前言

為自主可控的國(guó)產(chǎn)EDA軟件而努力

EDA，即電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（Electronics Design Automation）的縮寫(xiě)。通常EDA設(shè)計(jì)工具的形態(tài)是一套計(jì)算機(jī)軟件，所以在電子信息產(chǎn)業(yè)中，無(wú)論是設(shè)計(jì)集成電路，還是設(shè)計(jì)PCB（印制電路板）系統(tǒng)，都離不開(kāi)EDA工具。

觀察二十世紀(jì)七八十年代集成電路帶動(dòng)信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，印證了摩爾對(duì)集成電路每18個(gè)月特征尺寸縮小一半而集成度和性能（速度、功耗和面積）成倍改善，集成電路造價(jià)不變的預(yù)言。

實(shí)際上集成電路產(chǎn)業(yè)處在信息產(chǎn)業(yè)的上游，它要把行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）的規(guī)范和協(xié)議]映射到一個(gè)可實(shí)現(xiàn)電路與系統(tǒng)的架構(gòu)上；信息產(chǎn)業(yè)的中游提供一個(gè)信息產(chǎn)品（軟、硬件）可實(shí)現(xiàn)的解決方案；而信息產(chǎn)業(yè)下游的制造業(yè)，除了生產(chǎn)產(chǎn)品所需付出的元器件和加工成本，還要為使用的IP付出知識(shí)產(chǎn)權(quán)的費(fèi)用。

集成電路產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)且粋€(gè)包括設(shè)計(jì)業(yè)、制造業(yè)、封測(cè)業(yè)、材料和裝備在內(nèi)的完整產(chǎn)業(yè)鏈。不同于半導(dǎo)體器件產(chǎn)業(yè)（受工藝和材料的制約）的僅以半導(dǎo)體專業(yè)人士為主，集成電路設(shè)計(jì)業(yè)是整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的龍頭，即使是 IDM（集成器件制造商），如英特爾，也是大量的人才集中于前端的設(shè)計(jì)。

二十世紀(jì)九十年代，我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)在一批半導(dǎo)體“大咖”（1956年北大半導(dǎo)體專業(yè)）指導(dǎo)下，雖然做了“907”“908”等工程，引進(jìn)了一批工藝制造線，但設(shè)計(jì)業(yè)跟不上，等于是“無(wú)米之炊”，也難見(jiàn)到投資的效果。直到2000年國(guó)務(wù)院出臺(tái)《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)鼓勵(lì)軟件產(chǎn)業(yè)和集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展若干政策的通知》（國(guó)發(fā)〔2000〕18號(hào)）（即通常所說(shuō)的“18號(hào)文件”），明確集成電路設(shè)計(jì)業(yè)是產(chǎn)業(yè)鏈的龍頭，還在全國(guó)建了8個(gè)產(chǎn)業(yè)化 IC 設(shè)計(jì)中心，情況才有所轉(zhuǎn)變。因此在中國(guó)，所謂“集成”應(yīng)該說(shuō)是集“政府、資本和產(chǎn)學(xué)研”之大成，即中國(guó)政府主導(dǎo)（產(chǎn)業(yè)政策和土地與財(cái)政的支持），民間資本的投資緊跟，再加上產(chǎn)（集成電路廠商）、教（高等院校）和研（研究所）的通力協(xié)作。

人才和EDA工具——集成電路設(shè)計(jì)業(yè)的兩大要素。

人才，對(duì)集成電路產(chǎn)業(yè)而言不僅僅是科技、工藝人才，還包括經(jīng)營(yíng)與管理人才。改革開(kāi)放以來(lái)，教育部門在人才培養(yǎng)上基本上滿足了制造產(chǎn)業(yè)的需求，集成電路產(chǎn)業(yè)對(duì)人才需求的缺口卻很大，高端人才不足，特別是領(lǐng)軍人物奇缺。

