一款小小的设计软件，如何成了 “杀手锏”？

8.23
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            如果没有了EDA软件，全球所有的芯片设计公司都会立即停摆 | 图源：pixabay.com
            编者按
            8月13日，美国商务部工业安全局宣布对中国断供电子设计自动化（以下简称EDA）软件的高级模块。该软件的作用，是在芯片狭小的空间进行布局、走线和事前分析，如同在一颗米粒上刻出航空母舰模型。离开专业的EDA工具，半导体的设计和制造都是不可想象的事情。
            美国的EDA电子设计自动化软件对中国企业的熔断，已经是第三次了。第一次是2018年对付中兴；第二次是2019年断供华为；而这一次，干脆是对中国整个企业。看起来不起眼的一种工业设计软件，何以成了遏制中国半导体业发展的杀手锏？
            撰文｜林雪萍
            责编｜邸利会
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            “软硬” 兼施
            说EDA软件小，也许可以从其全球市场规模看，仅约为100亿美元。相对于5000亿美元的半导体产业，仅占2%。但如果没有了这块基石，全球所有的芯片设计公司都会立即停摆，半导体倒金字塔瞬间坍塌。
            迄今为止，没有任何一种工具能像EDA软件那样，跟半导体行业的飞速发展如此紧密地绑定在一起。摩尔定律引领半导体行业60多年，EDA软件则是这个先知定律的最忠实的伴随者。如果没有它，半导体的飞速发展是不可想象的。
            笔者认为，这次禁运，事关半导体未来十年的格局。
            半导体制程已经进入到3nm后工艺，摩尔定律面临着失效的局面，而半导体界正在采用一种全新的GAA晶体管来应对更先进的制程，替代之前一直使用的鳍式场效应晶体管FinFET。三星已经在其3nm工艺中使用了这种新型晶体管，而英特尔和台积电打算在2024年将其用于2nm工艺。而美国商务部此次禁运的并非全部EDA软件，而是针对能够设计包含这种最新晶体管芯片所必须的EDA软件模块。
            换言之，这是对高级制程的高级模块的禁售。
            实际上，欧美一些仿真软件CAE的很多模块一直都是禁售的，这是发达国家的惯用技法——它们会采用熔断战术，抽掉身后的梯子，将后发追赶国家的技术锁定在前几代的技术平原上。
            看起来，对于中国半导体的封堵，美国政府采用了 “软硬” 兼施的两手棋——
            美国已经禁止荷兰公司阿斯麦ASML向中国销售极紫光刻机，现正考虑禁售深紫光刻机，后者可以加工128层以上的闪存存储器。最近，美国最大的几家半导体设备制造商，如科磊KLA和泛林LAM，已经宣布不再向中国出售14nm制造的设备。
            设计软件加制造设备，一场面向未来的封堵已经逼近。
            学界鼻祖
            最早的EDA软件，其实是属于机械计算机辅助设计（Computer-aided design，以下简称CAD）软件的供应商之下。
            上个世纪五六十年代的明星CAD软件，如Applicon、CALMA和CV等，同时也会有EDA软件。电子行业并没有呈现出跟机械行业的格外不同之处，其设计软件也是在一起，没有分离。
            在机械时代，EDA软件虽是机械CAD软件的附属品，但它们看似同宗同源，差别却很大。一个是服务于电子半导体行业，跟着摩尔定律走；一个是服务于机械、航空、汽车、轮船等制造行业，跟着物理定律走。这种内在的差别最终导致了后来的分道扬镳。直到今天，EDA和CAD几乎属于了完全不同的行业。
            EDA独自开宗立派，要从电路仿真软件SPICE说起。它才是最正宗的EDA软件的鼻祖。
