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集成電路領(lǐng)域的EDA發(fā)展現(xiàn)狀及標(biāo)準(zhǔn)化

2024-11-09 00:00:00劉舒寧菅端端李玉亮王曉童南江馬子儀
中國標(biāo)準(zhǔn)化 2024年20期

摘 要:電子設(shè)計自動化(EDA)工具是在整個集成電路產(chǎn)業(yè)鏈中被廣泛應(yīng)用的軟件系統(tǒng)。本文通過總結(jié)EDA產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r以及標(biāo)準(zhǔn)化情況,指出我國EDA標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)面臨的問題與挑戰(zhàn),從促進國產(chǎn)EDA高質(zhì)量發(fā)展的角度提出國內(nèi)EDA標(biāo)準(zhǔn)制定方向上的建議,旨在促進國產(chǎn)EDA工具的應(yīng)用和標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展。

關(guān)鍵詞:電子設(shè)計自動化,標(biāo)準(zhǔn)化,集成電路

DOI編碼:10.3969/j.issn.1002-5944.2024.20.006

0 引 言

半個世紀(jì)以來,電子設(shè)計自動化(ElectronicDesign Automation,簡稱EDA)工具一直在集成電路設(shè)計中扮演重要角色。上世紀(jì)70年代,EDA工具僅僅支持幾千個晶體管芯片開發(fā),目前已實現(xiàn)億級晶體管數(shù)量的芯片設(shè)計,并可以解決超大規(guī)模及更加復(fù)雜的集成電路設(shè)計問題[1]。縱觀全球EDA行業(yè),目前面臨的問題有:一是與之前幾十年相比,現(xiàn)代集成電路設(shè)計規(guī)模更大,EDA工具的性能需要隨集成電路制造工藝的升級而提升,導(dǎo)致其設(shè)計研發(fā)成本高,發(fā)展速度放緩;二是EDA三巨頭Synopsys、Cadence和Mentor Graphics(Siemens EDA)2022年占據(jù)了全球EDA市場超過七成的份額,集成電路設(shè)計企業(yè)、EDA企業(yè)和集成電路制造企業(yè)之間形成的固定合作關(guān)系使得行業(yè)新進入者難以生存。本文總結(jié)了目前國內(nèi)外EDA產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀以及標(biāo)準(zhǔn)化情況,以推進國產(chǎn)EDA工具的高質(zhì)量發(fā)展為出發(fā)點,指出我國EDA標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)面臨的問題,同時本文針對產(chǎn)業(yè)面臨的挑戰(zhàn)和機遇,提出構(gòu)建國內(nèi)EDA標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)的方向,以促進國產(chǎn)EDA工具的應(yīng)用推廣,推動EDA產(chǎn)業(yè)的持續(xù)創(chuàng)新和增長。

1 EDA產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

EDA工具是在整個集成電路產(chǎn)業(yè)鏈中被廣泛使用的軟件系統(tǒng),對芯片的設(shè)計生產(chǎn)、性能、產(chǎn)品品質(zhì)都有直接影響,是集成電路產(chǎn)業(yè)的源頭。EDA工具涉及了從仿真、綜合到版圖,從前端到桌面,從模擬、數(shù)字、混合設(shè)計到工藝制造的各個環(huán)節(jié)[2]。集成電路設(shè)計與制造離不開EDA工具的支持,因此,EDA工具是集成電路產(chǎn)業(yè)的重要基石,承擔(dān)著推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵角色。

根據(jù)SEMI的數(shù)據(jù),從2017年到2021年,全球EDA市場規(guī)模經(jīng)歷了持續(xù)增長,從92.87億美元增加到132.00億美元,預(yù)計到2026年將達到183.34億美元。國外EDA企業(yè)引領(lǐng)了全球EDA工具技術(shù)發(fā)展,已經(jīng)在進行支持面向3 nm工藝的EDA工具開發(fā)工作。Synopsys、Cadence和西門子EDA等幾家國際企業(yè)能夠提供全流程、全產(chǎn)品EDA工具的企業(yè)處于行業(yè)領(lǐng)先地位,形成了近70%的壟斷市場份額[3]。國內(nèi)企業(yè)在全球市場中僅占約15%的份額。國內(nèi)的EDA市場規(guī)模相對較小,但呈現(xiàn)迅速增長的趨勢。2017年,中國EDA市場規(guī)模為64.1億元,到2020年急劇增至93.1億元,預(yù)計到2026年將達到221.88億元。2020年,Synopsys和Cadence這兩家合資企業(yè)占據(jù)了中國市場的60%[3]。國內(nèi)企業(yè)的產(chǎn)品在某些領(lǐng)域具備一定優(yōu)勢,國內(nèi)部分點工具可支持目前最先進的7 nm工藝,有十余款點工具達到了國際領(lǐng)先水平。

