高校如何快速培養(yǎng)EDA研發(fā)人員

1.EDA高?？蒲腥绾闻c產(chǎn)業(yè)結(jié)合？

我在大學(xué)本科期間從事EDA開發(fā)大約有1年半的時間，是從1992年底到1994年本科畢業(yè)，主要從事的方向是：寄生參數(shù)提取的二維場求解器。從1994年到1999年初，攻讀博士4年半期間主要從事的研發(fā)工作是寄生參數(shù)提取的三維場求解器領(lǐng)域。在高校從事EDA軟件研發(fā)的時間合計6年。

我們實驗室當(dāng)時的研發(fā)與工業(yè)界的聯(lián)系比較緊密，做出的EDA軟件比較接近實用化。我們在學(xué)校研發(fā)中大約有一半的時間是在調(diào)試工業(yè)界的實用化例子，需要不停地優(yōu)化和修改程序，滿足工業(yè)界的需求。當(dāng)時產(chǎn)品原型開發(fā)出來后，給EDA公司試用，經(jīng)過其測試效果不錯。后來我們實驗室基于該軟件與EDA公司簽署了合作協(xié)議。由于我當(dāng)時還是學(xué)生，對商業(yè)協(xié)議不太理解，就記得對一個數(shù)字耿耿于懷，即：我們實驗室研發(fā)出來的寄生參數(shù)提取工具軟件，嵌入該EDA公司的流程進行銷售，協(xié)議中規(guī)定，產(chǎn)品銷售的2%給我們學(xué)校，其余的98%歸EDA公司。當(dāng)時不太理解：為什么我們辛辛苦苦研發(fā)只能得到2%的收益？

事后我在工業(yè)界從事多年，才逐漸理解到：這個協(xié)議是一個很好的產(chǎn)學(xué)研利益捆綁的協(xié)議。其中軟件銷售提成的比例并不重要，重要的是把學(xué)校和EDA公司進行了很好的利益捆綁，學(xué)校只有把軟件產(chǎn)品做得很好，才能獲得銷售提成，這些經(jīng)費可以支持學(xué)校繼續(xù)進行深入研發(fā)。

反觀國內(nèi)一些常見的高校與公司合作模式，一般是EDA公司提供研發(fā)經(jīng)費后，高校把軟件產(chǎn)品原型提供給EDA公司，但是后續(xù)的支持和服務(wù)都由EDA公司來做。由于EDA公司對高校開發(fā)的軟件產(chǎn)品細節(jié)不是很了解，客戶的需求很難及時滿足，導(dǎo)致高校的研發(fā)成果逐步淡化，不再被工業(yè)界接受。

如果是軟件銷售提成的模式，由于EDA公司銷售額越高，高校的提成額也越高，因此當(dāng)軟件產(chǎn)品遇到問題需要優(yōu)化和修改時，高校就會很積極去響應(yīng)EDA公司的需求，繼續(xù)進行實用化完善，滿足工業(yè)界需求，從而推動高校的科研成果轉(zhuǎn)化。

因此，把EDA公司與高校的關(guān)系從甲方、乙方的博弈關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)槔胬夑P(guān)系，是促進國內(nèi)EDA高校研發(fā)產(chǎn)業(yè)化的重要舉措。利益捆綁有兩種途徑：第一是銷售提成模式，第二是股權(quán)合作模式。

最近我們在股權(quán)合作模式方面有一個新的探索，2019年我們公司入股一家新成立的EDA公司，該公司是專門從事寄生參數(shù)提取軟件研發(fā)的公司，其中高校的知識產(chǎn)權(quán)入股大約三分之一左右。高校把其寄生參數(shù)提取最新研究成果的知識產(chǎn)權(quán)全部注入到該公司。公司成立后，在進行大量例子測試中發(fā)現(xiàn)的軟件問題，高?？偸菚峁┘皶r的修改和優(yōu)化，滿足工具快速迭代開發(fā)的需求。這其中很重要的原因是：由于股權(quán)的利益捆綁，高校有很大的動力從產(chǎn)品實用化中獲得利益。如果采用雙方簽署勞務(wù)合同的模式，則由于很難界定軟件中bug的責(zé)任，公司與高校就會陷于爭執(zhí)中，無法進行高效的合作。

