EDA软件是什么?美国断供EDA对中国芯片发展有什么影响?

8月 14, 202202:41:30
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2022年8月13日,美国商务部发布最终规定,对设计GAAFET(全栅场效应晶体管)结构集成电路所必须的EDA软件;金刚石和氧化镓为代表的超宽禁带半导体材料;燃气涡轮发动机使用的压力增益燃烧(PGC)等四项技术实施新的出口管制。相关禁令生效日期为2022年8月15日。

EDA软件是什么?美国断供EDA对中国芯片发展有什么影响?

EDA软件是什么?

EDA即电子设计自动化,是英语 Electronic Design Automation 的缩写,指利用计算机辅助设计(CAD)软件,来完成超大规模集成电路(VLSI)芯片的功能设计、综合、验证、物理设计(包括布局、布线、版图、设计规则检查等)等流程的设计方式。

在电子设计自动化出现之前,设计人员必须手工完成集成电路的设计、布线等工作,这是因为当时所谓集成电路的复杂程度远不及现在。工业界开始使用几何学方法来制造用于电路光绘(photoplotter)的胶带。

到了1970年代中期,开发人应尝试将整个设计过程自动化,而不仅仅满足于自动完成掩膜草图。第一个电路布局、布线工具研发成功。设计自动化研讨会(Design Automation Conference)在这一时期被创立,旨在促进电子设计自动化的发展。

EDA软件是什么?美国断供EDA对中国芯片发展有什么影响?

电子设计自动化发展的下一个重要阶段以卡弗尔·米德(Carver Mead)和琳·康维于1980年发表的论文《超大规模集成电路系统导论》(Introduction to VLSI Systems)为标志。这一篇具有重大意义的论文提出了通过编程语言来进行芯片设计的新思想。如果这一想法得到实现,芯片设计的复杂程度可以得到显著提升。这主要得益于用来进行集成电路逻辑仿真、功能验证的工具的性能得到相当的改善。随着计算机仿真技术的发展,设计项目可以在构建实际硬件电路之前进行仿真,芯片布局、布线对人工设计的要求降低,而且软件错误率不断降低。直至今日,尽管所用的语言和工具仍然不断在发展,但是通过编程语言来设计、验证电路预期行为,利用工具软件综合得到低抽象级(或称“后端”)物理设计的这种途径,仍然是数字集成电路设计的基础。

从1981年开始,电子设计自动化逐渐开始商业化。1984年的设计自动化会议(Design Automation Conference)上还举办了第一个以电子设计自动化为主题的销售展览。Gateway设计自动化在1986年推出了一种硬件描述语言Verilog,这种语言在现在是最流行的高级抽象设计语言。1987年,在美国国防部的资助下,另一种硬件描述语言VHDL被创造出来。现代的电子设计自动化设计工具可以识别、读取不同类型的硬件描述。根据这些语言规范产生的各种仿真系统迅速被推出,使得设计人员可对设计的芯片进行直接仿真。后来,技术的发展更侧重于逻辑综合。

进入21世纪之后,一方面,三家大EDA公司(Synopsys、Cadence、Mentor)通过多次并购整合,完善设计全流程,奠定了三巨头竞争格局。另一方面,EDA公司开始深入制造领域,发展出了OPC等制造EDA的工具以及可制造性设计(DFM)工具。同时,晶圆厂成为了EDA的深度用户,不仅在制造方面需要使用EDA工具,在标准单元库、SRAM设计上都需要使用。此外,领先晶圆厂每两年开发一代工艺,其中EDA的整套设计流程需要在新工艺上验证。EDA也开始在早期工艺研发中介入,帮助解决更复杂的设计规则以及种种难题。晶圆厂提供的Signoff签核流程决定了设计公司设计出的芯片能否在晶圆制造厂顺利生产。而Signoff签核的主要工具就是EDA,可以说EDA是架起了设计与制造沟通的桥梁。同时,先进工艺不断迭代也驱动了EDA的创新。可见,此时此刻EDA在产业链已经有着举足轻重的作用。

