說(shuō)到CPU、SOC想必很多人不會(huì)陌生，但如果提到EDA工具，可能很多人就從未聽(tīng)說(shuō)過(guò)了。其實(shí)，EDA工具在芯片設(shè)計(jì)中發(fā)揮著巨大的作用，甚至可以說(shuō)，如果沒(méi)有EDA工具，超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)就幾乎是一件不可能完成的任務(wù)。那么，什么是EDA工具?中國(guó)在EDA工具上和國(guó)外差距有多大?在EDA工具上完全受制于人會(huì)存在安全風(fēng)險(xiǎn)么?

什么是EDA工具

EDA工具是電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(Electronic Design Automation)的簡(jiǎn)稱(chēng)，是從計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)、計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試(CAT)和計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)的概念發(fā)展而來(lái)的。利用EDA工具，工程師將芯片的電路設(shè)計(jì)、性能分析、設(shè)計(jì)出IC版圖的整個(gè)過(guò)程交由計(jì)算機(jī)自動(dòng)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(duì)偏低，這使得工程師可以依靠手工完成集成電路的設(shè)計(jì)、布線等工作。但隨著集成電路越來(lái)越復(fù)雜，完全依賴手工越來(lái)越不切實(shí)際，工程師們只好開(kāi)始嘗試將設(shè)計(jì)過(guò)程自動(dòng)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(guò)編程語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行芯片設(shè)計(jì)的新思想,加上集成電路邏輯仿真、功能驗(yàn)證的工具的日益成熟，使得工程師們可以設(shè)計(jì)出集成度更高且更加復(fù)雜的芯片。

1986年，硬件描述語(yǔ)言Verilog問(wèn)世，Verilog語(yǔ)言是現(xiàn)在最流行的高級(jí)抽象設(shè)計(jì)語(yǔ)言。1987年，VHDL在美國(guó)國(guó)防部的資助下問(wèn)世。這些硬件描述語(yǔ)言的問(wèn)世助推了集成電路設(shè)計(jì)水平的提升。隨后，根據(jù)這些語(yǔ)言規(guī)范產(chǎn)生的各種仿真系統(tǒng)迅速被推出，這使得設(shè)計(jì)人員可對(duì)設(shè)計(jì)的芯片進(jìn)行直接仿真。隨著技術(shù)的進(jìn)步，設(shè)計(jì)項(xiàng)目可以在構(gòu)建實(shí)際硬件電路之前進(jìn)行仿真，芯片布線布局對(duì)人工設(shè)計(jì)的要求和出錯(cuò)率也不斷降低。

時(shí)至今日，盡管所用的語(yǔ)言和工具仍然不斷在發(fā)展，但是通過(guò)編程語(yǔ)言來(lái)設(shè)計(jì)、驗(yàn)證電路預(yù)期行為，利用工具軟件綜合得到低抽象級(jí)物理設(shè)計(jì)的這種途徑，仍然是數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。一位從事CPU設(shè)計(jì)的工程師表示，“在沒(méi)有EDA工具之前，搞電路要靠人手工，對(duì)于大規(guī)模集成電路有上億晶體管的設(shè)計(jì)用手工簡(jiǎn)直是不可為的......可以說(shuō)有了EDA工具，才有了超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)的可能”。

中國(guó)EDA工具完全依賴國(guó)外

中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)IC設(shè)計(jì)分會(huì)理事長(zhǎng)、清華大學(xué)微電子所所長(zhǎng)魏少軍曾表示，“我們要改變以往那種使用先進(jìn)工藝就代表是先進(jìn)水平的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，Intel用0.13微米工藝能作出2GHz而我們要用45nm才能實(shí)現(xiàn)，這就是差距...... 快速提升我們自己的IC基礎(chǔ)設(shè)計(jì)能力迫在眉睫，這是改變目前中國(guó)IC設(shè)計(jì)業(yè)嚴(yán)重依賴EDA工具和制造工藝才能實(shí)現(xiàn)芯片性能提升的根本途徑，而依賴并濫用IP則導(dǎo)致了中國(guó)SoC設(shè)計(jì)的同質(zhì)化”。

清華大學(xué)微電子所所長(zhǎng)魏少軍提到的“依賴并濫用IP則導(dǎo)致了中國(guó)SoC設(shè)計(jì)的同質(zhì)化”指的是國(guó)內(nèi)眾多IC設(shè)計(jì)公司大多依賴于ARM的IP授權(quán)開(kāi)發(fā)SOC，由于都是購(gòu)買(mǎi)ARM的Cortex A53、A72、A73等產(chǎn)品，同質(zhì)化是必然的。“中國(guó)IC設(shè)計(jì)業(yè)嚴(yán)重依賴EDA工具和制造工藝才能實(shí)現(xiàn)芯片性能提升的根本途徑”指的是很多中國(guó)國(guó)產(chǎn)SOC/CPU性能的提升嚴(yán)重依賴于購(gòu)買(mǎi)更好的EDA工具和采用更好的制造工藝。對(duì)于依賴更好的制造工藝和嚴(yán)重依賴國(guó)外IP，因不屬于本文范圍不做討論，重點(diǎn)說(shuō)下中國(guó)在EDA工具上完全依賴國(guó)外產(chǎn)品。

