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美国如何锻造卡脖子工具EDA | 工业软件炼钢记

2019-11-22
来源: 知识自动化
关键词: EDA 工业软件

  用最小气力而可以一剑封喉的,一定是江湖上最毒辣的武器。电子设计自动化EDA软件,正是半导体江湖上这样的毒器。EDA软件在整个全球不过区区100亿美元的产值,却主宰着全球5000亿美元的全球集成电路市场,和它背后近1.5万亿美元的整个电子产业。仅仅从EDA对集成电路的影响而言,杠杆力高达50倍。而在中国,这个杠杆效应更大。作为全球规模最大、增速最快的中国集成电路市场规模,2018年已经达到2万亿元人民币,而EDA在中国的市场体量仅为35亿人民币,笼统计算可以认为这个杠杆力为570倍。如果这是一种毒素的话,它的毒性效应将近600倍。如果考虑到中国95%市场份额都集中在国外厂家,尤其是全世界70%的EDA产值都垄断在三家美国公司手中(尽管有一家已经被西门子收购,但并不能改变多少国家的属性),问题更要严重得多。

  这就是中国半导体产业面临的如剑在喉的处境。

  那么,这样的工业软件工具是如何炼成的?除了大手笔研发、早已跟全球产业链融合在一起的企业软件巨头之外,政府和产业共同体的身影,才是最值得琢磨的招法。

  1. EDA是工程创新的成功典范。

  如果有人认为EDA软件,只是一个信息化软件,只是一把工具,那么他对EDA基本是处于一种半知无解的态度。

  这是对科学与工程的双重失敬。EDA软件,是人类工程史上的一座宏大的丰碑。

  在人类历史上,EDA软件成功地设计了世界上最为复杂的、以指数级增长的超级微雕物理宫殿。从1971年第一个拥有2250个晶体管的微处理器(Intel 4004)开始,到拥有103亿个晶体管的华为最新移动处理器麒麟Kirin 990, 电子设计自动化EDA软件都跟着进化。电路仿真软件SPICE作为最早的、在今天仍然是最重要的软件之一,同样诞生于1971年。比摩尔定律的提出时间晚了6年,但它从此却成为摩尔定律的最忠诚的保驾护航者。

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  图1:EDA让设计成本急剧下降

  在2001年的时候,半导体技术路线图能否沿着摩尔定律发展的最大威胁,正是来自设计费用的飙升。EDA软件的发展,成功地平复了成本的暴动。实际上,它一直就是这样的“成本杀手”的角色。根据加州大学Kahng教授的计算分析,在2011年一片芯上系统SoC的设计费大约是4000万美元。如果没有EDA技术进步,这笔费用会上升至77亿美元。EDA软件让设计费用整整降低了200倍。

  其次,EDA是计算机科学与工程领域中第一个将计算建模、计算思维、计算探索的概念和技术,成功应用于电子电路设计工程领域。它改变了电子工程师设计和制造集成电路的方式。今天要设计任何一个电路,都可以从可执行编程语言规定的高度抽象的计算模型开始。然后,电路设计经过一系列综合、转换和优化,再进行严格的数字模拟和原型设计,还有正式和半正式的验证,最后通过先进的光刻和化学工艺制造出来。各环节高度专业,界面清晰,分工明确。

  最后,EDA是最早从事跨领域合作的计算机科学与工程领域之一。计算机科学家和EDA工程师已与电气工程师合作,获得了不同层次的电路模型。他们与物理学家和化学家合作推出了制造模型;他们与理论计算机科学家合作,进行各种复杂性分析;他们与应用数学和优化专家合作,开发伸缩性很好的模拟和综合算法;他们并与应用领域专家合作,开发知识产权(IP)库。

  正因为如此,EDA软件成为半导体行业的骄子。电子电路设计领域遇到的问题,比如说成本压力、复杂性挑战、多样性挑战,有很多是需要通过EDA来解决。与此同时,EDA也在扩展其自身的应用领域,跳出电子电路的窠臼,解决诸多新兴领域设计自动化技术的应用问题。当硬件行业越来越多的讨论“后摩尔时代”的时候,EDA责无旁贷地地顶起了重担,不仅是要延续“摩尔定律”,而且要实现“超越摩尔”的雄心。

