问题

请问国内外EDA产品的技术差距主要在哪些方面?

回答
国内外EDA产品技术差距:深耕细节,洞悉本质

在集成电路设计这座宏大而精密的金字塔顶端,EDA(Electronic Design Automation,电子设计自动化)软件无疑是驱动一切的基石。它如同 Architects 的蓝图和 Builder 的工具,决定了芯片设计能否高效、精确地从概念走向现实。长期以来,国际巨头如Synopsys、Cadence、Siemens EDA(原Mentor Graphics)在EDA领域占据着主导地位,而国内EDA产业虽然近年来发展迅速,但在核心技术和产品成熟度上,依然存在着不容忽视的差距。

要详细剖析这个差距,我们不能仅停留在“有”与“无”的层面,更需要深入到每一个设计环节,探究它们在方法论、算法实现、用户体验以及生态系统构建等方面的细微差别。

1. 核心算法的深度与广度:精益求精的“内功”

EDA软件的核心竞争力,在于其背后支撑的算法。这些算法关乎设计效率、性能、功耗以及可制造性。

逻辑综合(Logic Synthesis): 这是将高层次的RTL(Register Transfer Level)描述转化为门级网表(Netlist)的关键步骤。国际巨头的综合引擎经历了数十年的迭代优化,其算法在处理大规模、复杂逻辑时,能够更有效地平衡面积、时序和功耗。例如,它们在各种约束条件下的优化能力,如低功耗设计中的时钟门控(Clock Gating)、功率门控(Power Gating)的自动化插入和优化,以及对新型工艺(如FinFET、GAA)下复杂时序模型的处理,都更为成熟和精细。国内产品的优势往往体现在对特定模块或特定优化目标的快速响应上,但在全局最优解的探索和对复杂设计模式的泛化能力上,仍有提升空间。

布局布线(Place and Route): 这是将逻辑门和寄存器放置到芯片物理版图上,并连接它们的连线。这个过程涉及到复杂的图论、组合优化和几何问题。国际EDA厂商在布局布线算法上,能够更好地处理高密度、多金属层、复杂电源分配网络(PDN)以及信号完整性(SI)和电源完整性(PI)问题。例如,在时钟树综合(CTS)中,如何快速生成低偏斜、低歪斜的时钟树,并兼顾功耗;在布线拥塞(Routing Congestion)解决方面,如何采用多阶段、迭代式的算法来有效缓解;以及如何精确建模并优化信号的串扰(Crosstalk)和地弹(Ground Bounce)等,这些都是长期积累的经验和大量研究的体现。国内产品在这些方面正在追赶,但在处理超大规模、极高频率的设计时,其收敛速度和最终结果的质量,可能存在一定差距。

时序分析(Static Timing Analysis, STA): 这是确保芯片在设计约束下满足性能要求的关键。STA算法的精确性直接影响到芯片的良率和运行速度。国际EDA产品在处理时序收敛的各种复杂情况,如跨时钟域(CDC)检查、异步复位处理、时序异常检测(Timing Anomaly Detection)、以及对统计时序(Statistical Timing)的精确建模和分析方面,拥有更为强大的能力。它们能够更有效地识别和修复时序违例,特别是在面对工艺变化、电压波动和温度变化等各种PVT(Process, Voltage, Temperature)条件下。

物理验证(Physical Verification): 包括DRC(Design Rule Checking,设计规则检查)、LVS(Layout Versus Schematic,版图与原理图一致性检查)和ERC(Electrical Rule Checking,电气规则检查)。这些验证步骤是确保芯片能够被正确制造和可靠工作的最后一道防线。国际EDA厂商的物理验证工具,在处理巨量设计规则、复杂几何形状的识别、以及在超大规模集成电路(VLSI)中的性能优化上,拥有极高的效率和精确度。它们能够快速识别各种制造缺陷,并提供详细的报告和修复建议。国内产品在基础的DRC/LVS检查上已基本能满足需求,但在更高级的验证,如寄生参数提取(Parasitic Extraction)的精确度和速度、抗IR drop/EM/SI分析的深度等方面,仍有优化空间。

