2022年工業(yè)軟件行業(yè)之EDA發(fā)展趨勢(shì)分析

1、2022年工業(yè)軟件行業(yè)之EDA發(fā)展趨勢(shì)分析隨著晶圓制造工藝接近物理極限，摩爾定律正逐漸放緩。在過(guò)去，主流芯片集成度與成本變化曲 線基本遵循了摩爾定律的指引，即每?jī)赡昙啥忍岣咭槐?，同樣集成度產(chǎn)品價(jià)格下降一半。但隨 著晶圓制造工藝接近物理極限，單靠微縮晶體管工藝尺寸，已經(jīng)難以滿足芯片集成度和系統(tǒng)規(guī)模 兩年翻一倍的目標(biāo)，同時(shí)由于先進(jìn)工藝芯片產(chǎn)線投資及開(kāi)發(fā)成本上升劇烈，晶體管工藝尺寸微縮 帶來(lái)的電子產(chǎn)品成本下降的紅利也開(kāi)始削弱。在如今 5G、云計(jì)算、智能汽車(chē)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)快速 發(fā)展的背景下，對(duì)芯片算力、效率的要求快速提升，而摩爾定律放緩無(wú)疑將影響到電子信息產(chǎn)業(yè) 發(fā)展速度在摩爾定律的基礎(chǔ)上，SysMo

2、ore 注重從更多維度提升電子系統(tǒng)性能和功能復(fù)雜度。在 ICCAD 2021 上，Synopsys 總裁兼首席運(yùn)營(yíng)官 Sassine Ghazi 介紹了公司對(duì) SysMoore 概念的理解。過(guò) 去為了延續(xù)摩爾定律，產(chǎn)業(yè)界提出了諸如超越摩爾定律（More than Moore）或芯粒（Chiplet） 等概念和方法，這些方法和概念是不夠的。盡管單靠工藝和架構(gòu)等少數(shù)幾個(gè)維度去滿足電子產(chǎn)品 升級(jí)換代對(duì) PPA 的要求是困難的，SysMoore 更多地關(guān)注系統(tǒng)層面的各個(gè)環(huán)節(jié)，雖然硅晶圓、晶 體管、芯片、系統(tǒng)硬件和軟件每一個(gè)環(huán)節(jié)本身在限定開(kāi)發(fā)時(shí)間內(nèi)的 PPA 提升幅度有限，但不同環(huán) 節(jié)銜接處的 PPA

3、提升空間巨大，將不同環(huán)節(jié)的技術(shù)紅利與環(huán)節(jié)銜接處的技術(shù)紅利組合起來(lái)，可以 打破當(dāng)前摩爾定律遇到的瓶頸，使電子系統(tǒng)性能和功能復(fù)雜度增長(zhǎng)曲線重回指數(shù)型增長(zhǎng)軌跡。SysMoore 不是對(duì)傳統(tǒng)摩爾定律的顛覆，而是在其基礎(chǔ)上引入更多方法使其持續(xù)演進(jìn)。基于集成 度去考核晶體管規(guī)模體量的摩爾定律是 SysMoore 的基礎(chǔ)，仍是電子系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工作的重點(diǎn)和起點(diǎn)。 但在 SysMoore 時(shí)代，系統(tǒng)能耗指標(biāo)變得更重要，開(kāi)發(fā)者需要在系統(tǒng)層面關(guān)注更多環(huán)節(jié)，以利用 傳統(tǒng)的方法之外的更多方式來(lái)提高能效比，其中包括芯粒、2.5D/3D 及異構(gòu)封裝、DTCO、AI、 云計(jì)算等多項(xiàng)技術(shù)和方法的運(yùn)用。圖：SysMoore 通過(guò)多項(xiàng)

