佼佼者。相反,在整個設(shè)計流程中經(jīng)常使用一系列軟件模塊:邏輯設(shè)計、調(diào)試、組件布局、布線、時間和功耗優(yōu)化、驗證等等。由于現(xiàn)代芯片非常復(fù)雜,每一步都需要不同的軟件工具。
EDA 對芯片制造有多重要?
盡管 2021 年全球 EDA 市場的價值僅為 100 億美元左右,僅占5950 億美元半導(dǎo)體市場的一小部分,但它對整個供應(yīng)鏈具有獨特的重要性。
從事芯片設(shè)計和 EDA 行業(yè) 40 多年的顧問 Mike Demler 表示,如今的半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)可以被視為一個三角形。一個角落是代工廠,或者像臺積電這樣的芯片制造商;另一個角落是 ARM 等知識產(chǎn)權(quán)公司,它們制造和銷售可重復(fù)使用的設(shè)計單元或布局;第三個角落是 EDA 工具。三者共同確保供應(yīng)鏈順利進行。
從名字上看,EDA 工具似乎只對芯片設(shè)計公司很重要,但它們也被芯片制造商用來在生產(chǎn)前驗證設(shè)計是否可行。代工廠無法制造單個芯片作為原型。它必須投入數(shù)月的時間和生產(chǎn),而且每次都要在同一個半導(dǎo)體基礎(chǔ)上制造數(shù)百個芯片。如果發(fā)現(xiàn)它們有設(shè)計缺陷,那將是巨大的浪費。因此,制造商依靠一種特殊類型的 EDA 工具來進行自己的驗證。
EDA行業(yè)的龍頭企業(yè)有哪些?
只有少數(shù)幾家公司為芯片制造過程的每個步驟銷售軟件,而且他們已經(jīng)統(tǒng)治了這個市場數(shù)十年。排名前三的公司——Cadence(美國)、Synopsys(美國)和 Mentor Graphics(美國,但在 2017 年被德國公司西門子收購)——控制了全球約 70% 的 EDA 市場。他們的主導(dǎo)地位如此強大,以至于許多 EDA 初創(chuàng)公司專注于一種利基用途,然后將自己出售給這三家公司之一,進一步鞏固了寡頭壟斷地位。
美國政府在做什么來限制對中國的 EDA 出口?
美國公司對EDA行業(yè)的巨大影響力讓美國政府很容易擠壓中國的準入。在其最新公告中,它承諾將某些 EDA 工具添加到其禁止出口的技術(shù)清單中。美國將與包括德國在內(nèi)的其他 41 個國家協(xié)調(diào)實施這些限制措施。
受限制的工具是那些可用于 GAAFET(環(huán)柵場效應(yīng)晶體管)架構(gòu)的工具,這是當今最先進的電路結(jié)構(gòu),這對于制造最新芯片和未來更先進的芯片至關(guān)重要。商務(wù)部仍在征求公眾意見,以確定哪種 EDA 軟件最有助于實現(xiàn)這一特定結(jié)構(gòu),因此應(yīng)將其添加到列表中。
中國科技巨頭華為在 2019 年同樣受到限制,無法使用所有美國 EDA 工具,而拜登政府延續(xù)了特朗普政府將出口管制作為貿(mào)易戰(zhàn)武器的偏好。咨詢公司歐亞集團的分析師陸曉萌表示:“他們上一輪對華為的限制非常成功,以至于他們發(fā)現(xiàn)這是要追求的目標?!?/p>
中國將受到怎樣的影響?
短期內(nèi)中國不會受到那么嚴重的影響,因為中國的代工廠還不夠先進,無法制造出需要 GAAFET 結(jié)構(gòu)的最先進的芯片。但封鎖意味著中國芯片設(shè)計公司將無法使用最先進的工具,而且隨著時間的推移,他們很可能會落后。
但是,阻止軟件的出口與阻止光刻機等大件硬件的出口有很大的不同,因為它們的可追溯性很強,所以不可能走私到中國。EDA 軟件工具是在線分發(fā)的,因此它們可以被盜版。
中國公司要么保留他們已經(jīng)購買的 EDA 軟件,要么訴諸黑客許可或通過影子實體獲取它們。這使得預(yù)測最新一輪限制措施的有效性變得更加困難。
中國在 EDA 方面做了什么?
中國已經(jīng)慢慢意識到它需要開發(fā)國內(nèi)替代品。在其最新的五年計劃中,這是中國最高的經(jīng)濟藍圖,EDA被列為中國需要突破的半導(dǎo)體行業(yè)第一個尖端技術(shù)。這意味著更多的政府資源將投入到這一領(lǐng)域的研發(fā)中,包括中國政府支持的半導(dǎo)體投資基金,該基金于2018年投資了中國EDA公司華大九天。
華大九天的創(chuàng)始人從1980年代就開始從事EDA設(shè)計工作,是目前國內(nèi)EDA軟件的領(lǐng)頭羊,但僅占國內(nèi)EDA市場的6%。它還遠未開發(fā)出完整的設(shè)計流程,這意味著其產(chǎn)品只能替代美國公司提供的一小部分產(chǎn)品。
同時,概倫電子、廣立微等中國EDA公司在技術(shù)布局和創(chuàng)新方面走的較為靠前。
此外,還有更多的初創(chuàng)公司正在填補這一空白,其中大多數(shù)由 Cadence 或 Synopsys 的前中國員工領(lǐng)導(dǎo)。哥本哈根商學(xué)院副教授 Douglas Fuller 表示,憑借更多的國際經(jīng)驗和更少的歷史負擔,這些初創(chuàng)公司可能更有能力挑戰(zhàn)現(xiàn)狀?!皬拈L遠來看,如果他們把它們拼湊起來,它們可能是華大的更好替代品,”他說。
中國開發(fā)國產(chǎn)EDA替代品難嗎?
中國有一個充滿活力的軟件產(chǎn)業(yè),它產(chǎn)生了一些世界著名的消費科技應(yīng)用程序,如騰訊的微信和阿里巴巴的支付寶?!暗?a target="_blank">工業(yè)用途、企業(yè)用途軟件而言?這是中國的缺點,”盧說?!昂荛L一段時間以來,中國的產(chǎn)業(yè)政策制定者都沒有意識到 [EDA 軟件] 是真正的瓶頸。”
這是一個需要數(shù)十年和數(shù)十億美元投資才能取得重大研究進展的領(lǐng)域,因此即使中國企業(yè)現(xiàn)在想趕上,也需要很長時間才能取得重大進展。
一個大問題是人才。EDA 工具開發(fā)是一個如此利基的領(lǐng)域,傳統(tǒng)上,中國公司一直在努力吸引許多接受過 EDA 工具制造培訓(xùn)的少數(shù)工程師。
它將如何影響美國芯片公司?
最新的 EDA 出口管制針對的是行業(yè)中非常專業(yè)和先進的部分?!斑@種高端軟件尚未被中國公司廣泛使用,因此限制對美國供應(yīng)商的直接商業(yè)影響是有限的,”盧說。
但芯片公司通常不歡迎出口管制,因為此類政策會減少對美國產(chǎn)品的需求,從而減少他們的收入。這不僅適用于 EDA 公司,也適用于代工廠、IP 公司、設(shè)備制造商以及供應(yīng)鏈上的其他所有人?!澳銜泻芏鄳嵟墓?,”富勒說?!安粌H在美國——不僅僅是 EDA 公司。”
審核編輯 :李倩
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原文標題:EDA將成為中美芯片的新戰(zhàn)場
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