            作为最早的EDA软件，SPICE在今天仍然位列最重要的软件之一，是半导体芯片设计公司与设计验证工程师最离不开的软件。而说到SPICE，就不得不提佩德森（Donald Pederson），他是美国加州大学伯克利分校电机工程与计算机系教授，被尊为SPICE之父。
                        
            图1Donald O. Pederson|图源：berkeley.edu，Karen Pederson摄
            佩德森造就了三个传奇。
            第一个传奇是，他早在20世纪五六十年代就设法在加州大学伯克利分校里建设了半导体制造厂。MiniFab是第一个设立在大学里的 “微电子制造厂”。这让小规模的工艺实验成为可能，极大地促进了该校电子工程学科的发展。
            第二个传奇就是他对于电路仿真程序SPICE的巨大贡献。
            在他的支持下，来自电机系与机械系的那些对电子几乎一窍不通的大学生们，凭借着高超的数学理论和数值分析基础，生硬地通过稀疏矩阵算法实现了方程组的求解，完成了电路仿真程序。可以毫不夸张地说，SPICE几乎完全出自数学理论的功底。
            第三个传奇是，佩德森教授也是开源运动的发起人。
            他允许SPICE四处扩散，几乎可以免费使用。唯一的回报要求，就是开发者要把增加的代码发回来。这比1991年大名鼎鼎的开源操作系统LINUX内核开源早了整整20年。
            插一句，伯克利分校的有限元仿真软件也独步天下，其代码也是开源的。20世纪八九十年代，以北京大学为代表，许多国内高校都从加州大学伯克利分校带回了有限元仿真软件的火种。其中，SAP84有限元仿真软件在国内四处传播，名噪一时。那是一个知识向全世界开放的黄金时代。
            当时的半导体巨头如惠普、泰克和德州仪器等公司，纷纷建立了自己的CAD部门，将SPICE程序进行改编，为自己部门所用。整整十多年，产业界与学术界进行了大规模地知识吞吐和交换，SPICE多个版本不断迭代演化，其功能迅速发展。
            1993年，加州大学伯克利分校最后一次更新的SPICE版本达到了巅峰状态，它的求解算法已经炉火纯青。这种大规模的商业加学术的无私合作，是制造业发展史上十分罕见的一幕。之后，SPICE逐渐出现商业化版本。
            软硬分离
            SPICE只能解决小部分的问题，更多的EDA软件功能，需要更加商业化的接班人来实现。
            当时半导体的世界，都是集成一体化的世界。集成电路设计这门高门槛的技术活，由庞大的半导体制造商，如IBM、通用电气的设计部门独自完成。可以想象，复杂的逻辑和物理设计、库和过程开发、封装，都由一个团队完成。这个封闭的金字塔，一般人难以走进。
            在20世纪70年代，EDA软件开始出现第二代旗帜。当时最有名气的三驾马车中，Daisy Systems 公司和 Valid Logic 公司出售自有的硬件和软件系统，工作站也是自己开发的；Mentor公司则开发专用软件，捆绑在阿波罗（Apollo）工作站上。
            这三家基本上都是把软硬件放在一起，看上去似乎与第一代EDA软件的差别不大。然而，时代毕竟不同了，全新的赛道已经出现：那就是专用集成电路（Application Specific IC, 以下简称ASIC）。ASIC的发展，彻底改变了这种封闭局面。
            ASIC的体量更大、需求更容易满足，系统设计者也远比那些内部设计团队开放，EDA软件因此得到了迅速扩张，从业人员的数量随之大幅增加，包括很多华人和华裔从业人员，逐渐构成了一种强大的软件土壤。独立的EDA软件厂商由此出现，可以单独为半导体厂商服务。
            然而，第二代EDA软件的缺陷跟第一代一样明显，那就是过于依赖硬件。软件和硬件紧密地绑定在一起，硬件收入占比最大。
            这是一个硬件为王的时代。硬件的存储、计算、显示都是极其昂贵的稀缺资源，软件不过是珍贵花瓶上有颜色的花纹而已——尽管这些花纹让硬件显得更加物有所值。
