超越摩爾的EDA軟件四大金剛

導(dǎo)讀

INTRODUCTION

“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(shí)現(xiàn)的超越。

本文作者 | 林雪萍 全球工業(yè)觀察家

北京聯(lián)訊動(dòng)力咨詢公司總經(jīng)理，南山工業(yè)書(shū)院發(fā)起人。

EDA軟件四大金剛芯片進(jìn)入大規(guī)模生產(chǎn)之前，需要進(jìn)行“試生產(chǎn)”，也就是流片，對(duì)完成的設(shè)計(jì)電路先生產(chǎn)幾片、幾十片。流片是一個(gè)極其昂貴的過(guò)程。

在14納米制程的時(shí)代，流片一次的費(fèi)用大約需要300萬(wàn)美元。而到了7納米，流片費(fèi)用則要高達(dá)3000萬(wàn)美元。為了防止冒失的浪費(fèi)，需要通過(guò)電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)軟件上進(jìn)行仿真測(cè)試。即使所有設(shè)計(jì)工具的成本都加起來(lái)，也抵不上一次流片的費(fèi)用。因此，要在軟件上通過(guò)仿真，確保萬(wàn)無(wú)一失，才能真正開(kāi)始流片。

那么什么算是“萬(wàn)無(wú)一失”呢?

這是一個(gè)被稱作簽核(Sign-off)的過(guò)程。在一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的清單上，功耗、噪聲、散熱、靜電等需要逐一簽核。只有經(jīng)被確認(rèn)過(guò)的EDA軟件仿真過(guò)，晶圓加工廠才會(huì)認(rèn)可相關(guān)結(jié)果。

每當(dāng)臺(tái)積電開(kāi)行業(yè)大會(huì)時(shí)，整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)幾乎都會(huì)洗耳恭聽(tīng)。它會(huì)提及到許多已經(jīng)驗(yàn)證過(guò)的工具和方案。對(duì)于行業(yè)而言，不管哪種方案，都會(huì)向它靠攏。經(jīng)過(guò)臺(tái)積電驗(yàn)證過(guò)的，就成為了行業(yè)里的金標(biāo)準(zhǔn)，是主流的選擇。關(guān)聯(lián)視頻

對(duì)于電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件而言，臺(tái)積電主要認(rèn)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(lǐng)域的龍頭企業(yè)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(yè)的金標(biāo)準(zhǔn)之一。EDA軟件的四大金剛，也在合力主導(dǎo)著芯片發(fā)展的方向。

全球EDA市場(chǎng)集中度相當(dāng)高，如果僅從EDA軟件(不包含IP)來(lái)看，那么四大金剛的市場(chǎng)占比可以達(dá)到80%，美國(guó)供應(yīng)商占據(jù)了主導(dǎo)性的地位。剩余的市場(chǎng)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(guó)Silvaco和Aldec等，國(guó)內(nèi)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(guó)，已經(jīng)有二十年沒(méi)有新的EDA公司上市。就全球格局而言，這個(gè)市場(chǎng)呈現(xiàn)了高度成熟的跡象。然而，EDA軟件是半導(dǎo)體行業(yè)的急先鋒，它正在醞釀著全新的內(nèi)涵，以便適應(yīng)芯片制程的最新風(fēng)潮。

原子們住進(jìn)了新的宮殿毫無(wú)疑問(wèn)，小芯片(Chiplet)成為近兩年的焦點(diǎn)之一。但需要指出的是，三維封裝技術(shù)由來(lái)已久，半導(dǎo)體的先進(jìn)制程多年來(lái)一直就在兩條路上展開(kāi)。

? 第一條大路，就是沿著摩爾定律所指明的方向，按照節(jié)點(diǎn)演進(jìn)的規(guī)律，高歌猛進(jìn)。摩爾定律是條令人舒服的捷徑，讓半導(dǎo)體規(guī)劃人士感到幸福的事情就是技術(shù)路線圖是確定的。這座溫暖的燈塔一直穩(wěn)定地照耀了六十多年，但是燈塔的光芒正在黯淡，人們擔(dān)心它會(huì)失去最后的光芒。先進(jìn)制程正在接近一個(gè)納米的尺寸。這好比是一把無(wú)限縮微的寶劍闖進(jìn)了無(wú)數(shù)原子所居住的殿堂，而隨意游蕩的原子面對(duì)不速之客將會(huì)呈現(xiàn)出驚詫、暴怒，以及不可琢磨的全新特性。原子尺寸，是讓微觀世界保持完整的最小堡壘，這也是芯片物理世界的終極戰(zhàn)場(chǎng)?；谠拥膮^(qū)間分割，將是摩爾定律最后的榮光。

