说到CPU、SOC想必很多人不会陌生,但如果提到EDA工具,可能很多人就从未听说过了。其实,EDA工具在芯片设计中发挥着巨大的作用,甚至可以说,如果没有EDA工具,超大规模集成电路设计就几乎是一件不可能完成的任务。那么,什么是EDA工具?中国在EDA工具上和国外差距有多大?在EDA工具上完全受制于人会存在安全风险么?

什么是EDA工具

EDA工具是电子设计自动化(ElectronicDesign Automation)的简称,是从计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助测试(CAT)和计算机辅助工程(CAE)的概念发展而来的。利用EDA工具,工程师将芯片的电路设计、性能分析、设计出IC版图的整个过程交由计算机自动处理完成。

由于上世纪六十七年代,集成电路的复杂程度相对偏低,这使得工程师可以依靠手工完成集成电路的设计、布线等工作。但随着集成电路越来越复杂,完全依赖手工越来越不切实际,工程师们只好开始尝试将设计过程自动化,在1980年卡弗尔.米德和琳.康维发表的论文《超大规模集成电路系统导论》提出了通过编程语言来进行芯片设计的新思想,加上集成电路逻辑仿真、功能验证的工具的日益成熟,使得工程师们可以设计出集成度更高且更加复杂的芯片。

1986年,硬件描述语言Verilog问世,Verilog语言是现在最流行的高级抽象设计语言。1987年,VHDL在美国国防部的资助下问世。这些硬件描述语言的问世助推了集成电路设计水平的提升。随后,根据这些语言规范产生的各种仿真系统迅速被推出,这使得设计人员可对设计的芯片进行直接仿真。随着技术的进步,设计项目可以在构建实际硬件电路之前进行仿真,芯片布线布局对人工设计的要求和出错率也不断降低。

时至今日,尽管所用的语言和工具仍然不断在发展,但是通过编程语言来设计、验证电路预期行为,利用工具软件综合得到低抽象级物理设计的这种途径,仍然是数字集成电路设计的基础。一位从事CPU设计的工程师表示,“在没有EDA工具之前,搞电路要靠人手工,对于大规模集成电路有上亿晶体管的设计用手工简直是不可为的......可以说有了EDA工具,才有了超大规模集成电路设计的可能”。

中国EDA工具完全依赖国外

中国半导体行业协会IC设计分会理事长、清华大学微电子所所长魏少军曾表示,“我们要改变以往那种使用先进工艺就代表是先进水平的错误认识,Intel用0.13微米工艺能作出2GHz而我们要用45nm才能实现,这就是差距...... 快速提升我们自己的IC基础设计能力迫在眉睫,这是改变目前中国IC设计业严重依赖EDA工具和制造工艺才能实现芯片性能提升的根本途径,而依赖并滥用IP则导致了中国SoC设计的同质化”。

清华大学微电子所所长魏少军提到的“依赖并滥用IP则导致了中国SoC设计的同质化”指的是国内众多IC设计公司大多依赖于ARM的IP授权开发SOC,由于都是购买ARM的Cortex A53、A72、A73等产品,同质化是必然的。“中国IC设计业严重依赖EDA工具和制造工艺才能实现芯片性能提升的根本途径”指的是很多中国国产SOC/CPU性能的提升严重依赖于购买更好的EDA工具和采用更好的制造工艺。对于依赖更好的制造工艺和严重依赖国外IP,因不属于本文范围不做讨论,重点说下中国在EDA工具上完全依赖国外产品。

EDA软件方面早已形成了三巨头——Synopsys、Cadence、Mentor。Synopsys是EDA三巨头之首。国内从事EDA软件开发的华大九天和这三家现在不是一个数量级的。诚然,华大九天也想在某些点工具上做些突破,但就整体技术实力而言几乎像蚍蜉撼树——目前,国内根本没有深亚微米的EDA成体系的设计平台。正是因为国内从事EDA工具开发的公司在Synopsys、Cadence、Mentor面前实力过于悬殊,国内IC设计公司几乎100%采用国外EDA工具。而且在相当长的一段时间里,看不到缩小和Synopsys、Cadence、Mentor技术差距的可能性。

为何在EDA工具上追赶这么难

开发出性能优越的EDA工具,一方面要有良好的算法,另一方面需要和工艺相结合。虽然在算法方面有可能取得一定的技术突破,但EDA设计的后端工具要和工艺相结合,但国内自主工艺很少有深亚微米的工艺,大多是180nm和130nm。虽然中芯国际有40nm,而且宣称有28nm,但可能没有量产过,或者量产的都是小芯片。目前中芯国际最先进的工艺线都是引进的,还签署一定限制条款。正如国家要发展必然离不开完善的基础建设,这是发展的基础,EDA工具的研发进步就需要国内自主研发的制造工艺做基础,由于没有自主研发的先进制造工艺,所以和工艺结合的那部分就根本不可能取得技术突破。

那如果有了自主研发的先进工艺,就能够开发出良好的EDA工具了么?事情没这么简单。即便有了自主研发的先进工艺,撇开工艺结合,光在算法技术上和国外三巨头的差距也很远。而且算法和工艺相结合很难,需要非常高深的数学理论,这是目前国内很难做到的。另外,技术发展也离不开商业因素,在国外三巨头占有统治地位的情况下,全球市场早已被国外产品占据,因此,就国产EDA工具而言,目前还看不到赶超西方的可能性。

依赖国外EDA工具是否存在风险

既然如此,完全依赖于国外EDA工具是否存在商业上风险呢?其实,对于这点,国内没有必要过于忧虑,由于不能明说的原因,对于国内IC设计公司而言,并不怕国外进行制裁。

也许又有人会问:如果Synopsys、Cadence、Mentor在EDA工具里埋地雷,而国内IC设计公司恰恰用这些被埋雷的EDA工具设计芯片,那么芯片的安全性还有保障么?对于这个课题,其实有专门针对设计和版图的安全性的研究,打比方说,如果是DC工具在你的设计里埋个雷,人肉检查是搞不定的,因此,有专门做硬件木马检测技术的研究。不过,这些研究目前还处在低级阶段,只能和目前现存木马匹配,存在很大限制。

总而言之,就产业发展的现状而言,国产EDA工具和Synopsys、Cadence、Mentor的产品差距过于悬殊,而且看不到赶超西方的希望,国内IC设计公司基本在使用国外EDA工具。虽然在商业化上不存在被卡脖子的可能性,但采用国外EDA工具设计国产芯片而产生的安全风险却是不可不提防的。

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