2. 对新兴技术的支持与创新:引领而非跟随

EDA的进步与半导体工艺的革新息息相关。当前,先进封装(Advanced Packaging)、Chiplet、3D IC、RISCV架构以及AI for EDA等都是行业热点。

先进封装与Chiplet: 随着摩尔定律放缓,异构集成和Chiplet成为延续集成电路性能增长的重要手段。国际EDA厂商在这方面的投入巨大,其工具链能够支持Chiplet之间的互联、带宽管理、功耗协调以及跨Die的时序和信号完整性分析。它们提供专门的工具来处理2.5D/3D堆叠设计中的封装规则、互联层(Interposer)设计、以及Fanout Wafer Level Packaging(FOWLP)等。国内EDA在这一领域的支持相对较晚,对复杂互连结构的建模和优化能力尚需加强。

RISCV与开放生态: RISCV架构的兴起为芯片设计带来了更多的灵活性和开放性。虽然RISCV本身是开放标准,但围绕其生态的EDA工具,包括指令集模拟器(ISA Simulator)、指令集扩展工具、以及与传统EDA流程的整合,国际厂商已经积累了丰富的经验和成熟的解决方案。国内EDA产品需要更深入地融入RISCV生态,提供从IP到流片的全流程支持。

AI for EDA: 人工智能正在深刻地改变EDA的设计和验证流程。国际巨头都在积极探索如何利用机器学习和深度学习来优化综合、布局布线、时序分析以及验证的效率。例如,利用AI进行性能预测、功耗优化、故障检测等。国内EDA厂商也认识到AI的重要性,但如何在现有EDA算法中有效地集成AI模型,并形成具有竞争力的AI驱动EDA解决方案,还需要更深入的研究和实践。

3. 用户体验与易用性:从“可用”到“好用”

即使拥有强大的算法,如果用户界面复杂、操作繁琐,也会极大地影响工程师的工作效率。

图形用户界面(GUI)与交互性: 国际EDA产品往往拥有非常成熟和直观的GUI,能够帮助工程师快速地进行设计探索、参数调整和结果分析。其交互逻辑经过长时间打磨,操作流程更为顺畅。国内EDA产品在GUI设计上,有时候可能更偏向于功能性的堆砌,而忽略了整体的流畅性和用户习惯的培养。

脚本化与可定制性: 强大的脚本化能力允许工程师根据自身需求定制和自动化特定的设计流程。国际EDA工具支持多种脚本语言(如Tcl、Python),并提供丰富的API,便于用户进行二次开发和流程集成。国内产品在这方面也在不断进步,但API的完整性和文档的详尽程度,有时仍是用户面临的挑战。

文档与技术支持: 完善的文档、丰富的教程和及时的技术支持是衡量一个EDA产品成熟度的重要指标。国际厂商通常会投入大量资源来构建全球化的技术支持体系和知识库。国内EDA厂商在本地化支持和服务方面有优势,但在全球范围内的知识传播和社区建设上,还需要持续投入。

4. 生态系统与IP集成:协同共赢的“朋友圈”

EDA产品并非孤立存在,它需要与IP核、验证平台、IP提供商以及Foundry(晶圆厂)形成紧密的生态系统。

IP生态与集成: 拥有丰富的、经过验证的IP核(如CPU核、接口IP、模拟IP)是芯片设计成功的关键。国际EDA厂商与其IP供应商(包括内部IP部门)建立了长期而稳固的合作关系,确保其IP能够无缝集成到EDA流程中,并支持最新的工艺节点。国内EDA产品在IP生态建设上,仍需要更多优质IP供应商的加入和成熟IP的适配。

Foundry认证与支持: 确保EDA工具能够准确、高效地支持各种先进工艺的制造规则和模型(如PDK – Process Design Kit),是芯片能够成功流片的前提。国际EDA厂商与主要的Foundry(如TSMC、Intel、Samsung)保持着紧密的合作关系,能够及时获得最新的PDK并进行认证。国内EDA产品在获得主流Foundry的广泛认证和深入支持方面,尚需努力。