            只有当硬件随着摩尔定律的路径，越跑越快，成本越来越低，算力变得并不稀缺，新的软件模式才出现。
            第三代EDA软件主要以Cadence公司和Synopsys公司的产品为代表，它们一直顽强地活到了今天，并成为霸主地位。
            第三代EDA软件与第二代的区别在于商业模式，而不在于出现的时间。它们其实几乎是在同一时间形成的。这两代之间并不存在一个进化的关系，而是基于对未来判断的两条路径的选择。
            Cadence公司于1982年成立，仅仅比第二代三驾马车之一的Mentor公司的成立晚一年。来自加州大学伯克利分校的尖子生和贝尔实验室的科学家，在Cadence开创了一种全新的商业模式，那就是 “只卖软件”（Software Only）。
            这是一种从未有过的软件业务模式。此前所有软件，都是捆绑在硬件设备上搭配销售的。
            现在看起来，第二代EDA软件独立公司中存在时间最长的Mentor，其在2016年被西门子公司45亿美元收购是有前兆的。
            1990年，Mentor公司依然对 “只卖软件” 模式表现出了不屑一顾。时任公司董事长说，从未见过单独软件销售能够存活。历史上 “软件是硬件的附属” 的印象，很难被打破。后来，Mentor虽然通过并购，积极调整战略，也保持了EDA软件公司三强之一的地位，但与EDA软件其它两巨头的差距仍越来越大。信息技术革命正在悄然走向软件为主导的方向。
            合 作
            这一时期，Cadence公司引入投资的独特模式，同样引人注目。这又是软件得以生存的关键一步：软件是用出来的。
            Cadence把入股机会留给了下游厂商，如通用电气、爱立信、IBM等半导体生产商。这些下游用户各自投入了100万美元。这是一种高明的融资术。Cadence公司聪明地让下游半导体制造商与自己捆绑在一起。
            没有半导体厂商提供工艺、提供反馈，EDA软件的长大是不可能的。这次投资的分布，也明显地表明了EDA软件的工业属性而非信息技术属性。
            “工业反哺胜于投资” 是研发工具软件的一个重要特点，这不是靠钱能砸出来的，它最需要的是工业用户的经验。
            Cadence公司还开创了合伙人制度，宣示了这个领域对领军人物知识价值的高度认可。其创建，本质上是基础科学的胜利，也是一个基础研究与产业热情相互对接的胜利。加州大学伯克利分校的尖子生和贝尔实验室的科学家一起，成就了一个非凡的产业：规模虽小，但威力超群。
            四年之后成立的Synopsys公司，延续了Cadence公司所有的创新机制。实际上，这种合伙人制度已经成为半导体行业的一种惯例。
            走向更高的层次
            早期电路板的物理设计人员干的是一门精密的工匠活，需要动手处理每一个晶体管，绝对属于高强度的劳动密集型作业，并且需要头脑灵活。
            随着晶体管集成度的提高，其复杂程度已经大幅超越了工程师的逻辑极限。这个时候，单元库出现了，它包含了预先设计好的各种特性的逻辑门。就像现在的数据模板调用一样，设计人员能花更少的时间和精力设计出更大规模的电路，也使得电路设计工作很容易从一家晶圆工厂移植到另外一家。
            最重要的是，半导体的设计思路转向了抽象化，即在一个更高的层次上进行设计，而把那些底层的细节设计都归并到单元库和仿真软件CAE工具中。抽象化的技术还让设计师可以直接采用高级语言 “设计电路板”，然后通过逻辑综合工具把抽象的设计自动转化成机器语言，形成由各种逻辑门组成的电路组合。
            Synopsys公司的团队在这个时候登场了，其成员来自通用电气的微电子中心。通用电气的工业背景，给Synopsys公司带来了扎实的根基。