總結(jié)：國內(nèi)高校從事EDA科研的單位應(yīng)該立足于與產(chǎn)業(yè)結(jié)合，把核心算法盡量產(chǎn)業(yè)化，產(chǎn)業(yè)化的思路是：與國內(nèi)EDA公司合作進行軟件銷售提成合作或者股權(quán)作價入股。不建議采用高校一次性把源程序賣給EDA公司的模式。

不過，目前國內(nèi)從事EDA研發(fā)的高校大多數(shù)還是以學(xué)術(shù)研究為主，沒有把產(chǎn)業(yè)化作為其研發(fā)的主要目標(biāo)，這個現(xiàn)狀對國內(nèi)EDA產(chǎn)業(yè)的總體發(fā)展有一定影響，需要國內(nèi)高校研究人員進一步思考。

2.EDA研發(fā)長期堅持的重要性

1999年高校畢業(yè)后，我加入了國內(nèi)一家從事EDA軟件研發(fā)的公司。從1999年到2009年，我在該公司從事EDA研發(fā)10年。這期間，公司研發(fā)人員徘徊在二三十人，開發(fā)的核心產(chǎn)品有6個：

Layout Editor（版圖編輯工具），

Schematic Editor（原理圖編輯工具），

DRC （版圖設(shè)計規(guī)則檢查），

LVS（版圖與原理圖一致性比較），

PE（寄生參數(shù)提取工具），

Verilog-AMS仿真工具（后擴展為spice仿真工具）。

我主要從事DRC/LVS/PE的3個產(chǎn)品開發(fā)。

以上6個工具可以歸納為3項核心技術(shù)，即：

1.版圖處理技術(shù)（應(yīng)用產(chǎn)品是當(dāng)時開發(fā)的通用Layout Editor，超大規(guī)模Layout Editor，DRC工具，LVS工具）2.RC提取技術(shù)（應(yīng)用產(chǎn)品是當(dāng)時開發(fā)的PE準(zhǔn)三維提取工具）3.電路仿真技術(shù)（應(yīng)用產(chǎn)品是當(dāng)時開發(fā)的Verilog-AMS工具和spice仿真工具）。

事實上，以上3個核心技術(shù)不僅在1999年到2009年是公司的EDA核心算法，也是公司從1986年成立以來不斷投入多年研發(fā)出來的最關(guān)鍵技術(shù)，同時還是公司2009后產(chǎn)品更新?lián)Q代不斷升級的技術(shù)基礎(chǔ)。這3個核心技術(shù)可以說奠定了公司EDA的基礎(chǔ)。

從公司EDA具體產(chǎn)品開發(fā)的時間長度分析，層次式（hierarchical）版圖DRC工具和LVS工具從2002年就開始進行研發(fā)，一致持續(xù)到2020年產(chǎn)品不斷升級換代，前后持續(xù)了18年。如果把層次式的定語去掉， 基于打散（flatten）的DRC工具和LVS工具的技術(shù)研發(fā)可以更早追溯到1995年左右，該項技術(shù)的積累長達25年以上。從這個時間跨度數(shù)據(jù)，我們可以看到，要開發(fā)一項EDA的核心產(chǎn)品，不是短短的幾年時間就可以一蹴而就的，需要長達十幾年的技術(shù)積累與迭代進步。

公司的另外一個產(chǎn)品寄生參數(shù)提取工具是從1999年就開始開發(fā)的，如果要追溯該項技術(shù)的最原始出處，是清華大學(xué)從1991年開始就進行寄生參數(shù)提取的基礎(chǔ)技術(shù)研究，后來初步進行產(chǎn)品實用化研究?？梢?，該項技術(shù)也有長達二十多年的技術(shù)積累。