4、技術(shù)的運(yùn)用助力摩爾定律重回指數(shù)型增長(zhǎng)曲線芯粒的運(yùn)用：傳統(tǒng)系統(tǒng)單芯片的做法是每一個(gè)組件放在單一裸晶（Die）上，造成功能越多， 硅芯片尺寸越大。芯粒（Chiplet）的特點(diǎn)是將大尺寸的多核心設(shè)計(jì)分散到個(gè)別微小裸芯片， 如處理器、模擬組件、儲(chǔ)存器等，再用 3D 立體堆棧的方式，以封裝技術(shù)做成一顆芯片，類 似樂(lè)高積木。更小的裸片不僅可以帶來(lái)更高的硅利用率和更高的產(chǎn)量，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)集成異 構(gòu)化（即將多個(gè)基于不同工藝節(jié)點(diǎn)、單獨(dú)制造的小芯片封裝到一顆芯片中）、集成異質(zhì)化 （即將基于 Si、GaN、SiC 等材料的小芯片通過(guò)異質(zhì)集成技術(shù)封裝到一起），以實(shí)現(xiàn)最佳性 能和最大靈活性。同時(shí)對(duì)于半導(dǎo)體 IP 廠商來(lái)

5、說(shuō)，升級(jí)為 Chiplet 供應(yīng)商，可提升 IP 的價(jià)值且 有效降低芯片客戶的設(shè)計(jì)成本，如芯原股份、芯動(dòng)科技等國(guó)內(nèi)廠商均有相關(guān)布局。2.5D/3D 及異構(gòu)封裝技術(shù)：隨著后摩爾時(shí)代的到來(lái)，半導(dǎo)體產(chǎn)品開(kāi)始出現(xiàn) 2.5D/3D IC，通過(guò) 先進(jìn)封裝（Interposer、TSV）的方案實(shí)現(xiàn) Die-to-Die 的互連。2.5D 和 3D 封裝之間的基本區(qū) 別在于，2.5D 封裝在 Interposer 上并排互連芯片，而 3D 互連層將芯片進(jìn)行堆疊，即互連結(jié) 構(gòu)在彼此的頂部。先進(jìn)封裝的設(shè)計(jì)方案可以進(jìn)一步縮小器件互連的距離，不僅電性能能夠得 到提高，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)多樣化集成，包括通過(guò)異質(zhì)集成的方法實(shí)現(xiàn)

6、多種形式的微系統(tǒng)。但設(shè) 計(jì)復(fù)雜度的提高也對(duì)設(shè)計(jì)方法，包括仿真方法也提出了很大的挑戰(zhàn)，包括電磁、熱、結(jié)構(gòu)以 及多物理場(chǎng)耦合分析。各大廠商開(kāi)始積極布局相關(guān)技術(shù)：（1）臺(tái)積電是全球領(lǐng)先的晶圓代工廠，也是目前晶圓級(jí)先進(jìn)封裝技術(shù)的代表和推動(dòng)者。 TSMC 將先進(jìn)的封裝技術(shù)加以整合，于 2020 年推出了 3DFabric 平臺(tái)，此平臺(tái)提供的芯片互 連解決方案可以滿足用戶在整合數(shù)字芯片、高帶寬存儲(chǔ)芯片及特殊工藝芯片方面的需求。（2）EDA 工具方面，為解決 3D 封裝帶來(lái)的痛點(diǎn)，Cadence 于 2021 年發(fā)布了 Integrity 3DIC 平臺(tái)，該平臺(tái)集成 3D 設(shè)計(jì)規(guī)劃與物理實(shí)現(xiàn)、早期 3D 電