            Synopsys公司能在起步的时候就引领了行业的技术优势，很大原因也在于它推进了抽象化的发展，使得整个行业的设计前进了一大步。抽象化成为产业界的标准，也进一步扩展了芯片设计群体。就像系统设计工具扩展了专用集成电路设计师群体那样，抽象语言使得大量的工程师能够参与进来，形成了一个蔚为壮观的工程师社群。
            知识产权（IP）的发展，也再次推进了EDA软件的发展。这是硅基系统设计方面的一个里程碑。
            英国ARM公司的登场，带来一个全新的商业模式。它将各种设计库虚拟化，然后授权给其他企业使用。这意味着，作为处理器的交付物，不再是具体的物理产品，而是以一种数字化的IP模块形式而存在。ARM公司的这种思想对整个半导体行业产生了重大的影响。物理实体变成了软件定义，处理器就是IP模块。
            Synopsys公司很快就注意到了这种模式的价值，它迅速进入这块阵地，使得IP模块收入成为其整个收入的重要一块，当前它的近1/3的产值来自于此，而且这块业务发展势头强劲。
            IP模块的高速发展，极大地扩展了EDA软件的灵活性。这是一个极简主义和知识复用的胜利。
            频繁的并购
            EDA软件有着极其庞杂的分类。根据美国专门从事EDA咨询的公司GSEDA（2018年已经出售给另外一家咨询公司）统计，EDA软件一共涉及90多种不同的技术。在这个领域，密密麻麻地分布着420家公司。而按照美国《半导体工程》杂志的列举清单，EDA软件领域一共有900多家小公司。
            工具软件的发展史，是一部鲨鱼吃小鱼的并购史。机械类CAD软件如此，仿真CAE软件如此，半导体的EDA软件更是如此。
            这是一个非常奇怪的市场，小鱼的存在，似乎就是用来喂养大鱼的。而在美国工业软件的池子里，小鱼、小虾前赴后继，永远层出不穷。这是国外工业软件发展给中国工业软件界教授的陌生一课。
            并购这种场景在中国工业软件市场上并不常见。EDA公司或软件并购的历史较为冗长。简单地说，在美国EDA公司的并购史中，仅仅由排名前三的巨头企业直接参与的并购就达到了惊人的200次，每家企业的并购数量平均达到70次。如果考虑许多被并购公司在此之前也是在大鱼吃小鱼，那么前三巨头每家所涉的总并购次数估计在300次左右。
            这个并购的历史是连续发生的。从1990年开始，每十年所发生的并购次数十分平稳。许多小公司的存活期只有短短几年，并购金额经常是几百万美元。EDA软件行业的并购频率可能是很多其他行业无法企及的，这也反映了工业软件有着极其特殊的产业规律。
            靠着强力的知识吞吐，工业软件以其 “百河纳川” 的汇聚方式，形成了深不可测的知识鸿沟——追赶者很容易被远远甩在后面。正是这些叠罗汉式的并购，促进了无数电子工程师的思想碰撞和专业技术的沉淀，最终将人类的智慧汇聚成高耸入云的工程学尖塔。
            尖塔之外，很难有取巧速升的建筑。
            三十年前的第三代EDA软件的主要玩家，基本确立了江湖的秩序，以至于后来再无挑战者。自那以后，所有的初创公司再也没有了资本加持的发展空间，2002年以后的二十年，没有一家企业能够上市。所有EDA软件新创公司的唯一命运，就是被三家头部企业吞并收购。三代江湖，五十年历史，造就了EDA软件三分天下的分治格局。
            成本杀手，超越摩尔
            EDA软件的鼻祖SPICE诞生于1971年，虽比摩尔定律的提出时间晚了6年，但它自诞生之日起就成为摩尔定律最忠诚的保驾护航者。
            摩尔定律成为半导体领域的铁律，使得行业预测变得简单、直白且管用，也使得整个领域的上下游都不得不以同样的速度演化。这正是EDA软件面临的状况。它需要为半导体产业不断提供设计下一代芯片的方法和工具。EDA软件不断被时间追赶，永远在赛道上飞驰。
            在2001年的时候，摩尔定律发展的最大威胁来自设计费用的飙升。EDA软件的发展，成功地平复了设计成本的可能暴涨。它一直在扮演 “成本杀手” 的角色。