  要认识这样的工业软件,没有大是大非的工程思维,是不可能理解它的复杂性。

  2. 基础研究功不可没

  于是,美国基础研究登场。即使美国EDA软件企业已经取得了绝对垄断性的地位,但美国政府从来没有收手,它以一种持续加码的方式,推动EDA软件的基础研究的发展。

  在美国,是国家科学基金(NSF)和半导体研究共同体(SRC)为EDA研究插上了翱翔蓝天的翅膀。

  NSF规划未来研究方向。在2006年10月,NSF和SRC举办了一个联合研讨会,研究设计自动化(DA)的未来方向。他们建议通过一项“国家设计倡议(NDI)”加强对设计技术和工具的研究,重点关注三个研究领域。一是开发更新、更强大、面向信息物理系统的设计科学和方法,将设计生产力提高一个数量级,超越当前包含数十亿晶体管的系统集成技术;二是建立更稳健的优化方法,为高可变、多领域、高度不确定的集成系统提供可靠的性能保证;三是极大改进交互界面,支持高级系统的量产,以便最大限度的利用技术。他们在技术目标与经济目标之间建立联系,使公众确信类似的努力对“保持美国在纳米和微系统集成设计方面的领导力地位”至关重要。

  EDA的定义也至关重要。维基百科Wikipedia将EDA定义为“用于设计和生产电子系统(从印刷电路板到集成电路)的工具类别”,有时被称为ECAD或ICCAD等。然而,这样的定义过于狭隘,只是突出了EDA技术使用的方面,却并没有反映EDA深厚的科学跟脚。为此NSF强调,一个良好的EDA定义应该同时强调以下三个方面。第一,EDA由一系列方法、算法和工具组成,这些方法、算法和工具可以帮助电子系统的设计、验证和测试实现自动化。第二,EDA体现了一种通用的方法,它寻求将高级描述逐步细化为低级详细的物理实现,设计范围从集成电路和SoC到印刷电路板和电子系统。第三,EDA涉及到在每个抽象级别上的建模、综合与验证。

  江山如此多娇,山水之下多暗礁。这才是EDA的真面目。只有清楚EDA的复杂性,清楚EDA远远超越了普通工具与算法,才能真正从科学上敬畏它,从战略上重视它,从机理上做持续性的发展。

  美国自然基金委NSF做的正是这样的事情。

  3. NSF投资EDA的研究

  NSF的主要任务是促进突破性的发现,每年掌握七十亿美元左右的投资预算,投资目录十分丰富。而EDA领域的研究范围十分广泛,从高层的混合信号系统综合到微观新兴技术密集的多尺度模拟,这就使对EDA项目的投资在主干之外,还有许多偶发的支流。比如说,像信息技术研究计划(ITR)和国家纳米技术计划(NNI)这样的专门研究计划也会为EDA研究提供额外的投资。例如,在1999至2004财年的5年期间,ITR每年为设计自动化(DA)提供约300万美元的资助,而CISE到了2005财年还能从NNI每年拿200万美元用于与设计自动化相关的研究。

  此外,NSF还通过其职业奖励计划支持年轻的研究人员从事EDA研究,每年会专门支持五六个EDA的新项目。研究人员也能从其他的项目中拿到关于EDA研究的资助,比如纳米相关研究或嵌入式系统研究等。

  NSF对EDA的投资,来源是多种多样的。但物必有主,无主则争,谁应该对NSF的EDA投资渠道承担主要责任呢?