2 EDA標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

2.1 EDA領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)組織

目前國際上E DA領(lǐng)域比較有代表性的標(biāo)準(zhǔn)化組織有Si2(Silicon Integ ration Initiative)、IEEE DASC(IEEE Design Automation StandardsC o m m i t t e e)、A c c e l e r a(A c c e l e r a S y s t e m sInitiative)等[4]。

Si2由全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司、EDA工具供應(yīng)商、集成電路制造商、芯片設(shè)計公司、研究機構(gòu)等組成,其成員包括英特爾、臺積電、IBM、博通、TI、NXP等企業(yè)。Si2的前身是CFI組織,在1997年的第34屆設(shè)計自動化會議(DAC)上,CFI正式更名Si2。Si2致力于開發(fā)EDA底座框架和接口的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),以不斷改進集成電路的設(shè)計和制造方式。目前,Si2已經(jīng)成為了EDA領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)化最重要的組織之一,其標(biāo)準(zhǔn)被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體設(shè)計和制造領(lǐng)域。

IEEE DASC(IEEE Design Automation StandardsCommittee)成立于1963年,主要任務(wù)是制定和推廣EDA領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn),通過制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),提高EDA工具和流程之間的互操作性,促進電子產(chǎn)品設(shè)計的效率和質(zhì)量,標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容涵蓋了電路設(shè)計、驗證、仿真到物理設(shè)計等環(huán)節(jié)。IEEE DASC設(shè)有多個工作組,每個工作組負責(zé)特定領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)制定工作,包括硬件描述語言(如Verilog和VHDL)、電路模擬和驗證、電路布局和布線、測試和可靠性等。IEEE DASC的標(biāo)準(zhǔn)通常經(jīng)過廣泛的行業(yè)討論和評審,通過制定和標(biāo)準(zhǔn)推廣,IEEE DASC在EDA領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用,促進了EDA工具和集成電路設(shè)計流程的發(fā)展,推動EDA領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和進步。

Accellera(Accellera Systems Initiative)主要致力于制定平衡、開放、促進全球EDA技術(shù)發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn),從而提高EDA工具的設(shè)計和驗證效率。Accel ler a專注于E DA技術(shù)和集成電路I P標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā),目前已發(fā)展成為較強行業(yè)影響力的標(biāo)準(zhǔn)組織,全球領(lǐng)先的公司和半導(dǎo)體制造商也廣泛采用Accellera的EDA和知識產(chǎn)權(quán)(IP)標(biāo)準(zhǔn)用于產(chǎn)品的生產(chǎn)研發(fā)。

此外,還有國際電工委員會電子裝聯(lián)技術(shù)委員會(IEC/TC 91,IEC Technical Committee 91)、國際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會化合物半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會(SEMI /CGCSC,SEMI Char ter of GlobalCompound Semiconductor materials Committee)等標(biāo)準(zhǔn)化組織都開展了EDA標(biāo)準(zhǔn)化工作。IEC標(biāo)準(zhǔn)側(cè)重有關(guān)電工、電子領(lǐng)域的國際標(biāo)準(zhǔn)化;IEEE協(xié)會致力于電氣、電子、計算機工程和與科學(xué)有關(guān)的領(lǐng)域的開發(fā)和研究。SEMI(國際半導(dǎo)體設(shè)備材料產(chǎn)業(yè)協(xié)會)致力于促進微電子、平面顯示器及太陽能光電等產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈的整體發(fā)展。2024年3月22日全國集成電路標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會電子設(shè)計自動化工作組(SAC/TC599/WG1)正式成立,負責(zé)開展我國集成電路電子設(shè)計自動化領(lǐng)域國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制(修)訂工作。