EDA軟件方面早已形成了三巨頭——Synopsys、Cadence、Mentor。Synopsys是EDA三巨頭之首。國(guó)內(nèi)從事EDA軟件開(kāi)發(fā)的華大九天和這三家現(xiàn)在不是一個(gè)數(shù)量級(jí)的。誠(chéng)然，華大九天也想在某些點(diǎn)工具上做些突破，但就整體技術(shù)實(shí)力而言幾乎像蚍蜉撼樹(shù)——目前，國(guó)內(nèi)根本沒(méi)有深亞微米的EDA成體系的設(shè)計(jì)平臺(tái)。正是因?yàn)閲?guó)內(nèi)從事EDA工具開(kāi)發(fā)的公司在Synopsys、Cadence、Mentor面前實(shí)力過(guò)于懸殊，國(guó)內(nèi)IC設(shè)計(jì)公司幾乎100%采用國(guó)外EDA工具。而且在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間里，看不到縮小和Synopsys、Cadence、Mentor技術(shù)差距的可能性。

為何在EDA工具上追趕這么難

開(kāi)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。雖然在算法方面有可能取得一定的技術(shù)突破，但EDA設(shè)計(jì)的后端工具要和工藝相結(jié)合，但國(guó)內(nèi)自主工藝很少有深亞微米的工藝，大多是180nm和130nm。雖然中芯國(guó)際有40nm，而且宣稱(chēng)有28nm，但可能沒(méi)有量產(chǎn)過(guò)，或者量產(chǎn)的都是小芯片。目前中芯國(guó)際最先進(jìn)的工藝線都是引進(jìn)的，還簽署一定限制條款。正如國(guó)家要發(fā)展必然離不開(kāi)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(guó)內(nèi)自主研發(fā)的制造工藝做基礎(chǔ)，由于沒(méi)有自主研發(fā)的先進(jìn)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(kāi)發(fā)出良好的EDA工具了么?事情沒(méi)這么簡(jiǎn)單。即便有了自主研發(fā)的先進(jìn)工藝，撇開(kāi)工藝結(jié)合，光在算法技術(shù)上和國(guó)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(guó)內(nèi)很難做到的。另外，技術(shù)發(fā)展也離不開(kāi)商業(yè)因素，在國(guó)外三巨頭占有統(tǒng)治地位的情況下，全球市場(chǎng)早已被國(guó)外產(chǎn)品占據(jù)，因此，就國(guó)產(chǎn)EDA工具而言，目前還看不到趕超西方的可能性。

依賴國(guó)外EDA工具是否存在風(fēng)險(xiǎn)

既然如此，完全依賴于國(guó)外EDA工具是否存在商業(yè)上風(fēng)險(xiǎn)呢?其實(shí)，對(duì)于這點(diǎn)，國(guó)內(nèi)沒(méi)有必要過(guò)于憂慮，由于不能明說(shuō)的原因，對(duì)于國(guó)內(nèi)IC設(shè)計(jì)公司而言，并不怕國(guó)外進(jìn)行制裁。

也許又有人會(huì)問(wèn)：如果Synopsys、Cadence、Mentor在EDA工具里埋地雷，而國(guó)內(nèi)IC設(shè)計(jì)公司恰恰用這些被埋雷的EDA工具設(shè)計(jì)芯片，那么芯片的安全性還有保障么?對(duì)于這個(gè)課題，其實(shí)有專(zhuān)門(mén)針對(duì)設(shè)計(jì)和版圖的安全性的研究，打比方說(shuō)，如果是DC工具在你的設(shè)計(jì)里埋個(gè)雷，人肉檢查是搞不定的，因此，有專(zhuān)門(mén)做硬件木馬檢測(cè)技術(shù)的研究。不過(guò)，這些研究目前還處在低級(jí)階段，只能和目前現(xiàn)存木馬匹配，存在很大限制。

總而言之，就產(chǎn)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀而言，國(guó)產(chǎn)EDA工具和Synopsys、Cadence、Mentor的產(chǎn)品差距過(guò)于懸殊，而且看不到趕超西方的希望，國(guó)內(nèi)IC設(shè)計(jì)公司基本在使用國(guó)外EDA工具。雖然在商業(yè)化上不存在被卡脖子的可能性，但采用國(guó)外EDA工具設(shè)計(jì)國(guó)產(chǎn)芯片而產(chǎn)生的安全風(fēng)險(xiǎn)卻是不可不提防的。