超越摩爾的EDA軟件四大金剛

林雪萍|其他|other else|

2022-11-09 13:01:01 688

EDA軟件四大金剛

芯片進入大規模生產之前，需要進行“試生產”，也就是流片，對完成的設計電路先生產幾片、幾十片。流片是一個極其昂貴的過程。

在14納米制程的時代，流片一次的費用大約需要300萬美元。而到了7納米，流片費用則要高達3000萬美元。為了防止冒失的浪費，需要通過電子設計自動化（EDA）軟件上進行仿真測試。即使所有設計工具的成本都加起來，也抵不上一次流片的費用。因此，要在軟件上通過仿真，確保萬無一失，才能真正開始流片。

那么什么算是“萬無一失”呢？

這是一個被稱作簽核（Sign-off）的過程。在一個長長的清單上，功耗、噪聲、散熱、靜電等需要逐一簽核。只有經被確認過的EDA軟件仿真過，晶圓加工廠才會認可相關結果。

每當臺積電開行業大會時，整個半導體行業幾乎都會洗耳恭聽。它會提及到許多已經驗證過的工具和方案。對于行業而言，不管哪種方案，都會向它靠攏。經過臺積電驗證過的，就成為了行業里的金標準，是主流的選擇。

對于電子設計自動化軟件而言，臺積電主要認可的是四大EDA廠商合稱MACS，分別是Synopsys、Cadence、Mentor，以及在仿真CAE等領域的龍頭企業Ansys。Ansys在EDA軟件的刀鋒寒光，似乎被其整體品牌的光芒所掩蓋，但絲毫不影響其EDA軟件成為行業的金標準之一。EDA軟件的四大金剛，也在合力主導著芯片發展的方向。

全球EDA市場集中度相當高，如果僅從EDA軟件（不包含IP）來看，那么四大金剛的市場占比可以達到80%，美國供應商占據了主導性的地位。剩余的市場份額，則被其它很多的EDA軟件所瓜分，其中包括澳大利亞的Altium，美國Silvaco和Aldec等，國內則有今年先后上市的公司概倫電子和華大九天等。但在美國，已經有二十年沒有新的EDA公司上市。就全球格局而言，這個市場呈現了高度成熟的跡象。然而，EDA軟件是半導體行業的急先鋒，它正在醞釀著全新的內涵，以便適應芯片制程的最新風潮。

原子們住進了新的宮殿

毫無疑問，小芯片（Chiplet）成為近兩年的焦點之一。但需要指出的是，三維封裝技術由來已久，半導體的先進制程多年來一直就在兩條路上展開。

*條大路，就是沿著摩爾定律所指明的方向，按照節點演進的規律，高歌猛進。摩爾定律是條令人舒服的捷徑，讓半導體規劃人士感到幸福的事情就是技術路線圖是確定的。這座溫暖的燈塔一直穩定地照耀了六十多年，但是燈塔的光芒正在黯淡，人們擔心它會失去最后的光芒。先進制程正在接近一個納米的尺寸。這好比是一把無限縮微的寶劍闖進了無數原子所居住的殿堂，而隨意游蕩的原子面對不速之客將會呈現出驚詫、暴怒，以及不可琢磨的全新特性。原子尺寸，是讓微觀*保持完整的最小堡壘，這也是芯片物理*的*戰場。基于原子的區間分割，將是摩爾定律最后的榮光。

后摩爾時代，正是需要為這即將蒙塵的燈火，尋找全新的光源。

第二條小路，其實業界早就看見了，但這條路上人煙稀少。日本從上個世紀八十年代就在考慮三維封裝的路線。簡單說，就像是在二維平面的垂直方向，建一座三維的高樓。由于*條路的暢通無阻和高效，人們對這條小路并不熱衷。但是，隨著后摩爾定律時代的到來，芯片工藝在主路遭遇到了橫眉冷對的原子而南墻乍起，那么三維封裝這一非主流的方式，現在成為一種全新的武器。Chiplet小芯片開始登場。通過眾多小芯片的相互組合，構建出一個系統級的大芯片。

這是一種系統思維，實現各種同構和異構電路的立體集成。更妙的是，它是一種“芯片軟件化”的思路。每個小芯片，都可以看成是某個軟件的一個子函數。這些小芯片，將會以“軟件程序調用”的方式，被搬過來搬過去，進行組合。這種積木式的搭建方式，本質是一種知識復用，每個小芯片都是身懷絕技，經歷了摩爾定律的歷練。

