超越摩尔的EDA软件四大金刚

林雪萍|Lin Xueping|Lin Xueping|

2022-11-09 11:34:29 966

EDA软件四大金刚

芯片进入大规模生产之前，需要进行“试生产”，也就是流片，对完成的设计电路先生产几片、几十片。流片是一个极其昂贵的过程。

在14纳米制程的时代，流片一次的费用大约需要300万美元。而到了7纳米，流片费用则要高达3000万美元。为了防止冒失的浪费，需要通过电子设计自动化（EDA）软件上进行仿真测试。即使所有设计工具的成本都加起来，也抵不上一次流片的费用。因此，要在软件上通过仿真，确保万无一失，才能真正开始流片。

那么什么算是“万无一失”呢？

这是一个被称作签核（Sign-off）的过程。在一个长长的清单上，功耗、噪声、散热、静电等需要逐一签核。只有经被确认过的EDA软件仿真过，晶圆加工厂才会认可相关结果。

每当台积电开行业大会时，整个半导体行业几乎都会洗耳恭听。它会提及到许多已经验证过的工具和方案。对于行业而言，不管哪种方案，都会向它靠拢。经过台积电验证过的，就成为了行业里的金标准，是主流的选择。

对于电子设计自动化软件而言，台积电主要认可的是四大EDA厂商合称MACS，分别是Synopsys、Cadence、Mentor，以及在仿真CAE等领域的龙头企业Ansys。Ansys在EDA软件的刀锋寒光，似乎被其整体品牌的光芒所掩盖，但丝毫不影响其EDA软件成为行业的金标准之一。EDA软件的四大金刚，也在合力主导着芯片发展的方向。

全球EDA市场集中度相当高，如果仅从EDA软件（不包含IP）来看，那么四大金刚的市场占比可以达到80%，美国供应商占据了主导性的地位。剩余的市场份额，则被其它很多的EDA软件所瓜分，其中包括澳大利亚的Altium，美国Silvaco和Aldec等，国内则有今年先后上市的公司概伦电子和华大九天等。但在美国，已经有二十年没有新的EDA公司上市。就全球格局而言，这个市场呈现了高度成熟的迹象。然而，EDA软件是半导体行业的急先锋，它正在酝酿着全新的内涵，以便适应芯片制程的最新风潮。

原子们住进了新的宫殿

毫无疑问，小芯片（Chiplet）成为近两年的焦点之一。但需要指出的是，三维封装技术由来已久，半导体的先进制程多年来一直就在两条路上展开。

第一条大路，就是沿着摩尔定律所指明的方向，按照节点演进的规律，高歌猛进。摩尔定律是条令人舒服的捷径，让半导体规划人士感到幸福的事情就是技术路线图是确定的。这座温暖的灯塔一直稳定地照耀了六十多年，但是灯塔的光芒正在黯淡，人们担心它会失去最后的光芒。先进制程正在接近一个纳米的尺寸。这好比是一把无限缩微的宝剑闯进了无数原子所居住的殿堂，而随意游荡的原子面对不速之客将会呈现出惊诧、暴怒，以及不可琢磨的全新特性。原子尺寸，是让微观世界保持完整的最小堡垒，这也是芯片物理世界的终极战场。基于原子的区间分割，将是摩尔定律最后的荣光。

后摩尔时代，正是需要为这即将蒙尘的灯火，寻找全新的光源。

第二条小路，其实业界早就看见了，但这条路上人烟稀少。日本从上个世纪八十年代就在考虑三维封装的路线。简单说，就像是在二维平面的垂直方向，建一座三维的高楼。由于第一条路的畅通无阻和高效，人们对这条小路并不热衷。但是，随着后摩尔定律时代的到来，芯片工艺在主路遭遇到了横眉冷对的原子而南墙乍起，那么三维封装这一非主流的方式，现在成为一种全新的武器。Chiplet小芯片开始登场。通过众多小芯片的相互组合，构建出一个系统级的大芯片。

这是一种系统思维，实现各种同构和异构电路的立体集成。更妙的是，它是一种“芯片软件化”的思路。每个小芯片，都可以看成是某个软件的一个子函数。这些小芯片，将会以“软件程序调用”的方式，被搬过来搬过去，进行组合。这种积木式的搭建方式，本质是一种知识复用，每个小芯片都是身怀绝技，经历了摩尔定律的历练。

