中国集成电路设计业亟待补上的一课——设计方法学

时间：2022-12-30 03:00:00

关键字：集成电路设计 EDA

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[导读]“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。”

“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学与纳电子学系主任魏少军教授在2019年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。

清华大学微电子学与纳电子学系主任魏少军教授

何为设计方法学？

在杨之廉、申明编写的《超大规模集成电路设计方法学导论》开篇中就提及，随着集成技术不断发展和集成度提高，集成电路芯片的设计工作越来越复杂，因而急需在设计方法和设计工具这两方面有一个大的变革——“设计变革”。“设计方法学”的诞生正是为了适应这样的要求。

为什么需要补上设计方法学这门课？

魏少军教授一张PPT概括了集成电路设计方法学的发展（如下）。

EDA历史发展一目了然，从70年代的第一代EDA称为计算机辅助设计CAD（computer aided design）系统，它以交互式图形编辑和设计规则检查为特点。其用途如上图中所说，完成特定任务，将设计人员从繁重的手工劳动中解放出来。80年代出现了CAE，它以32位工作站为硬件平台，可以实现从逻辑电路到版图声称的自动转换等全线设计工作。90年代芯片复杂度，则伴随着第三代EDA的诞生。

“在这（EDA历史中），中国人哪有贡献？大概在一些特别小的地方，有我们自己做的贡献。”从发展史的角度中，魏少军教授点出了痛点所在：“在EDA工具中的‘逻辑综合’和‘布局布线’两个核心中，我们都没有贡献，甚至我们都不去碰它。”

此外，魏少军教授表示，在过去20、30年中出现了许多芯片设计工具（如下图），而它们却被Cadence、Synopsys以及曾经的EDA公司所垄断。面对如此多的工具，工程师不知如何选择，这就牵扯到流程问题——如何把这些工具按照设计需求串成一个工具链发展。

魏教授以此点出中国绝大多数设计企业现状——依赖EDA公司或Foundry给出的设计流程。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。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与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。

最终导致国产基础软件的技术指标与国外产品差距在一个数量级以上，可用性、可靠性有待提高。

因为缺乏设计方法学，致使我国设计业能力不足（具体如下图）。

其实在魏少军教授抛出“设计方法学”这个核心问题时，也详细解读了中国集成电路不足之处，除了人才问题外，还有研发投入严重不足——全国用于集成电路的研发总投入不会超过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%。

现实问题加上核心的设计方法学缺失，现状有点不容乐观。

不得不把握的机遇

虽然魏教授说：“出来混总归要还的。”但紧接着的一句也道出了国产EDA的希望：“国际EDA公司如今创新乏力，这也给中国EDA企业更多的机遇。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都在演讲中提到了美国的“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”，计划在五年内斥资 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。

概伦电子董事长刘志宏博士

在美国想拉大与世界距离并改变游戏规则时，我们的设计方法学不得不补，同时该有的机遇也不得不去抓。

在刘志宏博士的演讲中就提到了概伦电子所看到的机会和自己的竞争力，并将目光专注于良率与PPA上，并通过优化产品上市时间（TTM）来影响市场竞争力。且颇有成就，比如推出全新的建模平台，加快工艺和设计的互动，提升COT能力；比如通过仿真指导工艺的改进，快速实现SRAM良率的提升；比如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。当然现场做演讲的EDA公司似乎都找到了自己的活法。

“100亿美元的EDA/IP市场，却支撑起了1.5万亿美元的终端市场，这种倒三角形状看上去就像一颗钻石。”刘志宏博士如此形容EDA的重要性：“如果少了一个Foundry不会对业界有震动，但若少了一家EDA大厂，其影响不仅仅是工具，更是影响到了整个流程和方法学。”

此外，刘志宏博士还呼吁：“国产EDA需要产业完整性，需要脚踏实地一点一滴做起，整个行业需要业内人士共建，且杜绝盗版。我们的愿景就是做一家自主知识产权创新的企业。”