后摩爾時(shí)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(shí)業(yè)界早就看見(jiàn)了，但這條路上人煙稀少。日本從上個(gè)世紀(jì)八十年代就在考慮三維封裝的路線。簡(jiǎn)單說(shuō)，就像是在二維平面的垂直方向，建一座三維的高樓。由于第一條路的暢通無(wú)阻和高效，人們對(duì)這條小路并不熱衷。但是，隨著后摩爾定律時(shí)代的到來(lái)，芯片工藝在主路遭遇到了橫眉冷對(duì)的原子而南墻乍起，那么三維封裝這一非主流的方式，現(xiàn)在成為一種全新的武器。Chiplet小芯片開(kāi)始登場(chǎng)。通過(guò)眾多小芯片的相互組合，構(gòu)建出一個(gè)系統(tǒng)級(jí)的大芯片。

這是一種系統(tǒng)思維，實(shí)現(xiàn)各種同構(gòu)和異構(gòu)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(gè)小芯片，都可以看成是某個(gè)軟件的一個(gè)子函數(shù)。這些小芯片，將會(huì)以“軟件程序調(diào)用”的方式，被搬過(guò)來(lái)搬過(guò)去，進(jìn)行組合。這種積木式的搭建方式，本質(zhì)是一種知識(shí)復(fù)用，每個(gè)小芯片都是身懷絕技，經(jīng)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(tǒng)魚(yú)鰭狀的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的崩潰。恰恰相反，通過(guò)小芯片，可以繼續(xù)激發(fā)鰭狀管的極限。二者實(shí)際是互補(bǔ)的路線。每一個(gè)子函數(shù)，仍然需要保證是最優(yōu)算法;每個(gè)小芯片，仍然需要是最優(yōu)制程?！俺侥枴辈⒎鞘谴蛩槟柖闪肀脔鑿?，而是依然要站在摩爾定律高聳的肩膀上才能實(shí)現(xiàn)的超越。

高級(jí)封裝，并非是簡(jiǎn)單封裝的疊加。這不太可能是一個(gè)只由傳統(tǒng)下游封裝制造商所能發(fā)起的戰(zhàn)斗。這注定是從晶圓加工廠的設(shè)計(jì)源頭，所發(fā)起的槍聲。無(wú)論是高級(jí)封裝，還是小芯片，都只能從芯片設(shè)計(jì)出發(fā)。這條路線的基準(zhǔn)，大概率只能由芯片制造商來(lái)推進(jìn)，而不是傳統(tǒng)封裝公司。

原子可以變得愉快起來(lái)。它們習(xí)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(kāi)始多了許多鄰居。然而，它們也正在進(jìn)入一個(gè)大尺寸空間的宏觀世界。熱、電磁、力等各種不相關(guān)的物理疊加效應(yīng)，就像一股越來(lái)越猛的西風(fēng)一樣穿堂而過(guò)，曾經(jīng)可以被忽略的呼嘯聲變得尖利起來(lái)。多物理場(chǎng)效應(yīng)——這一在宏觀尺寸會(huì)表現(xiàn)更明顯的現(xiàn)象，開(kāi)始對(duì)原子新殿堂構(gòu)成極大的威脅。散熱、翹曲等都成為芯片制造的巨大挑戰(zhàn)。

樂(lè)于為原子建造新宮殿的芯片設(shè)計(jì)工程師們，必須拿出應(yīng)付多物理場(chǎng)效應(yīng)的手段。全方位仿真自然是必不可少的工具。而這一點(diǎn)，在航空、機(jī)械、汽車(chē)等工程師們眼里，早已是司空見(jiàn)慣的挑戰(zhàn)。Ansys正是多物理場(chǎng)仿真的領(lǐng)頭羊，它為嫻熟的工程師們提供了得心應(yīng)手的工具。

從最早的力學(xué)起家，Ansys逐漸擴(kuò)大版圖到流體、熱、電磁、光電等物理場(chǎng)。即使在半導(dǎo)體的EDA軟件領(lǐng)域的仿真市場(chǎng)，也已經(jīng)苦心經(jīng)營(yíng)了多年。而當(dāng)前的小芯片，則讓它的多物理場(chǎng)的仿真功能顯得格外耀眼。

新的EDA軟件時(shí)代，已經(jīng)到來(lái)。

遲到的3G，先一步的判斷早在2008年4月，已在機(jī)械制造仿真領(lǐng)域確立了王者地位的Ansys，以5.4億美元的價(jià)格，收購(gòu)了EDA廠商Ansoft，后者在電路板的高頻仿真領(lǐng)域，建立了自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。它的業(yè)界電磁場(chǎng)金標(biāo)準(zhǔn)仿真軟件HFSS，一度占據(jù)了電磁場(chǎng)和射頻電路的80%市場(chǎng)份額。