因此小芯片的封装方式，并不意味着传统鱼鳍状的场效应晶体管的崩溃。恰恰相反，通过小芯片，可以继续激发鳍状管的极限。二者实际是互补的路线。每一个子函数，仍然需要保证是最优算法；每个小芯片，仍然需要是最优制程。“超越摩尔”并非是打碎摩尔定律另辟蹊径，而是依然要站在摩尔定律高耸的肩膀上才能实现的超越。

高级封装，并非是简单封装的叠加。这不太可能是一个只由传统下游封装制造商所能发起的战斗。这注定是从晶圆加工厂的设计源头，所发起的枪声。无论是高级封装，还是小芯片，都只能从芯片设计出发。这条路线的基准，大概率只能由芯片制造商来推进，而不是传统封装公司。

原子可以变得愉快起来。它们习以为常的平层房屋，将要拔地而起变成高楼大厦。微小的芯片，开始多了许多邻居。然而，它们也正在进入一个大尺寸空间的宏观世界。热、电磁、力等各种不相关的物理叠加效应，就像一股越来越猛的西风一样穿堂而过，曾经可以被忽略的呼啸声变得尖利起来。多物理场效应——这一在宏观尺寸会表现更明显的现象，开始对原子新殿堂构成极大的威胁。散热、翘曲等都成为芯片制造的巨大挑战。

乐于为原子建造新宫殿的芯片设计工程师们，必须拿出应付多物理场效应的手段。全方位仿真自然是必不可少的工具。而这一点，在航空、机械、汽车等工程师们眼里，早已是司空见惯的挑战。Ansys正是多物理场仿真的领头羊，它为娴熟的工程师们提供了得心应手的工具。

从最早的力学起家，Ansys逐渐扩大版图到流体、热、电磁、光电等物理场。即使在半导体的EDA软件领域的仿真市场，也已经苦心经营了多年。而当前的小芯片，则让它的多物理场的仿真功能显得格外耀眼。

新的EDA软件时代，已经到来。

迟到的3G，先一步的判断

早在2008年4月，已在机械制造仿真领域确立了王者地位的Ansys，以5.4亿美元的价格，收购了EDA厂商Ansoft，后者在电路板的高频仿真领域，建立了自己独特的优势。它的业界电磁场金标准仿真软件HFSS，一度占据了电磁场和射频电路的80%市场份额。

通过这次并购，Ansys直接进入了芯片行业。然而这次闯进半导体，一度被认为是一次失败的收购。收购之时还是在股市高点，而两个月之后金融危机不期而至，股市大跌。看起来真是亏本的买卖。

2008年对于手机市场而言，漫长的2G通讯正在走向它最后的时光。从1995年，国内就进入了2G时代。除了打电话，短信业务开始兴起。这正是诺基亚漫长而悠远的霸者时光。2G到3G的过渡，经历了比人们想象中要长得多的时间。到2009年中国正式颁发3G牌照，前后经历了14年。相比之下，从3G到4G牌照的颁发，只用了四年多时间。

而Ansys就在这个通讯旋转门切换的一瞬间，挤进了电子行业的殿堂。2009年开始，3G通讯终于拾起上扬的曲线，带来了整个电子行业的繁荣。而在2010年苹果iPhone4已经开始确立了市场地位，芯片开始越来越复杂。随着通讯行业的巨大拉动，对于芯片的高速高频仿真的要求越来越多，Ansys对ANSOFT的收购举动，变成了一次提前踩点金不换的先手棋。

系统级的前夜

2011年芯片功率设计软件Apache Design Solutions公司，本来正处于上市前的静默期，没想到却被Ansys海底捞月，以3.1亿美元收购。而此时Ansys的收入虽然仅为7亿美元，但其市值却达到60亿美元，资本市场对于该企业的未来给予了充分的信任。

而这场收购，则源自Ansys对未来芯片走向的判断。

芯片的构成，一般而言有三道法门，分别是芯片级（Chip）、封装级（Packaging）和由PCB板将多个芯片连接在一起构成的系统（System）。这三者的每一层，各有自己的苦恼要应付。

芯片上一条线路只有十几个到几百个原子的宽度。数亿个门电路会分布在狭小的空间，芯片的功耗和静电都会成为工程师需要面对的拦路虎。

然后是封装，要将微小尘埃般的芯片用封装保护起来，避免灰尘和潮湿等破坏芯片。这中间涉及到大量的电磁效应和热效应。

最后是需要通过电路板将多个芯片连接起来，并提供对外的接口，结合操作系统和软件，就构成了系统。

Ansys创新地将这三个部分合起来考虑它的仿真问题，用一体化CPS（Chip-Package-System）的角度来实现综合性能的优化。这就是像将时间快进到未来，在摩尔定律的另一端反向看待芯片发展所需要的仿真技术。只有将芯片-封装-系统这三驾马车完美地组合在一起，才能提供更好的芯片。