另外一項技術(shù)spice仿真技術(shù)最早源于Verilog-AMS的仿真工具研發(fā)，從2003年起進行研發(fā)隊伍的組建和原型的開發(fā)，一直持續(xù)進行與仿真相關(guān)的算法的研究和改進。曾經(jīng)有一段時間，也有部分人員覺得該項目很難盈利，是否要放棄該項目了？我們最終還是堅持把這個技術(shù)保留下來，其中促使我下決心一定要把它堅持下來的一個原因是：有一次與一個重要客戶交流，客戶說：spice仿真是模擬電路中一個十分fundamental的技術(shù)，如果缺了spice 仿真，對全流程不利。從上面分析可以看到，公司在spice仿真方面的積累從2003年算起，也有接近20年的歷史了。

我在該公司的10年中（1999年到2009年），當(dāng)時幾個產(chǎn)品在商業(yè)上還不太成功。不太成功的標(biāo)志是：無法與主流EDA工具進行正面競爭，在功能和性能上有差距。當(dāng)時國內(nèi)EDA產(chǎn)業(yè)的環(huán)境與目前差別很大，當(dāng)時的現(xiàn)狀是：做出的EDA工具必須比主流EDA工具要好，并且要明顯地好，才可能有市場空間。而目前國內(nèi)EDA產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀是：首先解決EDA工具的有無問題，其次再解決好與更好的問題。相對來講，目前國內(nèi)EDA產(chǎn)業(yè)的需求對EDA公司的商業(yè)化成功更加友好。有時候，我甚至猜想：如果把今天國內(nèi)EDA產(chǎn)業(yè)環(huán)境提前10年，也許我們當(dāng)年開發(fā)EDA就不會那么痛苦了。

由于在技術(shù)上與國外主流EDA工具有差距，因此當(dāng)時我們的EDA業(yè)務(wù)在商業(yè)上很困難，產(chǎn)品很難銷售。當(dāng)時我們EDA業(yè)務(wù)的參與人員都感到十分痛苦，幾乎看不到希望。痛苦主要表現(xiàn)在：無論自己如何再努力，做出的產(chǎn)品總是無法在商業(yè)上成功。

事后過了10年，我反思當(dāng)時自己的工作，應(yīng)該講雖然商業(yè)上不太成功，但是在技術(shù)上的積累還是有一定價值的。最重要的作用是通過做3個核心技術(shù)的研發(fā)，保留了一只30多人的研發(fā)團隊，這30多人對3個核心技術(shù)的掌握程度雖然不能與國際一流EDA公司的研發(fā)技術(shù)相比，但是為今后努力進行技術(shù)突破奠定了基礎(chǔ)。我離開該公司后的十年內(nèi)，該公司相繼在這些核心技術(shù)上有了較大突破，也獲得了部分商業(yè)成功，其中的許多核心開發(fā)人員都是經(jīng)歷過當(dāng)年十分痛苦的階段但是卻始終堅持不放棄，從而看到了成功的希望。

總結(jié)：從事EDA核心產(chǎn)品開發(fā)，需要長達10年以上的積累才能逐步獲得商業(yè)的成功，我加入的第一家EDA公司從1986年開始到現(xiàn)在有長達30年以上的技術(shù)研發(fā)，才一步步獲得了技術(shù)上和商業(yè)上的部分成功。期間曾經(jīng)經(jīng)歷了外人不知的十分痛苦的階段，有多次萌生放棄EDA業(yè)務(wù)的念頭但是都堅持下來了。國內(nèi)其它比較成功的EDA公司也同樣都有多年的技術(shù)積累，要想在一兩年內(nèi)獲得EDA產(chǎn)品的開發(fā)成功是很難的。

