美國從EDA下絆子，3nm工藝關(guān)鍵技術(shù)GAA將與中國無緣？

美國商務(wù)部工業(yè)安全局在近日宣布，將四項新技術(shù)納入出口管制，包括兩大寬帶隙半導(dǎo)體材料（氧化鎵和金剛石）、開發(fā)GAAFET結(jié)構(gòu)集成電路的ECAD軟件、以及生產(chǎn)和開發(fā)燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)或系統(tǒng)的壓力增益燃燒技術(shù)。我們在上一篇文章中已經(jīng)對這四大技術(shù)的出口管制進(jìn)行了分析，本文我們來詳細(xì)講講GAA相關(guān)EDA軟件的限制有何影響。

在美國商業(yè)部工業(yè)安全局給出的這份決定文件中，關(guān)于GAA EDA的條例將直接被添加到“電子類”商業(yè)控制清單中的軟件出口控制中。我們可以通過對比一下位列其中的其他軟件來有個大致認(rèn)知，比如用于算力超過5GFLOPS、擁有32位及以上算數(shù)邏輯單元的信息安全微處理器的控制軟件；用于開發(fā)EUV光刻機(jī)光掩膜或光罩的計算光刻模型；用于讓微處理器、微電路在EMP或ESD干擾后1ms內(nèi)完全恢復(fù)的軟件。

明眼人都能看出，美國對這類軟件的限制明顯是沖著在先進(jìn)技術(shù)和國防安全來的，而GAAFET恰好就是目前最先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)之一。而這類軟件出口管制給出的理由是國家安全和反恐怖主義，鑒于沒有哪個國家位于美國反恐怖主義的清單上，所以就只剩因為國家安全而實施出口管控的國家了，除了北約成員、日韓與新西蘭、澳大利亞得以幸免外，其余國家都被列入了管制范圍內(nèi)。

EDA出口限制意欲為何

在美國《聯(lián)邦公報》刊登決定文件給出的細(xì)則中，對用GAAFET進(jìn)行IC設(shè)計開發(fā)的EDA軟件進(jìn)行了詳細(xì)的說明，美國商務(wù)部工業(yè)安全局指出EDA工具不僅僅用于商用IC的設(shè)計，同樣在軍用和航天航空用的FPGA和ASIC設(shè)計中起到不可或缺的作用。

自從EUV光刻機(jī)斷供以來，國內(nèi)雖然在突破7nm芯片制造上已經(jīng)受阻，但除了華為等被列入實體清單的公司外，仍然有設(shè)計7nm以下芯片并完成流片的能力，比如阿里巴巴的倚天710芯片。從國產(chǎn)GPU、AI芯片和服務(wù)器芯片的發(fā)展趨勢來看，我們已經(jīng)走到了7nm、5nm的路口，未來要想繼續(xù)保持競爭力，只能沿著這個單行道走下去。

而GAAFET技術(shù)是突破3nm及以下工藝的關(guān)鍵技術(shù)，對于已經(jīng)開始限制14nm半導(dǎo)體制造設(shè)備出口的美國來說，此舉無疑是想從設(shè)計和制造兩頭來控制中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的突破。美國其實已經(jīng)在半導(dǎo)體設(shè)計上占據(jù)主導(dǎo)地位，但近年來自中國IC設(shè)計公司的挑戰(zhàn)不斷增加，所以美國開始實施各種出口管制，加上最近簽署的芯片法案，為的就是奪回半導(dǎo)體生產(chǎn)制造的霸主地位，同時又穩(wěn)固自己在設(shè)計上的壟斷性優(yōu)勢。

GAA的重要性與國內(nèi)外EDA廠商差距

GAA作為FinFET結(jié)構(gòu)的繼任者，采用了柵極全環(huán)繞半導(dǎo)體電子導(dǎo)通通道的方式，提供了良好的柵極控制和極佳的擴(kuò)展性，有效抑制了短溝道效應(yīng)，為半導(dǎo)體供應(yīng)進(jìn)入埃米時代奠定了基礎(chǔ)。