王陽(yáng)元院士曾對(duì)集成電路人才的培養(yǎng)支招，指出“一是微電子專業(yè)培養(yǎng)；二是支持電子設(shè)計(jì)工程師跨界進(jìn)入集成電路設(shè)計(jì)業(yè)；三是引進(jìn)高端集成電路領(lǐng)軍的海外歸國(guó)人才”，這都極具建設(shè)性。后來(lái)建設(shè)示范性微電子學(xué)院，設(shè)立“集成電路科學(xué)與工程”一級(jí)學(xué)科，都是在人才培養(yǎng)上下功夫。

集成電路產(chǎn)業(yè)中，除了人才，EDA工具也是IC研發(fā)的拳頭。工欲善其事，必先利其器！盡管二十世紀(jì)八十年代就集中力量在北京組織了“熊貓系統(tǒng)”的研發(fā)，但 30 多年過(guò)去了，國(guó)內(nèi) EDA 市場(chǎng)仍然被國(guó)外三大廠商（Synopsys、Cadence、Mentor Graphics）所壟斷。究其原因是研發(fā)的方針：如果只是“仿”，仿得連界面都差不多，但用戶習(xí)慣了三大外商的EDA工具，他也不想換國(guó)產(chǎn)的EDA工具。三大廠商還在大學(xué)開(kāi)展“大學(xué)計(jì)劃”，習(xí)慣了用三大廠商EDA工具的大學(xué)生就業(yè)也有優(yōu)勢(shì)。另一方面是和國(guó)外三大廠商爭(zhēng)后端 EDA 工具的研發(fā)，別人已經(jīng)有了固定的優(yōu)勢(shì)（三大廠商和主流集成電路制造商工藝協(xié)同，在技術(shù)儲(chǔ)備和服務(wù)上都占有優(yōu)勢(shì)）。所以，要發(fā)展國(guó)內(nèi)的 EDA 產(chǎn)業(yè)，只能換道，走集成電路設(shè)計(jì)前端的設(shè)計(jì)智能化的路。例如針對(duì)AI的巨大市場(chǎng)和各AI領(lǐng)域?qū)Ｓ械腎P包，開(kāi)發(fā)將AI的IP包轉(zhuǎn)換成集成電路可實(shí)現(xiàn)的電路架構(gòu)的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)電子設(shè)計(jì)的智能化（Electronics Design Intelligence，EDI），可能是一個(gè)值得關(guān)注的發(fā)展方向！

如果說(shuō)解決電路與系統(tǒng)向集成電路后端的工藝映射（Layout），主要是解決電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（Automation）的問(wèn)題。那么EDA工具映射IP包到集成電路的架構(gòu)的設(shè)計(jì)，開(kāi)辟了另一個(gè)方向。即在設(shè)計(jì)的前端開(kāi)發(fā)大量的IP，用高層次的綜合方案解決電子設(shè)計(jì)智能化。

集成電路產(chǎn)業(yè)是建立在市場(chǎng)對(duì)集成電路產(chǎn)品量的需求的基礎(chǔ)上的，移動(dòng)通信的平臺(tái)已為集成電路的發(fā)展提供了一個(gè)巨大的平臺(tái)（數(shù)以幾十億計(jì)的手機(jī)），但無(wú)論從4G到5G，還是在現(xiàn)有的移動(dòng)平臺(tái)上，集成電路產(chǎn)品的量不會(huì)有實(shí)質(zhì)性的變化，只能瞄準(zhǔn)下一個(gè)市場(chǎng)——AI（人工智能），這是下一個(gè)巨大的集成電路市場(chǎng)。車載移動(dòng)平臺(tái)對(duì)集成電路的需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)手機(jī)，還有萬(wàn)物互聯(lián)、智能制造，基于聲音和圖像的智能處理和機(jī)器人……都會(huì)對(duì)集成電路提出產(chǎn)業(yè)化的需求。我說(shuō)過(guò)“AI is Chip”一點(diǎn)也不過(guò)分，AI的各種IP，通過(guò)EDI映射到電路與系統(tǒng)的架構(gòu)，然后通過(guò)EDA映射到芯片制造。反過(guò)來(lái)，實(shí)現(xiàn)了AI需求的芯片又支持AI的產(chǎn)業(yè)化。總之，需要更多更好的IP，芯片才能上市快、成本低。IP會(huì)成為EDA公司的重要?jiǎng)?chuàng)利點(diǎn)（IP年?duì)I業(yè)額已達(dá)5億美元）。

