“芯片先進制程的成本正不斷上漲——7nm的設(shè)計成本大約是16nm芯片的三倍，5nm的設(shè)計成本會再次翻倍，節(jié)省成本對半導(dǎo)體公司至關(guān)重要?！?/span>
隨著數(shù)字經(jīng)濟、新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，作為算力和硬科技基礎(chǔ)設(shè)施的半導(dǎo)體在人類社會生活中扮演的角色日益重要，而近年來全球范圍內(nèi)的缺芯現(xiàn)象，以及我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)界普遍重視的芯片關(guān)鍵技術(shù)、設(shè)備遭“卡脖子”的問題，半導(dǎo)體領(lǐng)域的一些前沿技術(shù)再次被推到輿論關(guān)注的風(fēng)口浪尖。
《芯片設(shè)計國家隊來了，它能把掐著華為脖子的那只黑手推開么?》一文詳細論述了我國芯片領(lǐng)域被“卡脖子”的典型代表——被譽為“芯片設(shè)計之母”的EDA產(chǎn)業(yè)，并結(jié)合當(dāng)時6月正式進入上市流程的我國EDA企業(yè)華大九天和概倫電子，淺析了我國EDA產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀以及當(dāng)下面臨的挑戰(zhàn)。
如今，人類已跨入人工智能時代，包括BAT在內(nèi)的各大互聯(lián)網(wǎng)公司都有了自家的AI芯片，而AI也通常被視為國內(nèi)自主設(shè)計芯片的亮點。確實人工智能技術(shù)已開始在越來越多基礎(chǔ)設(shè)施場景上落地應(yīng)用，為了跟上時代風(fēng)口，更為了提高芯片設(shè)計的生產(chǎn)力和優(yōu)化芯片設(shè)計過程，已有不少EDA公司將目光投向人工智能技術(shù)，期待AI能讓EDA繼續(xù)進化。
那么，相比于過去的方式，如今在EDA中引入AI有哪些優(yōu)勢？在EDA中引入AI會是初創(chuàng)EDA公司彎道超車、成熟EDA公司加速發(fā)展的一個機遇嗎？目前，EDA業(yè)界在AI工具利用上的進程如何？想要通過引入AI來加快EDA公司的發(fā)展，這其中的難點又在哪里呢？
EDA中的EDA

EDA，Electronic Design Automation，電子設(shè)計自動化，EDA能被譽為“芯片設(shè)計之母”，是因為EDA的誕生讓芯片設(shè)計的難度大大降低、芯片設(shè)計的成本驚人的減少，可以說EDA產(chǎn)生的過程就是為了提高芯片設(shè)計的效率（時間、良率）。
過去，設(shè)計人員必須手工完成芯片的設(shè)計和布線，可隨著芯片制程越來越先進，其內(nèi)部的復(fù)雜程度也呈幾何級增長，這對IC設(shè)計人員來說，不管是工作量還是工作難度都在與日俱增，這就客觀要求IC設(shè)計人員利用輔助性工具來解決這個問題，EDA由此產(chǎn)生。
具體來說，EDA是指利用計算機輔助設(shè)計軟件，完成超大規(guī)模集成電路芯片的功能設(shè)計、綜合、驗證、物理設(shè)計等流程的設(shè)計方式，它能使芯片設(shè)計的效率得到數(shù)百倍的提升，也因為EDA工具的日臻完善，從而大大減少了芯片設(shè)計公司流片失敗的概率。
過去數(shù)十年，EDA一直在提高半導(dǎo)體設(shè)計的生產(chǎn)效率。隨著摩爾定律的前行，先進芯片的制程變得越來越小，同樣大小芯片中的晶體管數(shù)量變得越來越多，5nm芯片可以實現(xiàn)在指甲蓋大小的面積上集成數(shù)百億顆晶體管，芯片上的單個功能部件更是微小到只有幾納米，當(dāng)芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得愈加復(fù)雜，這就客觀要求EDA工具也能伴隨摩爾定律的演進，進化成更快更強的EDA。