通過(guò)這次并購(gòu)，Ansys直接進(jìn)入了芯片行業(yè)。然而這次闖進(jìn)半導(dǎo)體，一度被認(rèn)為是一次失敗的收購(gòu)。收購(gòu)之時(shí)還是在股市高點(diǎn)，而兩個(gè)月之后金融危機(jī)不期而至，股市大跌?？雌饋?lái)真是虧本的買(mǎi)賣(mài)。

2008年對(duì)于手機(jī)市場(chǎng)而言，漫長(zhǎng)的2G通訊正在走向它最后的時(shí)光。從1995年，國(guó)內(nèi)就進(jìn)入了2G時(shí)代。除了打電話，短信業(yè)務(wù)開(kāi)始興起。這正是諾基亞漫長(zhǎng)而悠遠(yuǎn)的霸者時(shí)光。2G到3G的過(guò)渡，經(jīng)歷了比人們想象中要長(zhǎng)得多的時(shí)間。到2009年中國(guó)正式頒發(fā)3G牌照，前后經(jīng)歷了14年。相比之下，從3G到4G牌照的頒發(fā)，只用了四年多時(shí)間。

而Ansys就在這個(gè)通訊旋轉(zhuǎn)門(mén)切換的一瞬間，擠進(jìn)了電子行業(yè)的殿堂。2009年開(kāi)始，3G通訊終于拾起上揚(yáng)的曲線，帶來(lái)了整個(gè)電子行業(yè)的繁榮。而在2010年蘋(píng)果iPhone4已經(jīng)開(kāi)始確立了市場(chǎng)地位，芯片開(kāi)始越來(lái)越復(fù)雜。隨著通訊行業(yè)的巨大拉動(dòng)，對(duì)于芯片的高速高頻仿真的要求越來(lái)越多，Ansys對(duì)ANSOFT的收購(gòu)舉動(dòng)，變成了一次提前踩點(diǎn)金不換的先手棋。

系統(tǒng)級(jí)的前夜2011年芯片功率設(shè)計(jì)軟件Apache Design Solutions公司，本來(lái)正處于上市前的靜默期，沒(méi)想到卻被Ansys海底撈月，以3.1億美元收購(gòu)。而此時(shí)Ansys的收入雖然僅為7億美元，但其市值卻達(dá)到60億美元，資本市場(chǎng)對(duì)于該企業(yè)的未來(lái)給予了充分的信任。

而這場(chǎng)收購(gòu)，則源自Ansys對(duì)未來(lái)芯片走向的判斷。

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

芯片上一條線路只有十幾個(gè)到幾百個(gè)原子的寬度。數(shù)億個(gè)門(mén)電路會(huì)分布在狹小的空間，芯片的功耗和靜電都會(huì)成為工程師需要面對(duì)的攔路虎。

然后是封裝，要將微小塵埃般的芯片用封裝保護(hù)起來(lái)，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(yīng)和熱效應(yīng)。

最后是需要通過(guò)電路板將多個(gè)芯片連接起來(lái)，并提供對(duì)外的接口，結(jié)合操作系統(tǒng)和軟件，就構(gòu)成了系統(tǒng)。

Ansys創(chuàng)新地將這三個(gè)部分合起來(lái)考慮它的仿真問(wèn)題，用一體化CPS(Chip-Package-System)的角度來(lái)實(shí)現(xiàn)綜合性能的優(yōu)化。這就是像將時(shí)間快進(jìn)到未來(lái)，在摩爾定律的另一端反向看待芯片發(fā)展所需要的仿真技術(shù)。只有將芯片-封裝-系統(tǒng)這三駕馬車(chē)完美地組合在一起，才能提供更好的芯片。

Ansys已經(jīng)具備了系統(tǒng)級(jí)和封裝級(jí)的仿真軟件，而Apache正是一個(gè)芯片級(jí)的產(chǎn)品。三者貫通，是最好的選擇。而從Apache公司的角度來(lái)看，即使成功上市能帶來(lái)暫時(shí)的技術(shù)領(lǐng)先，但長(zhǎng)期的獨(dú)立性依然是一個(gè)問(wèn)號(hào)。

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(chǎng)的一個(gè)狹窄縫隙里的一條大魚(yú)。它的RedHawk軟件在半導(dǎo)體的功耗設(shè)計(jì)優(yōu)化及芯片供電領(lǐng)域具有舉足輕重的位置。它可以幫助手機(jī)或者筆記本電腦的工程師，輕松實(shí)現(xiàn)省電的需求?？梢哉f(shuō)，RedHawk軟件憑一己之力將低功耗設(shè)計(jì)做成了一個(gè)利基市場(chǎng)的王者，而不是EDA工具上的一個(gè)功能按鈕。它在全球低功耗領(lǐng)域一度占有全球90%的市場(chǎng)，也因此成為臺(tái)積電的金標(biāo)準(zhǔn)。