2.2 國際EDA標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

EDA國際標(biāo)準(zhǔn)可大致分為以下幾類:術(shù)語規(guī)范類、描述語言類、仿真驗證類、數(shù)據(jù)類和IP核類等。術(shù)語規(guī)范類標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)定了集成電路生產(chǎn)制造、工程應(yīng)用和貿(mào)易等過程中使用的專有名詞。描述語言類標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了集成電路設(shè)計的系統(tǒng)級、算法級和邏輯綜合級的描述規(guī)則。數(shù)據(jù)類標(biāo)準(zhǔn)主要面向不同EDA點工具之間兼容互通需求,建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口、數(shù)據(jù)格式等。仿真驗證類標(biāo)準(zhǔn)重點關(guān)注集成電路的信號延遲、功耗、時序收斂等優(yōu)化。IP核類標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)范了IP核的開發(fā)與集成、模型分類、性能測試等。在這些標(biāo)準(zhǔn)分類中,描述語言類和術(shù)語類標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)險相對較低,屬于行業(yè)內(nèi)的基礎(chǔ)共識。而數(shù)據(jù)類和IP核類標(biāo)準(zhǔn)已成為三巨頭壟斷行業(yè)的技術(shù)手段,具有高度的平臺依賴性。例如,Cadence自有的詳細標(biāo)準(zhǔn)寄生格式(Detailed Standard ParasiticFormat)和精簡標(biāo)準(zhǔn)寄生格式(Reduced StandardParasitic Format),Synopsys自有的二進制寄生格式(Synopsys Binary Parasitic Format)。IP核含有研發(fā)企業(yè)專用的知識產(chǎn)權(quán),需要長年的技術(shù)和經(jīng)驗積累,具有較高的技術(shù)門檻,造成間接技術(shù)綁定,小企業(yè)產(chǎn)品短期內(nèi)難以得到市場認可,已成為芯片高效開發(fā)和技術(shù)保護的主要手段。目前,IEC、IEEE和SEMI國際標(biāo)準(zhǔn)化組織對上述五類標(biāo)準(zhǔn)的貢獻程度各不相同,部分重要標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)應(yīng)用場景的不同也存在相互交叉重疊的現(xiàn)象。

目前,我國EDA領(lǐng)域相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)缺失,暫無相關(guān)國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

3 我國EDA標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)面臨的問題

當(dāng)前EDA相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)劃分為兩大主要類別,一部分標(biāo)準(zhǔn)由企業(yè)私有,未公開發(fā)布,這些私有標(biāo)準(zhǔn)包括設(shè)置產(chǎn)品競爭壁壘的規(guī)范,如FSDB,以及PDK等以Foundry工藝為核心的標(biāo)準(zhǔn)。另外一部分是公開標(biāo)準(zhǔn),其中一些由企業(yè)提供,通過產(chǎn)品在行業(yè)內(nèi)形成事實標(biāo)準(zhǔn),例如LEF/DEF;還有一些由Si2、IEEE標(biāo)準(zhǔn)委員會等制定,如SystemVerilog。我國的EDA標(biāo)準(zhǔn)體系空白,導(dǎo)致數(shù)據(jù)文件交互方式效率低下,形成全流程EDA標(biāo)準(zhǔn)體系的需求迫切,我國EDA標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)面臨以下問題:

一是缺乏有競爭力且高質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。目前,EDA標(biāo)準(zhǔn)的供給不夠完備,EDA領(lǐng)域由于長期缺乏統(tǒng)一的規(guī)范和指導(dǎo),導(dǎo)致國內(nèi)各家EDA點工具的合作和互操作性較低。我國現(xiàn)有集成電路標(biāo)準(zhǔn)以國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為主,團體標(biāo)準(zhǔn)供給較少且質(zhì)量和競爭力有待提升,不能很好滿足集成電路創(chuàng)新發(fā)展需要。專門針對EDA工具編制的標(biāo)準(zhǔn)更是少之又少,有競爭力且高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)供給不足,難以有效滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求。

二是標(biāo)準(zhǔn)試驗驗證能力不足。一方面缺乏足夠的技術(shù)支持,限制了標(biāo)準(zhǔn)的制定和實施,標(biāo)準(zhǔn)的缺乏使得EDA產(chǎn)業(yè)不斷增長的迫切需求無法滿足,影響EDA工具的創(chuàng)新和應(yīng)用。另一方面我國EDA標(biāo)準(zhǔn)化專業(yè)人才儲備不夠,創(chuàng)新成果難以滿足EDA產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要。此外,支撐EDA工具測試驗證公共服務(wù)平臺缺失,標(biāo)準(zhǔn)試驗驗證能力尚顯不足,對EDA標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)水平、時效性、應(yīng)用實施等都有較大影響。