3.高校如何快速培養(yǎng)EDA研發(fā)人員

我們知道，目前國內(nèi)EDA公司招聘合適的EDA研發(fā)人員比較困難，高校該如何加速培養(yǎng)EDA工程性研發(fā)人員呢？

前面提到，我在本科畢業(yè)一年半前開始進入EDA領(lǐng)域，本科期間花了一年半的時間做EDA學(xué)科的畢業(yè)設(shè)計課題。當(dāng)時我們學(xué)校本科是5年制，因此從三年級下半學(xué)期到五年級有比較長的時間可以從事課題研發(fā)。

我本科剛剛開始接觸EDA學(xué)科時，研究領(lǐng)域是寄生參數(shù)提取的算法研究。由于之前對此一無所知，導(dǎo)師給我安排的是：首先自學(xué)一本《偏微分方程數(shù)值解法》的教材。為什么一上來就要學(xué)這個教材呢？因為寄生參數(shù)提取的本質(zhì)就是求解靜電場的拉普拉斯方程，這是偏微分方程的典型應(yīng)用。只有把偏微分方程的求解原理理解清楚了，才能真正進入該領(lǐng)域。我大概花了一個月左右的時間把這本數(shù)學(xué)教材看完了，看完后總的感覺就是一知半解，由于本科專業(yè)是計算機科學(xué)，并不是數(shù)學(xué)專業(yè)，因此對其中很多的數(shù)學(xué)公式和數(shù)學(xué)變換都理解不深。遇到這個情況，下一步該如何應(yīng)對呢？是繼續(xù)花一段時間把這本教材理解透徹再進行工程實踐呢？還是在實踐中反過來促使理論水平的提高呢？

我當(dāng)時的實際操作是：先實踐后理論。先仔細閱讀實驗室的前輩已經(jīng)開發(fā)出的基本算法原理和程序，再分析和閱讀中逐步理解其本質(zhì)。直接邊界元素法是我們導(dǎo)師率先在國際上提出的求解寄生電阻和電容的領(lǐng)先方案，起初采用二維的常數(shù)元邊界元素法進行寄生參數(shù)提取，為了進一步提高精度，需要把常數(shù)元提高到線性元或者更高精度的二次元等。我的本科畢業(yè)設(shè)計課題就是：針對任意形狀的二維圖形，采用邊界元素法計算出任意兩個terminal之間的電阻值。測試用例是一個典型的圓環(huán)器件，采用邊界元素法計算出外環(huán)邊到內(nèi)環(huán)邊的電阻。針對這種典型的圓環(huán)器件，理論上有一個精確公式，要求采用邊界元素法的數(shù)值求解方法的精度與理論值誤差在1%以內(nèi)。

該如何提高計算精度呢？理論上，如果每個離散化區(qū)間內(nèi)的多項式次數(shù)越高，邊界元素法達到的精度越高。但是，如果采用高次插值策略，會帶來數(shù)值求解穩(wěn)定性的問題。因此，我當(dāng)時想到了曾經(jīng)學(xué)習(xí)過的樣條函數(shù)插值策略，樣條函數(shù)插值的好處是：不僅在兩個區(qū)間的交界處連續(xù)，而且在交界處的導(dǎo)數(shù)也是連續(xù)的，可以有效避免穩(wěn)定性的問題。我把這個策略與導(dǎo)師交流后，導(dǎo)師認為想法不錯，不過，為了能更好地提高效率和精度，建議我再考慮一下還有哪些更好的策略。

我經(jīng)過仔細思考，在樣條函數(shù)的基礎(chǔ)上，又進一步提出了“圓弧樣條插值”的策略，在函數(shù)多項式次數(shù)不高（2次）的條件下，可以更好地模擬任意形狀的二維結(jié)構(gòu)。該策略得到了導(dǎo)師的認可，建議可以基于該思路進行編程實現(xiàn)。