芯片系統(tǒng)該怎么驗(yàn)證？只有芯片設(shè)計(jì)人員才知道從芯片實(shí)現(xiàn)的功能提出驗(yàn)證的方案；如果采用軟硬件協(xié)同驗(yàn)證，一款有100萬(wàn)行軟件代碼的芯片，就要求芯片設(shè)計(jì)廠商準(zhǔn)備100萬(wàn)行的RTL代碼。當(dāng)芯片中的軟件比硬件更復(fù)雜時(shí)，芯片設(shè)計(jì)廠商必須自己做芯片中的軟件。在 EDA 工具從自動(dòng)化向智能化發(fā)展的過(guò)程中，電子設(shè)計(jì)逐漸“軟化”，即“軟件定義的芯片”，越來(lái)越有利于解決“可重構(gòu)”和“異構(gòu)并存”的架構(gòu)定義。就像過(guò)去我們?cè)贔PGA平臺(tái)上做電路與系統(tǒng)設(shè)計(jì)，因?yàn)橛布强删幊痰模栽O(shè)計(jì)主要在編程，實(shí)現(xiàn)不同設(shè)計(jì)規(guī)范的算法到FPGA架構(gòu)的映射，為此還去開(kāi)發(fā)在FPGA架構(gòu)上運(yùn)行的各種IP包。同理，在多核的CPU、GPU和NPU的架構(gòu)上開(kāi)發(fā)電路與系統(tǒng)也是做編程，實(shí)現(xiàn)軟件定義的硬件設(shè)計(jì)。只不過(guò)現(xiàn)在我們從專用集成電路設(shè)計(jì)的角度，實(shí)現(xiàn)“算法到架構(gòu)的映射”，需要一個(gè)更高層次的編譯平臺(tái)（我們姑且把它稱為AI Compiler）。那么，這個(gè)平臺(tái)的普惠性、時(shí)效性和安全性都是我們十分關(guān)注的！

“近幾年人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)的快速發(fā)展，加上量子運(yùn)算等更為先進(jìn)的技術(shù)，對(duì)于解決已有的問(wèn)題帶來(lái)了全新的視野。”新思科技原AI研究室主任廖仁億表示，“一旦大家對(duì)人工智能的期望越來(lái)越高，加上海量數(shù)據(jù)的持續(xù)增長(zhǎng)和無(wú)處不在的場(chǎng)景應(yīng)用，人工智能加上人類智能的賦能，幫助我們用更智能的工具，來(lái)設(shè)計(jì)日益復(fù)雜且更為強(qiáng)大的人工智能芯片，給芯片設(shè)計(jì)帶來(lái)全新的挑戰(zhàn)和機(jī)會(huì)。”

全球三大EDA軟件巨頭眼里的芯片設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)：EDA云平臺(tái)（云-邊緣-終端）、IDEA（全自動(dòng)芯片版圖生成器）、POSH（針對(duì)開(kāi)源硬件項(xiàng)目），以及DARPA關(guān)注的軟件定義架構(gòu)SDH（Software Defined Hardware）和domain-specific片上系統(tǒng)。RISC-V很可能是第一個(gè)進(jìn)行軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的架構(gòu)，OpenAI平臺(tái)Sutskever最初研究的序列建模應(yīng)用于語(yǔ)音、文本和視頻，非常實(shí)際的應(yīng)用就是機(jī)器翻譯等專業(yè)技術(shù)介紹。所以關(guān)注EDA專業(yè)人才將是IC設(shè)計(jì)最重要的事。隨著IC設(shè)計(jì)復(fù)雜度的提升、新工藝的發(fā)展，EDA行業(yè)將有非常大的發(fā)展空間。雖然EDA行業(yè)需求人才（工具軟件開(kāi)發(fā)人才、工藝及器件背景的工程師、熟悉IC設(shè)計(jì)流程的工程師、數(shù)學(xué)專業(yè)人才、應(yīng)用及技術(shù)支持人才和銷售類人才）的就業(yè)面相對(duì)窄，但穩(wěn)定性非常高。從某種意義上講，從事 EDA 這種小眾行業(yè)的人，堅(jiān)持都是靠理想，而有理想才稱得上人才！