目前的数字集成电路的设计都比较模块化(参见集成电路设计、设计收敛(Design closure)和设计流(Design flow (EDA)))。半导体器件制造工艺需要标准化的设计描述,高抽象级的描述将被编译为信息单元(cell)的形式。设计人员在进行逻辑设计时尚无需考虑信息单元的具体硬件工艺。利用特定的集成电路制造工艺来实现硬件电路,信息单元就会实施预定义的逻辑或其他电子功能。半导体硬件厂商大多会为它们制造的器件提供“器件库”,并提供相应的标准化仿真模型。相比数字的电子设计自动化工具,模拟系统的电子设计自动化工具大多并非模块化的,这是因为模拟电路的功能更加复杂,而且不同部分的相互影响较强,而且作用规律复杂,电子器件大多没有那么理想。Verilog AMS就是一种用于模拟电子设计的硬件描述语言。此外,设计人员可以使用硬件验证语言来完成项目的验证工作目前最新的发展趋势是将集描述语言、验证语言集成为一体,典型的例子有SystemVerilog。

随着集成电路规模的扩大、半导体技术的发展,EDA的重要性急剧增加。这些工具的使用者包括半导体器件制造中心的硬件技术人员,他们的工作是操作半导体器件制造设备并管理整个工作车间。一些以设计为主要业务的公司,也会使用电子设计自动化软件来评估制造部门是否能够适应新的设计任务。电子设计自动化工具还被用来将设计的功能导入到类似现场可编程逻辑门阵列的半定制可编程逻辑器件,或者生产全定制的专用集成电路。

现今数字电路非常模块化(参见集成电路设计、设计收敛、设计流程 (EDA)(英语:Design flow (EDA))),产线最前端将设计流程标准化,把设计流程区分为许多“细胞”(cells),而暂不考虑技术,接着细胞则以特定的集成电路技术实现逻辑或其他电子功能。制造商通常会提供组件库(libraries of components),以及符合标准模拟工具的模拟模型给生产流程。模拟EDA工具较不模块化,因为它需要更多的功能,零件间需要更多的互动,而零件一般说较不理想。

在电子产业中,由于半导体产业的规模日益扩大,EDA扮演越来越重要的角色。使用这项技术的厂商多是从事半导体器件制造的代工(英语:Semiconductor fabrication plant)制造商,以及使用EDA模拟软件以评估生产情况的设计服务公司。EDA工具也应用在现场可编程逻辑门阵列的程序设计上。

如今的集成电路,从系统架构开始,落实到功能的定义和实现,最终实现整个芯片的版图设计与验证,是一项复杂的系统工程,集成了人类智慧的最高成果。以华为2020年最新的7nm麒麟990芯片来说,其中集成了103亿颗晶体管,若没有EDA辅助,设计这样复杂的电路并保证良率是无法想象的。可见EDA这套工具,赋能了集成电路设计与制造的创新,当之无愧的站在了产业链的顶端。

美国断供EDA软件,对中国芯片发展有什么影响?

EDA是芯片IC设计中不可或缺的重要部分,是一种广泛使用的技术的高级形式,属于芯片制造的上游产业,涵盖集成电路设计、布线、验证和仿真等所有流程。EDA被行业内称为“芯片之母”。目前,全球的EDA软件主要由CadenceSynopsysMentor(被西门子收购)等三家美国企业垄断。称霸EDA市场的美国三巨头,牢牢占据了全球超过70%的市场份额,能够提供完整的EDA工具,覆盖集成电路设计与制造全流程或大部分流程。

当下,国内大多数芯片设计公司仍在采用进口的EDA工业软件来设计芯片,这也就导致了国内芯片设计领域难以实现真正意义上的国产化。一旦美国断供EDA软件,短时间内肯定会严重影响国内芯片企业的设计能力。

GAAFET晶体管技术是相对于FinFET晶体管更先进的技术,FinFET技术最多能做到3nm,而GAAFET可以实现2nm。氧化镓(Ga2O3)、金刚石则是被普遍关注的第四代半导体材料。

这四项技术是 42 个参与国在2021年12月会议上达成共识控制的项目之一。美国的出口管制涵盖了比国际协议更广泛的技术,包括用于生产半导体的额外设备、软件和技术。

美国商务部表示,此举涵盖的“新兴和基础技术”包括氧化镓和金刚石,因为“使用这些材料的设备显着增加了军事潜力”。

文:综合自中国半导体论坛、维基百科等

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