業(yè)界也已經(jīng)達(dá)成了共識，GAA技術(shù)用于3nm及后續(xù)工藝已經(jīng)成了定局，確定的廠商有三星、臺積電和英特爾。三星率先在3nm上開始使用GAA技術(shù)，而且已經(jīng)正式開始生產(chǎn)，臺積電將在2nm節(jié)點(diǎn)上跟上這個潮流，英特爾則要等到Intel 20A這個節(jié)點(diǎn)才會使用。雖然其結(jié)構(gòu)叫法可能有所不同，比如納米線、納米片或納米帶等等，但歸根結(jié)底都是GAA技術(shù)，考慮到目前仍在推進(jìn)先進(jìn)工藝的也就這么三家，要想繞過這一技術(shù)來設(shè)計3nm以下的芯片基本不可能了。

鑒于目前國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的芯片設(shè)計流程中，美國EDA廠商的設(shè)計工具依然占據(jù)主導(dǎo)地位，尤其是先進(jìn)工藝的芯片設(shè)計，所以這一出口管制帶來的影響才不可忽視。我們以率先使用GAA技術(shù)的三星為例，三星在今年六月底正式宣布了運(yùn)用GAA技術(shù)的3nm芯片開始生產(chǎn)，三星先進(jìn)代工廠聯(lián)盟的EDA合作伙伴們也紛紛發(fā)來祝賀，包括Ansys、Cadence、西門子EDA和新思，他們已經(jīng)從仿真、驗證、布局上和三星的GAA技術(shù)展開了合作，全面涵蓋了模擬、數(shù)字和混合信號的IC設(shè)計。

早在2020年10月，新思就發(fā)布了3nm GAA的AMS（模擬與混合信號）設(shè)計參考流程，新思和三星對其進(jìn)行合作優(yōu)化，可為使用三星3nm GAA工藝技術(shù)的工程師在先進(jìn)的5G、HPC、AI和IoT應(yīng)用上提供最大化的設(shè)計效率，縮短設(shè)計周期。該流程包括設(shè)計時電遷移分析、實時設(shè)計規(guī)則檢查和新思的IC Validator物理驗證方案。

根據(jù)EDA廠商的看法，從FinFET到GAAFET，其實并不如從平面結(jié)構(gòu)到FinFET那樣翻天覆地的變化，但每個流程節(jié)點(diǎn)都需要進(jìn)行大量的“方法調(diào)整”?？扇缃馟AA相關(guān)的出口管制砸下后，國內(nèi)IC設(shè)計公司要想用上GAA工藝節(jié)點(diǎn)下的全流程EDA軟件工具也就難了，而國內(nèi)EDA廠商目前最多只完成了數(shù)字或模擬一個方向的全流程電路設(shè)計，至于工藝上的進(jìn)展我們可以從招股書中看出。

從華大九天的招股書來看，也只有電路仿真工具支持到了5nm，其他的模擬電路EDA設(shè)計工具還在28nm的水平。從國微思爾芯的招股書來看，其承接的國家級專項研究項目中，目標(biāo)是開發(fā)一套數(shù)字芯片全流程EDA系統(tǒng)，包括布局布線、時序分析、物理驗證、邏輯綜合等工具，且支持16nm工藝，并對10nm工藝有一定支持，根據(jù)招股書中說明的實際執(zhí)行情況來看，主要研究目標(biāo)已經(jīng)完成，正在后續(xù)驗收工作階段。

概倫電子在其招股書中表示其制造類與設(shè)計類EDA工具，均能支持到3nm的先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)和FinFET、FD-SOI半導(dǎo)體工藝，從其技術(shù)水平與特點(diǎn)一欄來看，這里指的主要是器件建模與驗證和電路仿真及驗證EDA工具。廣立微的招股書中也提到，其EDA解決方案已經(jīng)成功應(yīng)用于180nm到3nm的工藝技術(shù)節(jié)點(diǎn)，也已經(jīng)進(jìn)入三星電子的供應(yīng)體系。