EDA還是信息產(chǎn)業(yè)的一個(gè)重要的工業(yè)軟件：推動(dòng)了集成電路的封裝測(cè)試業(yè)從二維轉(zhuǎn)向三維（從“時(shí)間摩爾”到“空間摩爾”）；推動(dòng)了PCB板級(jí)信息產(chǎn)品在硅片上的連接，為終端產(chǎn)品的“高密集”和“整機(jī)微型化”開(kāi)了先河；還延伸到信息產(chǎn)品面板和外觀的“工業(yè)設(shè)計(jì)”，并支持著柔性屏和可折疊產(chǎn)品的EDA工業(yè)軟件的開(kāi)發(fā)。所以把 EDA 僅僅看成是一個(gè)集成電路設(shè)計(jì)工具的時(shí)代已經(jīng)過(guò)去了，應(yīng)該承認(rèn)它是信息產(chǎn)業(yè)重要的“工業(yè)軟件”。

二十一世紀(jì)的一個(gè)變化是信息產(chǎn)業(yè)處理對(duì)象從數(shù)碼“信息”轉(zhuǎn)向了物理“信號(hào)”，尤其是未來(lái)不得不面臨從“互聯(lián)網(wǎng)+”轉(zhuǎn)向以“物聯(lián)網(wǎng)（IoT）”為主。說(shuō)得直白一點(diǎn)，以人（語(yǔ)音、文字、視頻和虛擬場(chǎng)景）為主的信息獲取和傳輸（4G+互聯(lián)網(wǎng)），轉(zhuǎn)向了以物理對(duì)象（聲、光、熱、力和電）為主的信號(hào)處理和物物互聯(lián)（5G 傳輸?shù)母邘挕⒋笕萘亢蜐M足可靠性前提下的低時(shí)延）；繼而進(jìn)入社會(huì)管理和生活服務(wù)的方方面面的智能，都將給工業(yè)軟件EDA帶來(lái)機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

繼工業(yè)自動(dòng)化之后的智能化，已經(jīng)從“省力”為主轉(zhuǎn)向高效和“省心”，也給工業(yè)軟件EDA帶來(lái)空前的挑戰(zhàn)。首先，服務(wù)面的擴(kuò)展要將人工智能（AI）各行各業(yè)（規(guī)范、協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)）建立成自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）；其次是將這些IP的算法在一個(gè)特定域（或通用域）用算力做結(jié)構(gòu)化轉(zhuǎn)換和高效調(diào)度；這些都是設(shè)計(jì)方法學(xué)創(chuàng)新和設(shè)計(jì)智能化需求對(duì)工業(yè)軟件EDA的挑戰(zhàn)。最后，工業(yè)軟件EDA將促成“算力”“算法”“數(shù)據(jù)”三者深層次的融合。

信息化之后必然的趨勢(shì)是智能化，數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)分享、算法成本下降、算力安全可靠，才能使AI普惠。這要求綜合考慮多種因素，首先是數(shù)據(jù)本身的質(zhì)量、成本；其次是算法設(shè)計(jì)和調(diào)參的人工成本；第三是計(jì)算的能力（用大量計(jì)算平臺(tái)和AI芯片都有價(jià)格因素）。