7、熱、功耗和靜態(tài)時(shí)序分析功能， 簡(jiǎn)化了多種 EDA 工具的使用，可以實(shí)現(xiàn)從系統(tǒng)層面優(yōu)化 PPA。（3）國(guó)內(nèi)廠商方面，2021 年芯和半導(dǎo)體聯(lián)合 Synopsys 發(fā)布了 2.5D/3D IC 先進(jìn)封裝設(shè)計(jì)分 析全流程 EDA 平臺(tái)；華大九天也具備提供 3D IC 解決方案的能力。DTCO：DTCO 指的是設(shè)計(jì)-工藝協(xié)同優(yōu)化。由于先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)的開(kāi)發(fā)需要較長(zhǎng)時(shí)間且難度較 高，晶圓廠為加快工藝節(jié)點(diǎn)的開(kāi)發(fā)速度，需要和集成電路設(shè)計(jì)企業(yè)更緊密地協(xié)同，實(shí)現(xiàn)更快 速的工藝開(kāi)發(fā)和芯片設(shè)計(jì)過(guò)程的迭代；集成電路設(shè)計(jì)企業(yè)需要更早地介入到工藝平臺(tái)開(kāi)發(fā)階 段中，協(xié)助晶圓廠對(duì)器件設(shè)計(jì)和工藝平臺(tái)開(kāi)發(fā)進(jìn)行有針對(duì)性的調(diào)整和優(yōu)化。D

8、TCO 對(duì)于集成電路產(chǎn)業(yè)中各個(gè)廠商而言均有重要意義：（1）IDM 廠商由于設(shè)計(jì)和制造環(huán)節(jié)在同一體系內(nèi)完成，在工藝與設(shè)計(jì)協(xié)同優(yōu)化的實(shí)踐上有 著天然的優(yōu)勢(shì)。經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐，DTCO 能夠幫助其在相同工藝節(jié)點(diǎn)下達(dá)到更高的芯片性能 和良率，從而極大地增強(qiáng)盈利能力，成為提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的核心因素；（2）國(guó)際領(lǐng)先的晶圓代工廠也已逐漸加強(qiáng)在先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)的開(kāi)發(fā)早期與集成電路設(shè)計(jì)企業(yè) 的深度聯(lián)動(dòng)，并通過(guò)國(guó)際 EDA 巨頭的參與和支持，加速先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)的開(kāi)發(fā)速度，降低設(shè)計(jì) 和制造風(fēng)險(xiǎn)；（3）對(duì)于集成電路設(shè)計(jì)企業(yè)而言，在先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)演進(jìn)緩慢或訪問(wèn)成本較高的情況下，需 更好地利用現(xiàn)有工藝節(jié)點(diǎn)，挖掘工藝平臺(tái)潛能，實(shí)現(xiàn)性能

9、和良率在成熟工藝平臺(tái)上的突破， 提升凈利潤(rùn)率。目前，以 Synopsys、Cadence 為代表的 EDA 公司與其關(guān)鍵合作伙伴在部分應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了 嘗試，并且各自推出了基于 DTCO 方法學(xué)的 EDA 流程和解決方案。國(guó)內(nèi) EDA 廠商中，概倫 電子在器件建模和電路仿真驗(yàn)證兩大集成電路制造和設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行重點(diǎn)突破，并以此 為錨，打造基于 DTCO 的 EDA 流程，可有效支撐 7nm/5nm/3nm 等先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)下的大規(guī) 模復(fù)雜集成電路的設(shè)計(jì)和制造。AI：近年來(lái)，伴隨芯片設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)量的不斷增加、系統(tǒng)運(yùn)算能力的階躍式上升，這讓 AI 技 術(shù)在 EDA 領(lǐng)域的應(yīng)用的需求逐步上升。借助 A

10、I 算法，EDA 工具可以幫助客戶實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的 PPA 目標(biāo)，大幅提升芯片設(shè)計(jì)驗(yàn)證效率，助力芯片設(shè)計(jì)企業(yè)提升產(chǎn)品研發(fā)效率，以開(kāi)發(fā)性能 更高的終端產(chǎn)品。海外巨頭正積極布局 AI 技術(shù)：（1）2020 年 3 月，Synopsys 推出業(yè)界首個(gè)用于 AI 自主芯片設(shè)計(jì)解決方案DSO.ai，可 以幫助設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)優(yōu)化決策流程，讓芯片設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)接近專家級(jí)水平進(jìn)行操作。DSO.ai 也被瑞薩 電子引入到其先進(jìn)的汽車(chē)芯片設(shè)計(jì)環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)更好的 PPA 解決方案；（2）2021 年 7 月，Cadence 推出首款基于機(jī)器學(xué)習(xí)的設(shè)計(jì)工具Cerebrus，這款工具可 以擴(kuò)展數(shù)字芯片設(shè)計(jì)流程并使之自動(dòng)化，相較人工方法