由此來看，國內(nèi)EDA廠商在GAA技術(shù)上的積累還是有所缺失的，這也是因為對于三星和臺積電這類先進(jìn)晶圓廠來說，他們在開發(fā)GAA工藝節(jié)點(diǎn)的過程中就與新思、Cadence、西門子EDA這三大EDA廠商緊密合作了，而國內(nèi)EDA廠商往往只能在工藝節(jié)點(diǎn)開發(fā)完成后才能拿到數(shù)據(jù)，然后才能開始PDK相關(guān)的合作與開發(fā)。所以國內(nèi)在這方面的落后，大部分要?dú)w結(jié)于沒有長時間的經(jīng)驗與合作積累。

管制的后續(xù)影響

GAA相關(guān)EDA的出口管制其實和此前對華為、中芯國際的限制在性質(zhì)上并不一樣，這次針對的不再是特定的公司，而是直接從產(chǎn)業(yè)鏈上出發(fā)，對國家進(jìn)行限制。這對于EDA廠商、晶圓廠未來的營收都是一次沉重的打擊，以新思為例，今年第二季度來自中國的營收占比約16.8%，但仍處于一個上漲的趨勢。

顯而易見的是，這一連串的出口管制確實對中國3nm及之后的芯片設(shè)計造成了一定影響，但并沒有封堵所有的可能性。對于GAAFET結(jié)構(gòu)的芯片制造來說，EDA工具只是其中一環(huán)，美國并沒有對三星或臺積電的GAA PDK做出限制，像華大九天、概倫電子、廣立微和鴻芯微納等廠商又是三星和臺積電的EDA合作伙伴。

這樣一來，國內(nèi)EDA廠商若是也開始布局GAAFET的話，依然不會受此限制。而現(xiàn)有的美國EDA廠商在GAA節(jié)點(diǎn)之外的軟件工具，也可以繼續(xù)用下去，當(dāng)然，如果能拿到美國商業(yè)部的許可的話，還是可以繼續(xù)供應(yīng)GAA相關(guān)EDA工具的，但這種可能性幾近微乎其微了。

此外，這一規(guī)定中也提到，EDA軟件常常以模塊和功能授權(quán)的形式來提供，像GAA這樣的特定技術(shù)也必須得通過“專門設(shè)計”來實現(xiàn)。這也是另外三項出口管制即刻生效，而針對EDA的出口管制還要到10月份才會實施的原因，在此之前美國商務(wù)部將征求公眾和行業(yè)意見，確定有哪些特定的軟件特性或功能可以用于設(shè)計GAAFET架構(gòu)的芯片，計劃探討出一個合理的出口管控方式，所以具體如何實施尚未確定下來，但管制是逃不掉了。

這就和EUV光刻機(jī)和華為5G芯片的處境一樣，固然國內(nèi)依然可以購置ASML的DUV光刻機(jī)，但與EUV光刻機(jī)徹底無緣了，而華為也只是可以用上高通的4G移動芯片而已。美國政府并不打算斬斷本國公司在中國的所有盈利來源，但同時也決心隔絕中國有任何在先進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù)上做出突破的契機(jī)。

國產(chǎn)EDA的下一個目標(biāo)

其實大家對于GAA相關(guān)EDA的出口管制也不必太悲觀，首先模擬電路這塊的迭代速度相對較慢，還沒有那么快用上GAA技術(shù)，所以這項舉措影響的主要還是2024年之后的數(shù)字電路設(shè)計。

而國內(nèi)的數(shù)字EDA廠商也已經(jīng)開始行動，支持7nm/5nm的邏輯綜合、仿真驗證技術(shù)均已經(jīng)在研發(fā)階段，再下一步肯定就是3nm之后的節(jié)點(diǎn)了。美國實施的出口管制目前看來還是在“戰(zhàn)未來”，但無疑也為國內(nèi)EDA廠商定下了一個不小的目標(biāo)。