  EDA作为兼具理论和工程的学科,需要强大的计算基础设施支持,这使得它的研究成本十分高昂。处于工程与计算机科学的交界地带,EDA是计算机科学解决工程问题的应用范例。虽然EDA研究必然受到工程需求和约束的限制,但是针对EDA研究问题的解决方案一直以来都是通过数学和计算机科学的核心理论来实现的。其次,解决EDA问题取得的成果可以用来帮助解决数学及计算机科学领域的开放问题。例如,验证是基于数学和计算机科学理论的,但它本质上是多学科的,涉及验证研究人员,以及在待验证系统方面具有丰富知识的领域专家。

  如果视野放得更宽,可以发现EDA视角在解决其他科学问题方面也是非常有价值的。例如,研究人员正在将EDA思想应用到解决物理、化学、系统生物学和合成生物学问题的工具开发中。这正是有计算、又有信息学、还要有工程要素的融合之地。因此在美国自然基金委NSF对EDA的管理体系中,计算机、信息科学与工程理事会(CISE)是主要操盘手。

  NSF对EDA研究的投资额度在每年800万美元到1200万美元之间波动,大部分的投资来自于NSF核心发展投资计划之下的计算机、信息科学与工程理事会(CISE)和工程理事会的电气通信和网络工程分部(ECCS),CISE和数学科学部联合主办的计算机科学与数学跨学科项目也会提供部分资金。也就是说,CISE和ECCS每年掌握大约7亿美元左右的投资额度,投给EDA的大概占到2%左右。

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  图2:NSF投资EDA的组织框架

  那么,NSF到底资助了多少个EDA相关的项目呢?

  2015年,IEEE的一个工作组请了两位资深的EDA项目经理对NSF资助过的EDA项目进行识别,最终统计出从1984年到2015年,有将近1190个NSF研究课题是与EDA(DA)强相关的。

  1190个项目!!每年40个项目,持续30年的基础研究投入。这是一个国家对EDA软件的基础研究的态度。

  4. SRC如何支持EDA研究

  半导体研究共同体SRC是世界领先的大学半导体和相关技术研究联盟,是推动美国半导体共性技术发展的关键性力量。行业合作伙伴包括应用材料公司AM、格罗方德GLOBALFOUNDRIES、IBM、英特尔公司、美光科技公司、雷神公司、德州仪器公司和联合技术公司。

  在1982年SRC成立的时候,设计科学是一个最初的焦点领域,而EDA研究是它的主要部分。而设计科学基金的预算,则独占SRC预算的四分之一,其余的则致力于技术和制造业。发展至今日,SRC依然专设“计算机辅助设计和测试”的研究领域,归属于“全球协同研究中心”的旗下。SRC接受来自联盟企业的捐款,每年安排数百万美元的资金用于EDA技术的研究。

  SRC并不着急立刻盈利,它关注的是未来卡脖子的前沿性技术的应用。六年前SRC公布了“星网”计划,这是和美国国防部高级预研局DARPA联合投资的大学研究中心网络——跨越24个州的42所大学,计划在五年内向六个大学研究中心投资1。94亿美元。这是重点研究下一代微电子技术。SRC也清楚,“星网”计划所研究的技术可能至少在未来10-15年内都不会具有商业可行性,但成员们将能够对产生的IP进行再授权。“星网”计划是对“焦点中心研究计划”(FCRP)的延续。2008年,全国共有5个FCRP中心,其中GSRC和C2S2中心与EDA项目直接相关,来自这两个中心的与EDA相关的资金估计在400万美元到500万美元之间。

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  图3:“星网”计划连接大学研究中心

  SRC在整合行业资源、专注于共性的“竞争前”领域起到了关键作用,NSF也在探索类似的联合资助模式。他们与美国国防部以及工业界缔结了牢固的联合投资机制,每年将大约2000万美元的资金投向EDA研究领域。

  5. 产业前传的主角是共性技术研发

  如果按照技术成熟度等级的标准看,NSF资助的EDA研究项目大多位于1~3级之间,然后接力棒就交给了SRC,由SRC资助技术成熟度在4~6之间的研究项目,著名的“创新死亡谷”就在这个范围。

  有些人可能认为,由于EDA问题通常与产业直接相关,所以产业应该是主要的财务支持者。这一点自然是对的,EDA三大巨头都是投入巨资在做研发。然而,这些企业也非常关心基础研究,而且一直也是EDA基础研究的积极支持者,他们会通过SRC进行基础共性技术的投资。

  各家企业单独用来进行EDA基础研究的资金十分有限,即使在经济形势好的时候,也难以支持EDA的研究需求,需要通过共同体将研究资金聚集起来,集中力量进行产业共性技术创新。这正是美国半导体研究共同体SRC的巨大价值。