            根据美国加州大学Kahng教授的计算分析，2011年一块系统级芯片（SoC）的设计费大约是4000万美元。如果没有EDA技术的进步，这笔费用从2001年到2011年这10年就会上升至77亿美元。可见，EDA软件把设计费用整整降低了大约200倍。
            EDA技术第一个将关于计算建模、计算思维、计算探索的概念和技术，成功应用于电子电路设计工程领域。它改变了电子工程师设计和制造集成电路的方式。
            今天要设计任何一个电路，都可以从可执行编程语言规定的高度抽象的计算模型开始。然后，电路设计经过一系列综合、转换和优化，再进行严格的数字模拟和原型设计，接着是正式和半正式的验证，最后通过先进的光刻和化学工艺制造出来。各环节高度专业化，界面清晰，分工明确。
            此外，EDA技术是计算机科学与工程跨领域合作的成果。计算机科学家和EDA工程师与电气工程师合作，获得了不同层次的电路模型；他们与物理学家和化学家合作，推出了制造模型；他们与理论计算机科学家合作，进行各种复杂性分析；他们与应用数学和优化专家合作，开发出伸缩性很好的模拟和综合算法；他们与应用领域专家合作，开发出知识产权（IP）库。
            正因为如此，EDA软件成为半导体行业的骄子。电子电路设计领域遇到的问题，比如成本压力、复杂性挑战、多样性挑战，有很多需要通过EDA技术来解决。与此同时，EDA技术也在扩展其自身的应用领域，跳出电子电路的窠臼，解决诸多新兴领域的设计自动化问题。
            当硬件行业越来越多地讨论 “后摩尔时代” 的时候，EDA软件责无旁贷地挑起了重担，不仅要延续 “摩尔定律”，而且要实现 “超越摩尔” 的雄心。
            中国的挑战
            现在EDA领域的这种垄断局面，给中国半导体的快速发展笼罩了巨大的阴影。
            与国外再无上市公司不同，这两年资本恰好给了中国软件巨大的追捧。今年国内EDA软件的上市公司有两家：概伦电子和华大九天。一个代表了海归创业，华裔一直是全球EDA人才池里最为重要的力量；一个代表了本土坚持，前身源自研究院所的华大九天，见证了中国整个EDA软件历史。它从萌芽到兴起，到寂静，再到重回资本舞台中心。而在这之外，还有一批EDA软件，正在企业家的雄心和资本的激情之下，逆流而上。
            然而，这些EDA软件各自体量都很小，即使是集万般宠爱于一身的龙头华大九天，也只有5.8亿元人民币收入。而Synopsys在2021年收入为260亿元人民币左右，利润达到50多亿元人民币。中国的这些EDA软件，恐怕还无法全面挑战国外三大EDA厂家的高端地盘。
            而国际上这三大芯片设计软件公司一直将中国视为重要客户。根据美国证券交易委员会的季度财报，在2022年第二财季中，Cadence有13%的收入来自中国大陆，Synopsys则达到了17%，中国市场是它们的必争之地。但这些用于先进制程的GaaFET的设计软件，中国的公司用得应该并不多。
            这意味着，此次EDA软件的功能模块断供的限制，对这些厂家的收入干扰很小，但对中国雄心勃勃的半导体计划却是影响巨大，一条技术迭代升级的鸿沟就竖在眼前。
            应对中国的崛起，美国的行动似乎正在变得更加具有进攻性和系统性。美国战略与国际研究中心CSIS认为，美国政府找到了保住技术霸权的最好方法，那就是跑得更快。采用的方法则是两头下注，既要跑得更快（如今年8月10日通过的2800亿美元的《芯片与科学法案》），同时要不断扔出障碍物（今年8月13日发布的管制公告）。美国现在要将中国半导体的技术，拦截在14nm的围墙之外。
            如果中国不尽量解决设计软件工具以及体量更大得多的光刻设备等问题，面向未来的半导体恐怕会输在起跑线上。对中国而言，任何一家EDA软件的单打独斗，恐怕很难迎头赶上。系统性、生态性的布局，结束当前零散的诸侯割据人人争上市的局面显得尤为迫切。
            制版编辑|姜丝鸭