11、可將工程生產(chǎn)力提高多達(dá) 10 倍，同 時(shí)最多可將功耗、性能和面積 （PPA）結(jié)果改善 20%，以快速滿足包括消費(fèi)電子、超大規(guī) 模計(jì)算、5G 通信、汽車(chē)和移動(dòng)等廣泛市場(chǎng)的設(shè)計(jì)要求。圖：Cadence Cerebrus 可優(yōu)化數(shù)字實(shí)現(xiàn)流程云計(jì)算：隨著 IC 設(shè)計(jì)復(fù)雜度的不斷提升，IC 設(shè)計(jì)公司都會(huì)面臨計(jì)算資源需求激增、EDA 峰 值性能需求難以被滿足，深工藝數(shù)據(jù)遷移的消耗成本，多項(xiàng)目并行發(fā)生的資源搶奪以及辦公 地點(diǎn)限制帶來(lái)的效率影響等，這些問(wèn)題都會(huì)直接影響芯片的研發(fā)周期以及研發(fā)成本。IC 設(shè)計(jì) 上云能平滑多項(xiàng)目并行帶來(lái)的資源搶奪問(wèn)題，降低 EDA 的購(gòu)買(mǎi)成本，進(jìn)而提升研發(fā)整體的 效率。過(guò)去安全隱患

12、一直是限制 IC 設(shè)計(jì)上云的關(guān)鍵阻礙，近年來(lái)，伴隨相關(guān)技術(shù)的逐漸成 熟，用戶使用習(xí)慣的改善，“云計(jì)算+EDA”的模式開(kāi)始逐漸得到認(rèn)可。微軟云一直以來(lái)積極地推動(dòng)芯片設(shè)計(jì)上云的實(shí)現(xiàn)，為客戶降本增效。過(guò)去，微軟與 Mentor Graphics、臺(tái)積 電、AMD 多方合作，在微軟云 Azure 上成功驗(yàn)證了 7nm 的芯片設(shè)計(jì)。此外，微軟云為客戶 提供了混合云和全云的兩種方案：（1）對(duì)于多數(shù)成熟、規(guī)模較大的企業(yè)，混合云是較好的選擇。此類公司本地?fù)碛幸欢ǖ挠?jì) 算資源（機(jī)房等）以及專利用于設(shè)計(jì)研發(fā)，當(dāng)計(jì)算資源緊張的時(shí)候，就可以借助云上的資源 來(lái)實(shí)現(xiàn)并行項(xiàng)目的完成。混合云模式的特點(diǎn)是布局靈活，可根據(jù)業(yè)務(wù)需求按需訪問(wèn)。（2）對(duì)于創(chuàng)業(yè)公司或初創(chuàng)公司，全云的模式更具有吸引力。對(duì)于此類公司而言，建造和維 護(hù)（管理、安全等方面）IT 設(shè)施需要投入大量的人力及財(cái)力，若全部使用云上的資源完成 IC 設(shè)計(jì)就可以讓中小型的團(tuán)隊(duì)專注于設(shè)計(jì)研發(fā)工作，因此全云的模式對(duì)于他們更有性價(jià)比。全 云模式的特點(diǎn)是可獲得 Azure 的完整收益（數(shù)據(jù)湖、分析、AI/ML 等），成本更低。總結(jié)來(lái)看，以上五大技術(shù)與