要把一套復(fù)雜的偏微分方程數(shù)值求解實現(xiàn)，針對剛剛從事EDA研究的我來說，還是有一定難度的，其主要實現(xiàn)過程有3個難點：第一是復(fù)雜二維圖形結(jié)構(gòu)的幾何離散化，第二是根據(jù)邊界元素法的原理計算線性方程組的系數(shù)，第三是求解大型線性方程組。這3點其實也奠定了我今后博士期間從事三維寄生參數(shù)提取的基礎(chǔ)，只有把這個步驟理解透徹了，才能真正掌握邊界元素法的本質(zhì)。

理解了上述3個難點后，開始編程實現(xiàn)，然后進行調(diào)試分析。編程實現(xiàn)和調(diào)試總計花了半年左右的時間。這個時間事后來看是顯得比較長了，但是當(dāng)時是我第一次接觸邊界元素法，理解起來確實很有難度，而且又提出了圓弧樣條的新策略，在一個本來理解比較困難的算法上添加了自己提出的新策略，編程實現(xiàn)確實需要花一定時間。這個時間主要不在于程序量的多少，而是有些步驟的不好理解。

該策略實現(xiàn)后，經(jīng)過測試，針對典型的圓環(huán)器件，理論值與采用數(shù)值離散方法實現(xiàn)的值誤差為1e-6，比預(yù)期的1%精度高了很多，這個有些出乎我的意料。我原來對能否達到1%這個指標(biāo)都沒有信心，沒想到精度超出了預(yù)期。主要原因就是：我提出的采用圓弧樣條策略剛好符合了圓環(huán)的幾何特征，因此精度較高。不過，在畢業(yè)設(shè)計期間，有很長一段時間，我一直提心吊膽，到底實現(xiàn)策略是否能達到預(yù)期？在程序沒有實現(xiàn)之前，心里一點底都沒有，甚至擔(dān)心萬一結(jié)果做不出來怎么辦，畢竟，在實現(xiàn)中有多個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，任何一個環(huán)節(jié)只要有一點理解不對，它的結(jié)果就會差十萬八千里。而且，要分析錯在哪里比較困難，因為數(shù)值計算程序的中間運行數(shù)據(jù)是沒有具體判斷標(biāo)準(zhǔn)的，一旦最終的結(jié)果錯了，要一步步去推導(dǎo)到底是哪步錯了比較困難。

經(jīng)過1年半在EDA領(lǐng)域的學(xué)習(xí)，我開始對EDA學(xué)科有了一個初步認識，它是一門交叉學(xué)科：需要用到計算數(shù)學(xué)、微電子學(xué)、物理學(xué)、計算機科學(xué)等多門學(xué)科的知識。本科畢業(yè)時，我并沒有思考：這個一年半的本科課題研究時間到底是否合理？我當(dāng)時覺得自己投入了幾乎100%的時間從事該項目研發(fā)，似乎用一年半時間做這樣一個課題達到了預(yù)期效果已經(jīng)很不錯了，難道還有哪些不足嗎？

多年后，我再去回顧這個過程，覺得花費一年半的時間有些長了。在本科的一年半時間中，如果能夠每半年做一個課題和大作業(yè)。那么一年半時間就可以做出3個課題，這3個課題最好是3個不同的領(lǐng)域，而不是在一個領(lǐng)域做3個不同方法的研究。也就是說，在本科期間可以盡可能地提高知識的廣度，還不急于在深度上下功夫。我當(dāng)時是在深度上下功夫較多，為了能夠使得計算精度和計算效率足夠好，花了很多時間進行優(yōu)化，雖然對個人的創(chuàng)新性培養(yǎng)大有好處，但是從全局領(lǐng)域看，如果EDA學(xué)科都按照這個模式培養(yǎng)人才，人才培訓(xùn)速度不夠，無法滿足國內(nèi)EDA產(chǎn)業(yè)的快速補充人才缺口的需求。