解決的途徑：

● 數(shù)據(jù)方面除了量的膨脹還有質(zhì)的變化，過(guò)去習(xí)慣的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)（也就是定點(diǎn)、浮點(diǎn)數(shù)），在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代變?yōu)闇?zhǔn)結(jié)構(gòu)化的批數(shù)據(jù)處理；而人工智能又要處理大量的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)需要流轉(zhuǎn)和分享，大量無(wú)用、重復(fù)的數(shù)據(jù)只能浪費(fèi)存儲(chǔ)器的容量，消耗算力。

● 在算力方面，不能把人工智能看成是一種“窮算”，僅靠算力解決的問(wèn)題叫“機(jī)器學(xué)習(xí)”不是“深度學(xué)習(xí)”。深度學(xué)習(xí)的算法和把AI的各個(gè)領(lǐng)域（圖像、語(yǔ)音、機(jī)器人……）的IP設(shè)計(jì)規(guī)范定義成的框架，是電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）走向電子設(shè)計(jì)智能化（EDI）的關(guān)鍵。隨著摩爾定律面臨物理極限，芯片算力的發(fā)展會(huì)變得緩慢。所以，人工智能肯定有算力的制約。

● 算法是需要EDA工具支持的，EDA工具把“算法映射到了架構(gòu)”才能把“AI落實(shí)到IC”。

不管是數(shù)據(jù)、算力還是算法，都到了關(guān)鍵時(shí)間，都在向EDA靠近。5G也會(huì)和EDA關(guān)聯(lián)，5G解決的是信息傳輸問(wèn)題，那么先要把信號(hào)變成信息，很重要的是智能傳感，還必須是低功耗的。5G實(shí)現(xiàn)大容量、高速度、高可靠性前提下的低時(shí)延，也離不開(kāi)人工智能和集成電路設(shè)計(jì)的EDA的支持。

CPU、GPU和NPU與EDA的關(guān)系是去中心化，企業(yè)擁有的x86架構(gòu)、Spac架構(gòu)，以及RISC-V都有去中心化這個(gè)問(wèn)題，核心的問(wèn)題還是要用EDA促成開(kāi)源。

臺(tái)積電（南京）總經(jīng)理羅鎮(zhèn)球回顧臺(tái)積電和新思科技十幾年合作的方式的變化：直到65nm都是臺(tái)積電把做出來(lái)的工藝交給新思科技，新思科技再去開(kāi)發(fā)EDA的設(shè)計(jì)平臺(tái)及一些IP，每出現(xiàn)一種新工藝，到用戶設(shè)計(jì)用上，兩個(gè)階段是1.5+1.5=3年時(shí)間。但在做 7nm 工藝時(shí)臺(tái)積電就和新思科技一起做，一起研究工藝，一起建EDA和IP平臺(tái)。只花了一年半的時(shí)間，滿足新工藝的IP就提供給用戶設(shè)計(jì)了，經(jīng)濟(jì)上還避免了重復(fù)投資。

所有新技術(shù)的發(fā)展，如果不和EDA結(jié)合就很難發(fā)展，因?yàn)槟汶x不開(kāi)EDA提供的方法學(xué)工具。

從2019年策劃和約稿，到2020年1月至2021年5月每周在《電子報(bào)》上刊發(fā)EDA業(yè)界“大咖”的文章，我本人十分感謝作者們對(duì)EDA的厚愛(ài)和對(duì)我做這件事的支持！也感謝《電子報(bào)》和徐惠民總編提供的平臺(tái)！

征得這些“大咖”們同意后，我把匯編出專集的想法，在2021年4月中國(guó)電子學(xué)會(huì)張宏圖書(shū)記和王娟主任來(lái)家看望我時(shí)說(shuō)了出來(lái)，張書(shū)記當(dāng)即表示支持專集的出版，并讓王娟聯(lián)系了電子工業(yè)出版社。電子社肯定了出專集的重要性，并給具體運(yùn)作提供了指導(dǎo)，此書(shū)得以出版以饗讀者。我衷心地感謝業(yè)內(nèi)提供文章的“大咖”，感謝學(xué)會(huì)和出版社的大力支持。

周祖成

2021年12月12日