三是標(biāo)準(zhǔn)宣傳和應(yīng)用推廣力度不夠。在標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布后,需在行業(yè)內(nèi)開展標(biāo)準(zhǔn)的宣傳和應(yīng)用,推動標(biāo)準(zhǔn)落地實施。相關(guān)工作的不足會導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)中標(biāo)準(zhǔn)意識缺失,導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)在實際生產(chǎn)中無法有效運用,造成這一現(xiàn)象的原因有:行業(yè)內(nèi)存在標(biāo)準(zhǔn)意識的缺失,很多從業(yè)者可能不了解標(biāo)準(zhǔn)的存在或其重要性;宣傳工作不夠充分,導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)沒有得到足夠的曝光;信息傳遞的時間滯后,標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布后需要一段時間才能被廣泛了解和采納;推廣活動的組織方式單一,宣傳推廣工作缺乏多樣性和創(chuàng)新性,可能會限制標(biāo)準(zhǔn)的吸引力和可接受性。這些問題合在一起,使得在應(yīng)用執(zhí)行過程中產(chǎn)生誤差,嚴(yán)重削弱了標(biāo)準(zhǔn)的推廣實施效果。

4 國內(nèi)EDA標(biāo)準(zhǔn)制定的方向

隨著技術(shù)的發(fā)展,不斷有新興的與EDA工具密切相關(guān)的技術(shù)和產(chǎn)品登上舞臺,EDA領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化工作能夠?qū)⒏鞣N先進技術(shù)及產(chǎn)品以標(biāo)準(zhǔn)的形式固化下來,確保我國在該領(lǐng)域內(nèi)的領(lǐng)先地位和創(chuàng)新成果。EDA標(biāo)準(zhǔn)體系框架應(yīng)以EDA產(chǎn)業(yè)技術(shù)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),標(biāo)準(zhǔn)化工作作為支撐和保障EDA產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵切入點和重要抓手,后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)制修訂工作的需求量大,本文提出的EDA標(biāo)準(zhǔn)體系如圖1所示,具體可從以下方面發(fā)力。

制定基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)。在EDA領(lǐng)域面臨的諸多問題之中,首先需要解決的是基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一化和本土化問題,術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)作為最重要的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn),在技術(shù)開發(fā)協(xié)作與交流過程中扮演著重要角色。例如,目前相關(guān)術(shù)語沒有國際標(biāo)準(zhǔn),國內(nèi)使用時或者直接使用外文,或者根據(jù)各自不同理解進行直譯,技術(shù)交流時造成理解不一、溝通不暢甚至南轅北轍的情況時有發(fā)生。針對EDA工具使用和設(shè)計過程中用到的名詞術(shù)語制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn),實現(xiàn)EDA領(lǐng)域的概念和術(shù)語統(tǒng)一,防止術(shù)語重復(fù)、矛盾、混亂,保障EDA工具領(lǐng)域內(nèi)準(zhǔn)確無誤地進行技術(shù)開發(fā)協(xié)作與交流、保障討論交流具有統(tǒng)一的理解和語境等問題亟待解決。

統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)。我國EDA相關(guān)產(chǎn)業(yè)正在加速發(fā)展中,實現(xiàn)EDA工具自主可控的需求迫切,但在EDA編程語言、數(shù)據(jù)接口、文件格式等領(lǐng)域,國內(nèi)相關(guān)企業(yè)的技術(shù)水平與國際先進水平相比仍有較大差距,市場占有率較低。現(xiàn)行國標(biāo)、行標(biāo)缺乏,難以滿足現(xiàn)實應(yīng)用的需要。為提升國產(chǎn)EDA技術(shù)水平,在短板環(huán)節(jié)逐步實現(xiàn)國外技術(shù)替代,在長板環(huán)節(jié)持續(xù)提升綜合競爭力,需緊密結(jié)合當(dāng)前技術(shù)發(fā)展趨勢,打造適用于EDA的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn),促進EDA企業(yè)與上下游企業(yè)在技術(shù)、知識產(chǎn)權(quán)、經(jīng)濟、管理等方面的合作,增強EDA企業(yè)品牌建設(shè),滿足EDA產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的需求。

