中国集成电路设计业亟待补上设计方法学这一课

2019-05-20
14:00:14
来源: 半导体行业观察

国产EDA到底缺少什么?

“上世纪80年代末的最关键时期,我国并没有把精力和资源投入到(集成电路)设计方法学上,而是走了另一条路。随后大约10年时间,国内大多采取反向设计法,在1995年我回国时,感觉遍地在照相。当时在半导体业很多人在说芯片设计,但是芯片设计知识非常有限。EDA工具也经历了禁运到解禁,大量相关公司进入到国内,(使得)我们太依赖EDA工具,更没时间补充设计方法学。经过20年发展,(我们)太依赖EDA工具发展,但设计方法学依旧是空白。”

这是清华大学微电子与纳电子学系主任魏少军教授在5月16日举行的“2019概伦电子技术研讨会”演讲前的开场话,寥寥几句点出了中国集成电路发展的那段“草莽时期”,道破国内设计业对EDA的依赖症外,更是揪出了最核心的部分——设计方法学的缺失。

何为设计方法学?

笔者查阅了Rabaey的 《数字集成电路设计透视》等资料,试图找出一个标准答案,但发现很难,因为其内涵极为丰富。无论是“自顶向下/由底向上”,还是“全定制法/定制法/半定制法/可编程逻辑器件法/混合模式法/硅编译器法”, 集成电路设计方法学或Design Methodology,是为了处理不断增加的电路设计复杂度,实现尽可能优化的PPA,而进行的设计流程的范式化,包含了EDA工具的有机整合,器件建模的算法,工艺参数的设定,甚至还外延到集成电路之外如封装的设计方法等等。

为什么要补上设计方法学这一课?

魏少军教授从时间和电路系统Hierarchy这两个维度,概括了1970s以来集成电路设计方法学的发展历程。

中国集成电路设计业亟待补上设计方法学这一课

从70年代的第一代EDA称为计算机辅助设计CAD(Computer-Aided Design)系统,最早从版图和电路设计切入,完成交互式图形编辑和设计规则检查等特定任务,将设计人员从繁重的手工劳动中解放出来。80年代则出现了CAE(Computer-Aided Engineering),上升到逻辑设计抽象层面,实现从逻辑电路到版图生成的自动转换等全线设计工作。

90年代后,芯片复杂度与日俱增,单芯片可集成上亿晶体管,第三代EDA(Electronic-Design Automation)也同步诞生,实现从行为设计到逻辑网表的自动生成并按照目标优化。

 

而第四代系统级设计ESL(Electronic System-Level或System Design Automation)的概念最早出现于2001年,目标是实现从系统规格到电路架构的自动生成,并寻求最优结果。但在现实当中,ESL设计并没有如预期那样根本的改变芯片设计的流程,降低芯片设计的门槛。ESL的一些方法和概念只是在芯片大厂或者少数领域里得到了成功的实践。也正因为此,魏教授在PPT中给ESL标注了一个未解的问号。

“在EDA产业,中国(本土EDA企业)有哪些贡献呢?在一些特别小的地方,有我们自己做的贡献。”不回避现实差距,魏少军教授 直接点出了 痛点所在 :“在EDA工具中的‘ 逻辑综合 ’和‘ 布局布线 ’这两个核心环节,一个前道,一个后道,我们都没有贡献,甚至我们都不去碰它。”

中国集成电路设计业亟待补上设计方法学这一课

魏教授提到,在过去二三十年中,出现了非常多种类的芯片设计工具,基本上都来自三大国际EDA巨头,或被他们所整合并购。面对如此多的工具,一线芯片设计工程师并不知道该如何选择,这就牵扯到 设计流程问题 ——如何把这些工具(包括不同厂商的工具)按照设计需求串成一个工具链,供工程师使用,提高软硬件开发的效率。

中国集成电路设计业亟待补上设计方法学这一课

在为我国设计业能力不足“把脉”时,魏少军教授指出,国内设计企业主要依靠工艺技术和EDA工具的进步,除了在关键IP核的设计能力不足外, 大部分缺乏自主定义设计流程的能力 ,高度依赖EDA公司或Foundry给出的参考设计流程。这些设计流程由于要适应尽可能多的客户,因此留有相当的冗余,直接影响产 品性能和竞争力。

具体表现为 两种值得深思的“代差”

  • 采用同档次工艺技术(和同样的EDA工具),产品性能与国际同行相差2代;

  • 要实现与国际同行相同性能的产品,要采用先进2代的工艺技术。

尽管我国已有个别企业开始尝试COT的设计技术,但受限于技术积累不足和Foundry的配合度不高,目前还做不到完全建立自己一套设计流程和工艺参数。

魏少军教授抛出“设计方法学缺失”这个核心问题时,也强调了中国集成电路研发投入的严重不足——全国用于集成电路的(年)研发总投入不超过45亿美元,即不到300亿元人民币,仅占全行业销售额的 6.7% ,不到英特尔公司一家年研发投入的 50% 。尽管近年来国内对集成电路行业投资的热度高涨, 但是 历史欠账太多 ,短 期内难以弥补。

“问题”的背面是“机遇”