  EDA研究极其需要理论研究,而这些理论研究大概率难以获得及时的商业应用,因此很难获得来自企业的直接赞助。企业青睐能够迅速见效的短期项目,而风险更大、周期更长、商业应用更不明确而又十分必要的研究项目,就需要NSF及SRC这样的非盈利服务机构投资并组织研发。

  例如,模型检查和模型简化是EDA技术的典型应用,如果没有最初由NSF和DARPA提供的长期资助,可能不会达到能够引起业界关注的成熟度水平。产业界对“长周期”的“宽容”永远比不上从科学研究到商业盈利的长周期。比如,模型检查技术从编程语言理论开始发展,到成熟的软件货架产品,经历了二十多年,在最初的10年里,它完全是由国家科学基金会支持的。

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  图4:NSF和SRC支持的项目

  NSF和SRC的交互配合,在一定程度上弥合了创新前段由于知识需求和商业关注的巨大差距形成的“创新死亡谷”。

  6. 还惦记别人家的锅

  然而,研究投资永远是不够的,尤其是看向竞争伙伴的时候。NSF科学家们,在理直气壮地向国家要钱的时候,从来不会忘了拿中国台湾和欧洲说事。

  他们看到,在中国台湾,当局通过直接投资和校企合作扶持EDA。与EDA相关的重要项目之一是SoC计划,该计划自2001年起每年资助7000万美元。研究主题包括集成电路、嵌入式软件和设计自动化。NSF的专家们认为,其中有一半左右是用来发展EDA的。其他的扶持资助项目还包括与数据分析相关的研究,自2003年以来,中国台湾每年投资1亿美元研究纳米技术;1998年以来,每年投资7000万美元研究电信项目。在大学-产业-政府计划中,台湾当局扮演主要的促成者角色,鼓励产业配对与参与。值得注意的是,在政府拨款只有5%的管理费用,工业拨款只有20%的管理费用,这令NSF的科学家们赞叹不已。

  欧洲也令美国NSF眼馋。虽然没有专门针对EDA的项目,但许多欧洲国家都有国家项目来支持信息和通信技术(ICT)、纳米技术、嵌入式系统、高级计算和软件技术等领域的研发,这些领域都包含EDA的各个方面。最新的Eureka计划之一是Catrene(欧洲纳米电子学应用和技术研究集群),它是一个2008年到2012年的计划。Catrene有30亿欧元的预算,合作伙伴包括大学、半导体制造商如英飞凌、NXP、飞利浦等,也有空客和大众的大用户,当然也少不了EDA软件公司Cadence。这里面就有两个项目明确地指向EDA。

  而在另外一个欧洲研发项目中,2001年至2008年期间的预算为40亿欧元,总资金的75%来自公司。它支持了70个项目,其中15个集中在EDA。

  这些动向,都逃不开美国自然基金委NSF的眼睛。NSF专家们经过估算,认为中国台湾地区和欧洲投资EDA研究的资金,比美国政府和产业界投给EDA基础研究的资金多出几倍。即使作为全球最强大的EDA基地,美国NSF仍然有强烈的冲动,认为需要加强对EDA研究的投资。而且对全球任何其他地方在该领域的基础研究,都投以了警惕的目光。

  7。 小记

  美国拥有培养完整的EDA从基础研究、到应用转化,到商业应用的全科技产业链条。即使美国企业占有绝对垄断地位,即使产业界拥有开放的协同创新体系,美国科学界仍然在持续地进行前瞻性研究,仍然不断呼吁加大基础研究的投资力度。

  那么,当后行者刚刚开始出现在路面就被卡脖子的时候,后行者将需要有怎样的雷霆手段,才能追赶遥遥走在地平线远端的领先者。砸钱是人们认为最直接有效的方法。2014年大基金I期1200亿元,2019年10月份大基金II期再砸2000亿。只是,这些基金看上去都携带着急急如律令,往往都直接砸到了产业端。“速交答卷”,是他们生下来就承诺过的使命。

  然而,许多工业软件的解药,往往都是慢郎中的药方。如果全然不管前端的数学物理机理和工程系统的基础研究突破,EDA软件的崛起,基本就是一个无解之题。


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