因此，如果現(xiàn)在讓我回到高校去培養(yǎng)本科生的EDA人才，我會采取與我當(dāng)初不同的模式，給同一個學(xué)生布置多個不同的課題，每個課題給定一個完成時間節(jié)點，在時間約束條件下，完成各個不同的課題。比如，如果還是從事寄生參數(shù)提取，還是一年半的時間。我會給學(xué)生3個不同課題：第一，用邊界元素法實現(xiàn)單個結(jié)構(gòu)的寄生電容提取，用常數(shù)元即可，不要求用高次元。第二：把數(shù)值求解的方法與工業(yè)界用的準(zhǔn)三維查表法結(jié)合起來，實現(xiàn)一個針對大規(guī)模數(shù)據(jù)的寄生參數(shù)提取原型。第三：把芯片器件結(jié)點提取的LVS流程與寄生參數(shù)提取流程結(jié)合起來，實現(xiàn)從gds到網(wǎng)表的全流程提取。

這個要求有些高，要在短短的一年半時間內(nèi)實現(xiàn)上述需求，是否達不到呢？關(guān)鍵問題是：每個課題的指標(biāo)都是要求做出原型，不要求實用化，只要學(xué)生理解原理，對最基本的測試用例可以通過，就算完成指標(biāo)。

針對碩士生的EDA培養(yǎng)，我的建議是：該專業(yè)的3年學(xué)習(xí)時間，分解為6個學(xué)期，要求學(xué)生每個學(xué)期的主要任務(wù)就是完成一個大作業(yè)，開發(fā)一個特定的EDA工具原型。比如：第一學(xué)期：要求學(xué)生開發(fā)一個DRC工具簡化功能原型，第二學(xué)期，要求學(xué)生開發(fā)一個LVS工具簡化功能原型，第三學(xué)期，要求學(xué)生開發(fā)一個RC Extraction簡化功能原型，第四學(xué)期，要求學(xué)生開發(fā)一個SPICE工具簡化功能原型，第五學(xué)期，要求開發(fā)一個Layout Editor簡化功能原型，第六學(xué)期，要求學(xué)生開發(fā)一個Analog Router簡化功能原型。

上述6個小工具，如果全部串起來，就是一個典型的模擬電路全流程設(shè)計設(shè)計工具原型。雖然學(xué)生開發(fā)出的工具原型與商業(yè)化的EDA工具有很大差距，但是通過每個大作業(yè)的實習(xí)，他把該領(lǐng)域內(nèi)的關(guān)鍵問題都有了清晰的了解，知道在哪些方面存在不足，將來他加入EDA企業(yè)后，如果繼續(xù)從事該領(lǐng)域的開發(fā)，就會快速入手，提升EDA企業(yè)的研發(fā)水平。同時，也不排除某些出色的學(xué)生在從事大作業(yè)開發(fā)時，提出了一個很好的思路，實現(xiàn)的工具原型水平很高，將來可以把某些思路應(yīng)用到EDA企業(yè)中。

假設(shè)國內(nèi)有10個高校開設(shè)類似的專業(yè)，每個專業(yè)每年培養(yǎng)10名類似的人才，則一年累計培養(yǎng)100名研發(fā)人員，5年左右就可以填補該領(lǐng)域在國內(nèi)EDA產(chǎn)業(yè)的人才缺口。

那么，這些研究生的指導(dǎo)教師從哪里來？除了目前國內(nèi)高校的EDA教師外，還需要再補充一些兼職指導(dǎo)教師，從國內(nèi)的EDA企業(yè)中選擇研發(fā)能力強的工程師作為高校的兼職指導(dǎo)教師，指導(dǎo)研究生從工業(yè)界的應(yīng)用出發(fā)，更符合產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的需求。 這種培養(yǎng)方式強調(diào)了廣度，沒有強調(diào)深度，與傳統(tǒng)人才培養(yǎng)的模式不一樣，主要目標(biāo)是：為了應(yīng)對國內(nèi)EDA人才短期內(nèi)需要批量快速培養(yǎng)的目標(biāo)。因此，它是一個應(yīng)急的策略，不是一個持久的策略。