在阐明问题的同时,魏少军教授也道出了国产EDA的希望:“随着摩尔定律停滞,工艺技术进步放缓,EDA工具的创新迭代也变慢,为中国的设计企业和EDA公司创造了 重要的机遇 ,我们要补上(设计方法学)这一课。”

概伦电子董事长刘志宏博士和魏少军教授在演讲中都提到了美国的“电子复兴计划”(Electronics Resurgence Initiative,ERI)。在去年7月份,美国DARPA 官员首次公开讨论了美国“电子复兴计划”, 目标是让美国电子设计能力2025到2030继续保持领先 ,具体计划包括五年内斥资 15 亿美元(约 102 亿人民币)彻底改变微电子业的工作方式,重建一个更加专业化、安全和高度自动化的电子产业群。其通过两项新的电子设计自动化(EDA)研究项目: 电子设备智能设计(IDEA)计划和高端开源硬件(POSH)计划。

中国集成电路设计业亟待补上设计方法学这一课

概伦电子董事长刘志宏博士

美国的“电子复兴计划ERI”将EDA摆在如此重要的战略高度上,并不令人意外。

100亿美元 体量的EDA/IP市场,却支撑起了 4000亿美金 的半导体市场,和 1.5万亿美元 的终端市场。”刘志宏博士如是形容EDA对产业根基性的核心价值:“如果少了一家EDA大厂,对业界不啻于一场大地震,其影响不仅仅是工具,更会撼动整个设计流程和方法学。”

刘志宏博士指出,目前国内的硬件和技术环境为国产EDA公司提供了好机会,以概伦电子为例,专注于良率与PPA的优化,并通过优化产品上市时间(TTM)来影响市场竞争力。新推出的建模平台,加快工艺和设计的互动,提升COT能力;通过仿真指导工艺的改进,快速实现SRAM良率的提升;通过良率导向设计提升存储器IP竞争力;还有用于先进NAND闪存和DRAM芯片设计的主力仿真器等。

但目前国产EDA公司整体产业完整性不高,需要业内人士脚踏实地一点一滴做起。对此,他向全行业呼吁, 要实现产业共建,需要产业链的协力支持。 对于中国EDA企业而言,一是要有清晰的市场定位,二是要靠自身努力和产业协作,加强行业互补共赢。

至于打造自主知识产权这一当务之急,企业要有耐心,投入巨额的资本和时间,以 5到10年的时间窗口 去验证一项技术和公司。

中国集成电路设计业亟待补上设计方法学这一课

加州大学伯克利分校TSMC讲座教授胡正明

FinFET之父、国际标准BSIM3模型的主要开发者胡正明教授 简要回顾了BSIM的历史,介绍了其主导开发的创新建模方法学。在他看来,建模既是科学也是艺术,一个良好的建模方法学可以让困难的问题变得非常简单。胡教授强烈 看好IC产业的发展前景,认为其发展势头还可以持续一个世纪。 IC还有长期成长的机会和不断前进的空间,是由于其应用范围还可以继续拓宽,同时还有将功耗降低10倍的可能。

随后,芯禾科技董事长凌峰博士及博达微科技董事长李严峰作为嘉宾发表了演讲。

凌峰介绍了芯禾科技的基本产品和专长,其产品及服务包括为芯片-封装-系统工程师提供基于全波电磁场求解器(EM)引擎的建模、仿真、信号完整性分析解决方案、集成无源器件(IPD)元件库和IPD定制设计服务以及基于集成无源器件技术的系统级封装设计服务等。凌峰表示,无论是摩尔定律,抑或More Than Moore的3D封装或其他SiP相关技术,都在驱动着EDA工具前进。同时,随着高频高速芯片的设计需求增加,对EM相关工具需求不断增长。

李严峰介绍了人工智能与半导体测试方法学之间的关系。李严峰认为,EDA公司这些年来所做的工作大部分都是围绕着数据进行各种优化整合,其本质就是人工智能方法学。博达微正在将人工智能引入更费时的测试环节。李严峰表示,AI方法学在芯片制造、设计和测试环节都有很强的应用前景,为了不断降低成本提高效率,通过AI算法来驱动测试进步非常重要。

下午的分会场技术研讨会,聚焦于建模、测试及工艺评估,以及电路仿真及良率分析。圆桌论坛则讨论了国产EDA 如何从技术和商业模式等方面进行突破,并讨论了行业合作和上下游协作等话题。

中国集成电路设计业亟待补上设计方法学这一课

在本次研讨会上,多家业内公司,包括博达微科技、芯禾科技、广立微科技等,一起展示了多个一揽子EDA解决方案。这种兄弟企业的合作互补、共建共赢正是概伦电子所倡导和身体力行的。

概伦电子2019技术研讨会是首个由中国公司举办的EDA产业链技术研讨会。通过举办此次研讨会,概伦电子希望为更多工程师和产业链相关人员提供学习和交流的平台,也希望越来越多国内EDA企业积极参与产业的共建共赢。

参考文献:

唐杉 「StarryHeavensAbove」,《 在体系结构黄金期,ESL设计方法学能否“焕发青春”?

张亚 「TechSugar」,《 中国集成电路设计业亟待补上的一课——设计方法学

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