Ansys已经具备了系统级和封装级的仿真软件，而Apache正是一个芯片级的产品。三者贯通，是最好的选择。而从Apache公司的角度来看，即使成功上市能带来暂时的技术领先，但长期的独立性依然是一个问号。

在这种情况下，Ansys得以成功地将Apache纳入囊中。Apache是EDA软件市场的一个狭窄缝隙里的一条大鱼。它的RedHawk软件在半导体的功耗设计优化及芯片供电领域具有举足轻重的位置。它可以帮助手机或者笔记本电脑的工程师，轻松实现省电的需求。可以说，RedHawk软件凭一己之力将低功耗设计做成了一个利基市场的王者，而不是EDA工具上的一个功能按钮。它在全球低功耗领域一度占有全球90%的市场，也因此成为台积电的金标准。

EDA软件的一纵与一横

EDA软件就好像是芯片发展的带刀侍卫，但各有分工。

Ansys在芯片设计领域的定位和其它EDA厂商相比有较大的差别，其主要专注在芯片的签核和仿真领域。而Synopsys、Cadence软件则更专注于芯片设计的流程，完成从构架、功能到原理图和版图设计与验证的过程。

对于芯片设计来说，仅仅完成基本的设计验证是远远不够的，还需要考虑信号完整性和电源完整性问题，以及芯片发热和散热的热完整性问题，更多的还要有热形变、热应力和材料特性的结构完整性问题等。芯片损坏，往往并非是由于超压或失误操作导致。其中的真正杀手是热，芯片失效有大约四分之三是因为热在“捣鬼”。这正是Ansys解决的问题，它为芯片设计建立一道防线。

如果拿一架飞机来做类比，另外三家EDA软件主要是在做飞机的纵向机体，而飞机要能平稳起飞还需要有横向的机翼。这个机翼就是Ansys专注的领域。既有设计流程的纵向，又有签核流程的横向，一横加一纵，EDA的四大金刚软件MACS合在一起才能最终完成芯片的设计。

简单来说，人们更容易注意到“一纵”的设计，而忽略“一横”的仿真。EDA软件最早的鼻祖，是从美国伯克利分校而来。但第一款EDA软件SPICE，其实就是从仿真开始。当时数百个晶体管，还是比较容易画出来的。而仿真，则需要更复杂的偏微分方程求解。可以说，EDA软件从开始诞生之日，就带着强烈的仿真气味。

EDA软件曾经跟机械行业的仿真软件有了一段时间的分离，二者看上去似乎是各走各的路。而现在，两条曾经分离的路又开始汇聚在一起。

如果拆开以前的手机壳，会发现手机基本是空心的，有些对方是空荡荡的地盘。而现在的手机基本是实心的，因为功能太多而不得不塞满了集成电路，几乎没有多余空间。这使得各种干扰、热传导等，相互间产生影响，多物理场效应的问题被直线放大。

手机的空间太挤了。如果芯片从人的视角去看，它需要拖家带口，那么最近十多年它的幸福感一定在急剧下降。因为芯片的“人均空间”面积越来越小了。由于手机的物理尺寸，需要与人手的大小相结合，单手能操作的尺寸，就是手机空间的天花板。无论是热分析、电磁、高速信号，还是封装结构的仿真，都要联合上阵，才能应付这越来越拥挤的空间。作为从芯片到封装，到大系统的全流程仿真解决方案，Ansys能够帮助设计师提前锁定信心，为每个空间塞满了芯片而无需担心会失效。

小记：小尺寸大宇宙

无论是否有夸张的成分，元宇宙正在呈现出一幅摄人心魄的图景。在那里，万物相互嵌套，互为镜像，人们周边的景深被重新置换，而宏大的生命观也将被重新改写。元宇宙的核心动力来自芯片，那是原子级的原力源泉所在。英伟达正在为元宇宙倾注了全部的心血，它跟Ansys的全面合作，则让人意识到，一个虚拟与现实相互融合世界之中，仿真所起到的决定性作用。而在小芯片的顶级制造工艺里，EDA软件正在大幅度加强自己的仿真力量。唯有此，超越摩尔定律才能重新真正迈过门槛。

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