因此小芯片的封裝方式，并不意味著傳統魚鰭狀的場效應晶體管的崩潰。恰恰相反，通過小芯片，可以繼續激發鰭狀管的極限。二者實際是互補的路線。每一個子函數，仍然需要保證是最優算法；每個小芯片，仍然需要是最優制程。“超越摩爾”并非是打碎摩爾定律另辟蹊徑，而是依然要站在摩爾定律高聳的肩膀上才能實現的超越。

*封裝，并非是簡單封裝的疊加。這不太可能是一個只由傳統下游封裝制造商所能發起的戰斗。這注定是從晶圓加工廠的設計源頭，所發起的槍聲。無論是*封裝，還是小芯片，都只能從芯片設計出發。這條路線的基準，大概率只能由芯片制造商來推進，而不是傳統封裝公司。

原子可以變得愉快起來。它們習以為常的平層房屋，將要拔地而起變成高樓大廈。微小的芯片，開始多了許多鄰居。然而，它們也正在進入一個大尺寸空間的宏觀*。熱、電磁、力等各種不相關的物理疊加效應，就像一股越來越猛的西風一樣穿堂而過，曾經可以被忽略的呼嘯聲變得尖利起來。多物理場效應——這一在宏觀尺寸會表現更明顯的現象，開始對原子新殿堂構成極大的威脅。散熱、翹曲等都成為芯片制造的巨大挑戰。

樂于為原子建造新宮殿的芯片設計工程師們，必須拿出應付多物理場效應的手段。*仿真自然是必不可少的工具。而這一點，在航空、機械、汽車等工程師們眼里，早已是司空見慣的挑戰。Ansys正是多物理場仿真的領頭羊，它為嫻熟的工程師們提供了得心應手的工具。

從最早的力學起家，Ansys逐漸擴大版圖到流體、熱、電磁、光電等物理場。即使在半導體的EDA軟件領域的仿真市場，也已經苦心經營了多年。而當前的小芯片，則讓它的多物理場的仿真功能顯得格外耀眼。

新的EDA軟件時代，已經到來。

遲到的3G，先一步的判斷

早在2008年4月，已在機械制造仿真領域確立了*地位的Ansys，以5.4億美元的價格，收購了EDA廠商Ansoft，后者在電路板的高頻仿真領域，建立了自己獨特的優勢。它的業界電磁場金標準仿真軟件HFSS，一度占據了電磁場和射頻電路的80%市場份額。

通過這次并購，Ansys直接進入了芯片行業。然而這次闖進半導體，一度被認為是一次失敗的收購。收購之時還是在股市高點，而兩個月之后金融危機不期而至，股市大跌。看起來真是虧本的買賣。

2008年對于手機市場而言，漫長的2G通訊正在走向它最后的時光。從1995年，國內就進入了2G時代。除了打電話，短信業務開始興起。這正是諾基亞漫長而悠遠的霸者時光。2G到3G的過渡，經歷了比人們想象中要長得多的時間。到2009年中國正式頒發3G牌照，前后經歷了14年。相比之下，從3G到4G牌照的頒發，只用了四年多時間。

而Ansys就在這個通訊旋轉門切換的一瞬間，擠進了電子行業的殿堂。2009年開始，3G通訊終于拾起上揚的曲線，帶來了整個電子行業的繁榮。而在2010年蘋果iPhone4已經開始確立了市場地位，芯片開始越來越復雜。隨著通訊行業的巨大拉動，對于芯片的高速高頻仿真的要求越來越多，Ansys對ANSOFT的收購舉動，變成了一次提前踩點金不換的先手棋。

系統級的前夜

2011年芯片功率設計軟件Apache Design Solutions公司，本來正處于上市前的靜默期，沒想到卻被Ansys海底撈月，以3.1億美元收購。而此時Ansys的收入雖然僅為7億美元，但其市值卻達到60億美元，資本市場對于該企業的未來給予了充分的信任。

而這場收購，則源自Ansys對未來芯片走向的判斷。

芯片的構成，一般而言有三道法門，分別是芯片級（Chip）、封裝級（Packaging）和由PCB板將多個芯片連接在一起構成的系統（System）。這三者的每一層，各有自己的苦惱要應付。

芯片上一條線路只有十幾個到幾百個原子的寬度。數億個門電路會分布在狹小的空間，芯片的功耗和靜電都會成為工程師需要面對的攔路虎。

然后是封裝，要將微小塵埃般的芯片用封裝保護起來，避免灰塵和潮濕等破壞芯片。這中間涉及到大量的電磁效應和熱效應。

最后是需要通過電路板將多個芯片連接起來，并提供對外的接口，結合操作系統和軟件，就構成了系統。

Ansys創新地將這三個部分合起來考慮它的仿真問題，用一體化CPS（Chip-Package-System）的角度來實現綜合性能的優化。這就是像將時間快進到未來，在摩爾定律的另一端反向看待芯片發展所需要的仿真技術。只有將芯片-封裝-系統這三駕馬車*地組合在一起，才能提供更好的芯片。