補充接口標(biāo)準(zhǔn)。EDA接口標(biāo)準(zhǔn)的研制要與EDA公共數(shù)據(jù)底座的建設(shè)相結(jié)合,以促進EDA產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。在研制EDA接口標(biāo)準(zhǔn)時,需要考慮接口兼容性、互操作性和可擴展性,以滿足不同廠商的工具和用戶的需求。同時,公共的數(shù)據(jù)底座是連接不同EDA工具的“紐帶”,國產(chǎn)EDA產(chǎn)品缺乏公共數(shù)據(jù)底座,積極引導(dǎo)和鼓勵EDA企業(yè)和用戶共同參與,通過數(shù)據(jù)共享和開放合作完善接口標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容,并進一步推動公共數(shù)據(jù)底座的建設(shè)工作。

完善測試標(biāo)準(zhǔn)。EDA工具作為工業(yè)設(shè)計軟件對軟件的質(zhì)量要求非常高,EDA的測試也越來越受重視,各個分技術(shù)領(lǐng)域的頭部企業(yè)均有自己的測試團隊進行工具的測試驗收,各家的測試方法也存在差別。目前為止,還沒有針對EDA工具的測試方法標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布,所以形成統(tǒng)一的測試標(biāo)準(zhǔn)有助于推動EDA相關(guān)要素標(biāo)準(zhǔn)化,開展標(biāo)準(zhǔn)符合性認證、質(zhì)量監(jiān)測等工作,有助于推動EDA產(chǎn)業(yè)的合作與發(fā)展。

5 總結(jié)與展望

隨著EDA行業(yè)的發(fā)展,標(biāo)準(zhǔn)與標(biāo)準(zhǔn)化工作也將在EDA領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。通過標(biāo)準(zhǔn)保證不同EDA點工具之間的數(shù)據(jù)交換,保證EDA點工具與公共數(shù)據(jù)底座之間的數(shù)據(jù)交換,解決數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和工具兼容性問題,從而提高工具使用者的工作效率。標(biāo)準(zhǔn)作為引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展的重要手段,在我國本次EDA行業(yè)由數(shù)據(jù)逐級傳遞的封閉發(fā)展模式向基于數(shù)據(jù)底座的開放共享模式的集體轉(zhuǎn)型過程中發(fā)揮著重要作用。國內(nèi)EDA標(biāo)準(zhǔn)的完善與標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)符合我國EDA行業(yè)當(dāng)前發(fā)展的需要,適應(yīng)當(dāng)前我國重構(gòu)EDA國際格局的發(fā)展階段,對于穩(wěn)定我國集成電路供應(yīng)鏈、提升國際競爭力有著重要意義。

展望未來,EDA行業(yè)將在不斷的挑戰(zhàn)和機遇中繼續(xù)前行,比如新型芯片架構(gòu)和技術(shù)的不斷涌現(xiàn),如人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和5G,將為EDA工具提供新的應(yīng)用領(lǐng)域,帶來創(chuàng)新設(shè)計和優(yōu)化。隨著芯片尺寸的減小和性能的提升,物理設(shè)計的復(fù)雜性也隨之增加,因此EDA工具需要應(yīng)用先進的物理設(shè)計優(yōu)化方法來實現(xiàn)更高性能和可靠性[5],借助人工智能和機器學(xué)習(xí)進一步優(yōu)化設(shè)計流程、加速仿真驗證以及提升設(shè)計效率。此外,新興市場需求如物聯(lián)網(wǎng)、汽車電子和人工智能等領(lǐng)域?qū)Χㄖ苹酒O(shè)計有了更多需求,也為EDA技術(shù)的發(fā)展提供了機會[6]。通過持續(xù)創(chuàng)新、合作推動以及標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè),我們相信在未來EDA將繼續(xù)為集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做出積極貢獻,EDA與產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)合也將愈加緊密,成為提高設(shè)計效率、加速技術(shù)進步的關(guān)鍵推手。

參考文獻

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作者簡介

劉舒寧,通信作者,碩士研究生,工程師,研究方向為集成電路標(biāo)準(zhǔn)化。

(責(zé)任編輯:張佩玉)

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