EDA軟件的一縱與一橫 EDA軟件就好像是芯片發(fā)展的帶刀侍衛(wèi)，但各有分工。

Ansys在芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)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(lǐng)域。而Synopsys、Cadence軟件則更專注于芯片設(shè)計(jì)的流程，完成從構(gòu)架、功能到原理圖和版圖設(shè)計(jì)與驗(yàn)證的過(guò)程。

對(duì)于芯片設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，僅僅完成基本的設(shè)計(jì)驗(yàn)證是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要考慮信號(hào)完整性和電源完整性問(wèn)題，以及芯片發(fā)熱和散熱的熱完整性問(wèn)題，更多的還要有熱形變、熱應(yīng)力和材料特性的結(jié)構(gòu)完整性問(wèn)題等。芯片損壞，往往并非是由于超壓或失誤操作導(dǎo)致。其中的真正殺手是熱，芯片失效有大約四分之三是因?yàn)闊嵩凇皳v鬼”。這正是Ansys解決的問(wèn)題，它為芯片設(shè)計(jì)建立一道防線。

如果拿一架飛機(jī)來(lái)做類比，另外三家EDA軟件主要是在做飛機(jī)的縱向機(jī)體，而飛機(jī)要能平穩(wěn)起飛還需要有橫向的機(jī)翼。這個(gè)機(jī)翼就是Ansys專注的領(lǐng)域。既有設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，人們更容易注意到“一縱”的設(shè)計(jì)，而忽略“一橫”的仿真。EDA軟件最早的鼻祖，是從美國(guó)伯克利分校而來(lái)。但第一款EDA軟件SPICE，其實(shí)就是從仿真開(kāi)始。當(dāng)時(shí)數(shù)百個(gè)晶體管，還是比較容易畫(huà)出來(lái)的。而仿真，則需要更復(fù)雜的偏微分方程求解?？梢哉f(shuō)，EDA軟件從開(kāi)始誕生之日，就帶著強(qiáng)烈的仿真氣味。

EDA軟件曾經(jīng)跟機(jī)械行業(yè)的仿真軟件有了一段時(shí)間的分離，二者看上去似乎是各走各的路。而現(xiàn)在，兩條曾經(jīng)分離的路又開(kāi)始匯聚在一起。

如果拆開(kāi)以前的手機(jī)殼，會(huì)發(fā)現(xiàn)手機(jī)基本是空心的，有些對(duì)方是空蕩蕩的地盤(pán)。而現(xiàn)在的手機(jī)基本是實(shí)心的，因?yàn)楣δ芴喽坏貌蝗麧M了集成電路，幾乎沒(méi)有多余空間。這使得各種干擾、熱傳導(dǎo)等，相互間產(chǎn)生影響，多物理場(chǎng)效應(yīng)的問(wèn)題被直線放大。

手機(jī)的空間太擠了。如果芯片從人的視角去看，它需要拖家?guī)Э?，那么最近十多年它的幸福感一定在急劇下降。因?yàn)樾酒摹叭司臻g”面積越來(lái)越小了。由于手機(jī)的物理尺寸，需要與人手的大小相結(jié)合，單手能操作的尺寸，就是手機(jī)空間的天花板。無(wú)論是熱分析、電磁、高速信號(hào)，還是封裝結(jié)構(gòu)的仿真，都要聯(lián)合上陣，才能應(yīng)付這越來(lái)越擁擠的空間。作為從芯片到封裝，到大系統(tǒng)的全流程仿真解決方案，Ansys能夠幫助設(shè)計(jì)師提前鎖定信心，為每個(gè)空間塞滿了芯片而無(wú)需擔(dān)心會(huì)失效。

小記：小尺寸大宇宙無(wú)論是否有夸張的成分，元宇宙正在呈現(xiàn)出一幅攝人心魄的圖景。在那里，萬(wàn)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(xiě)。元宇宙的核心動(dòng)力來(lái)自芯片，那是原子級(jí)的原力源泉所在。英偉達(dá)正在為元宇宙傾注了全部的心血，它跟Ansys的全面合作，則讓人意識(shí)到，一個(gè)虛擬與現(xiàn)實(shí)相互融合世界之中，仿真所起到的決定性作用。而在小芯片的頂級(jí)制造工藝?yán)?，EDA軟件正在大幅度加強(qiáng)自己的仿真力量。唯有此，超越摩爾定律才能重新真正邁過(guò)門(mén)檻。

審核編輯：湯梓紅