Ansys已經具備了系統級和封裝級的仿真軟件，而Apache正是一個芯片級的產品。三者貫通，是最好的選擇。而從Apache公司的角度來看，即使成功上市能帶來暫時的技術*，但長期的獨立性依然是一個問號。

在這種情況下，Ansys得以成功地將Apache納入囊中。Apache是EDA軟件市場的一個狹窄縫隙里的一條大魚。它的RedHawk軟件在半導體的功耗設計優化及芯片供電領域具有舉足輕重的位置。它可以幫助手機或者筆記本電腦的工程師，輕松實現省電的需求。可以說，RedHawk軟件憑一己之力將低功耗設計做成了一個利基市場的*，而不是EDA工具上的一個功能按鈕。它在全球低功耗領域一度占有全球90%的市場，也因此成為臺積電的金標準。

EDA軟件的一縱與一橫

EDA軟件就好像是芯片發展的帶刀侍衛，但各有分工。

Ansys在芯片設計領域的定位和其它EDA廠商相比有較大的差別，其主要專注在芯片的簽核和仿真領域。而Synopsys、Cadence軟件則更專注于芯片設計的流程，完成從構架、功能到原理圖和版圖設計與驗證的過程。

對于芯片設計來說，僅僅完成基本的設計驗證是遠遠不夠的，還需要考慮信號完整性和電源完整性問題，以及芯片發熱和散熱的熱完整性問題，更多的還要有熱形變、熱應力和材料特性的結構完整性問題等。芯片損壞，往往并非是由于超壓或失誤操作導致。其中的真正殺手是熱，芯片失效有大約四分之三是因為熱在“搗鬼”。這正是Ansys解決的問題，它為芯片設計建立一道防線。

如果拿一架飛機來做類比，另外三家EDA軟件主要是在做飛機的縱向機體，而飛機要能平穩起飛還需要有橫向的機翼。這個機翼就是Ansys專注的領域。既有設計流程的縱向，又有簽核流程的橫向，一橫加一縱，EDA的四大金剛軟件MACS合在一起才能最終完成芯片的設計。

簡單來說，人們更容易注意到“一縱”的設計，而忽略“一橫”的仿真。EDA軟件最早的鼻祖，是從美國伯克利分校而來。但*款EDA軟件SPICE，其實就是從仿真開始。當時數百個晶體管，還是比較容易畫出來的。而仿真，則需要更復雜的偏微分方程求解。可以說，EDA軟件從開始誕生之日，就帶著強烈的仿真氣味。

EDA軟件曾經跟機械行業的仿真軟件有了一段時間的分離，二者看上去似乎是各走各的路。而現在，兩條曾經分離的路又開始匯聚在一起。

如果拆開以前的手機殼，會發現手機基本是空心的，有些對方是空蕩蕩的地盤。而現在的手機基本是實心的，因為功能太多而不得不塞滿了集成電路，幾乎沒有多余空間。這使得各種干擾、熱傳導等，相互間產生影響，多物理場效應的問題被直線放大。

手機的空間太擠了。如果芯片從人的視角去看，它需要拖家帶口，那么最近十多年它的幸福感一定在急劇下降。因為芯片的“人均空間”面積越來越小了。由于手機的物理尺寸，需要與人手的大小相結合，單手能操作的尺寸，就是手機空間的天花板。無論是熱分析、電磁、高速信號，還是封裝結構的仿真，都要聯合上陣，才能應付這越來越擁擠的空間。作為從芯片到封裝，到大系統的全流程仿真解決方案，Ansys能夠幫助設計師提前鎖定信心，為每個空間塞滿了芯片而無需擔心會失效。

小記：小尺寸大宇宙

無論是否有夸張的成分，元宇宙正在呈現出一幅攝人心魄的圖景。在那里，萬物相互嵌套，互為鏡像，人們周邊的景深被重新置換，而宏大的生命觀也將被重新改寫。元宇宙的核心動力來自芯片，那是原子級的原力源泉所在。英偉達正在為元宇宙傾注了全部的心血，它跟Ansys的*合作，則讓人意識到，一個虛擬與現實相互融合*之中，仿真所起到的決定性作用。而在小芯片的*制造工藝里，EDA軟件正在大幅度加強自己的仿真力量。唯有此，超越摩爾定律才能重新真正邁過門檻。

免責聲明：本文原創作者林雪萍，本文僅代表作者個人觀點，不代表薩科微及行業觀點，只為轉載與分享，支持保護知識產權，轉載請注明原出處及作者，如有侵權請聯系我們刪除。

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