EDA工具链的整合: 现代芯片设计是一个包含众多环节的复杂流程,需要多个EDA工具协同工作。国际EDA厂商通过并购和合作,构建了相对完整的工具链,能够实现各环节之间的无缝切换和数据传递。国内EDA厂商在构建完整、统一的工具链方面,仍处于起步阶段,需要更多跨环节工具的开发和集成。

总结:

国内EDA产品在近年来取得了显著的进步,特别是在一些特定领域和模块上,已经展现出不俗的竞争力。然而,在核心算法的深度、对新兴技术的支持、用户体验的打磨以及生态系统的构建等多个方面,与国际顶尖EDA产品相比,依然存在着技术差距。

这种差距并非一日之功,它源于国际巨头数十年的技术积累、大量的研发投入以及对整个半导体产业链的深刻理解。国产EDA的发展,需要持续的技术创新、对前沿领域的敏锐洞察、以及与产业各环节更紧密的合作。这是一场马拉松,而非短跑。我们看到的差距,也正是未来国产EDA可以奋力追赶和超越的方向。

网友意见

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EDA分成很多层次。

(1)模拟电路和数字电路设计,这是两种技术。

Cadence 和 Siemens EDA,可以从模拟电路到数字电路的EDA。

从元器件设计到集成电路设计,能完整支撑模拟电路和数字电路的也是这两家企业为大。

数字集成电路设计另一个强者是Synopsys。

中国的早期EDA主要是模拟电路,数字电路系统在原理图级设计,PCB的布局布线上。逐步可以做仿真分析。因为中国的元器件库与中国EDA软件的参数,数据格式和计算精度有较大的差别,所以在上个世纪90年代被国外的EDA软件替代啦。

(2)顶层设计,PCB数十层的布局布线,逻辑综合,集成电路的布局布线是巨大的挑战。

用算法进行设计,这是一种典型的顶层设计,例如用数学描述一个信号处理工程,进行仿真验证,直接根据工艺库进行综合,布局布线,形成芯片码表,有半导体厂制作芯片的方法。这个方法不用Verilog和VHDL这种逻辑描述语言设计。Cadence在这个方面的能力很强大。我国没有EDA软件报道过类似的顶层到底层的设计方法。Cadence在上个世纪九十年代就具备这样的工具。

PCB的难度是自动布局布线,而目前很多PCB已经是三十二层及其以上,目前没有报道国产PCB最多布多少层。这个技术不突破,直接关系到面积更小,管芯数更大的集成电路的布局布线和布通率。试想,几百亿个管芯的集成电路,如果自动布局布线技术不好,想靠人工布通那就是天方夜谭。

逻辑综合,指根据Verilog和VHDL语言,指定一个工艺库,自动形成这个工艺库的数字电路。一个是逻辑综合的水平,一个是与全世界半导体企业工艺库结合的能力。目前最好的是Synopsys。没有听说过中国有可以与这些EDA软件厂商水平一致的。

(3)EDA工具与硬件仿真器结合的设计与验证,保证芯片功能设计的准确性。

Cadence的软件与硬件仿真器结合可以做芯片的逆向设计。就是你要模仿一个芯片,需要有一个已知的芯片,然后把设计芯片的输入同时加载到设计和在硬件仿真器的芯片上,回收设计芯片与硬件仿真器上芯片的输出进行对比,可以避免投片后验证发现功能重大失误的投片成本的损失。也可以在硬件仿真器上接入一个真实的系统,设计的芯片是其中的一个部分,让这个芯片设计功能参与到真实系统的验证中,确保芯片与系统的完整性。没有听说国内EDA可以做这个硬件仿真器。

(4)EDA的输出可以与CAD,Anasys结合进行机械,热力学,电磁兼容性的分析。

很多设计在布局布线完成后,需要考虑热力学(温升)和内部电磁干扰,这时需要EDA输出结构和参数给Anasys软件,进行热,电磁等分析。转换成CAD图主要是结构位置关系,Anasys根据各种参数可以进行分析。没有听说国内EDA可以结合Anasys或者其他分析软件进行热力,电磁分析的。

这些是我用EDA工具,Synopsys和Cadence的真实体验。也是与国产EDA的一个简单对比。

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