傳統(tǒng)的物理設(shè)計空間探索需要許多工程師數(shù)個月才能完成。來源：新思科技

隨著半導(dǎo)體應(yīng)用的更加廣泛，芯片設(shè)計企業(yè)也迫切需要一款更快更強的EDA軟件來縮短芯片設(shè)計流程。云岫資本李俊超博士對品玩表示：“現(xiàn)在的EDA軟件要做一個設(shè)計其實要跑挺長時間的，如今芯片越來越復(fù)雜，可能要跑幾天時間才能做完一個，所以大家對整個設(shè)計效率提高有很大的需求，如果跑一個工具只需要兩三個小時那肯定更好，這就需要引入AI來提高效率。”
EDA公司新思科技對品玩表示，在EDA中引入AI將在芯片生產(chǎn)流程中的三個決定性要素上發(fā)揮作用：“一是芯片的性能；二是設(shè)計這樣性能的芯片所需要的設(shè)計過程；三是在相同的時間內(nèi)設(shè)計出同樣性能的芯片所需的人力和物力。在EDA中引入AI將對這三方面都有所幫助。”
AI具體是如何通過EDA在芯片設(shè)計階段發(fā)揮作用的呢？李俊超表示：“不是讓機器來將所有可能性都窮舉完，引入AI是讓機器篩選出一條捷徑，然后設(shè)計人員在這條路的附近再尋找最優(yōu)解，其效率就會大大提高。這是一個大家普遍看到的趨勢，具體在哪些環(huán)節(jié)通過什么方法去實現(xiàn)，各家都有不同選擇?！?/span>
這意味著相對于傳統(tǒng)芯片設(shè)計工作流程中很難被利用到極限的PPA（Performance性能、Power功耗、Area尺寸）架構(gòu)，在芯片設(shè)計流程中引入AI可以在數(shù)據(jù)快速提取模型、布局和布線、電路仿真模型、性能、功耗、面積（PPA）的優(yōu)化決策、局部優(yōu)化建模等多方面提供多個流程的優(yōu)化。
可以說如今的AI正在扮演過去EDA的角色——縮短芯片設(shè)計時間、更快實現(xiàn)PPA目標。
國內(nèi)外EDA企業(yè)的AI路徑

人工智能的引入確實已成為EDA業(yè)界的一股浪潮，包括EDA三巨頭在內(nèi)的各大公司已進入這個戰(zhàn)場。國際EDA三巨頭即為新思科技、Cadence和西門子EDA，三巨頭能夠提供全套的芯片設(shè)計EDA 解決方案，根據(jù)賽迪智庫數(shù)據(jù)，2020年國內(nèi)EDA市場銷售額約80%由國際三巨頭占據(jù)，三大EDA廠商在AI領(lǐng)域的動作可以視為整個行業(yè)的風(fēng)向標。
新思科技總裁兼聯(lián)席首席執(zhí)行官陳志寬博士曾在Hot Chips 2021 主題演講中表示：“現(xiàn)在每個垂直市場都在投資人工智能，以變得更聰明、更高效、更有效?！彼f，“人工智能可以設(shè)計芯片嗎？答案是肯定的。”新思科技宣布其新一代集成人工智能技術(shù)的電子自動化設(shè)計工具DSO.ai平臺，通過引入人工智能，芯片設(shè)計中不需要去完整模擬10的9萬次方種可能布局，機器可以智能化篩選，不僅可以做到研發(fā)成本減半，時間甚至也可以從24個月減少到2周，主要優(yōu)勢包括降低開發(fā)成本、縮短投放市場的時間、提升性能、增加良率等。
楷登電子全球 AI 研發(fā)中心高級 AI 研發(fā)總監(jiān)丁渭濱則表示AI在EDA中的應(yīng)用可以從兩方面來看：Inside注重于EDA工具本身，力圖讓EDA自身更智能，使用戶獲得更好的PPA和更快的引擎，從而提升測試和診斷性能表現(xiàn)；Outside則注重于人，讓機器通過學(xué)習(xí)的方式積累經(jīng)驗，減少人工干預(yù)，極大地釋放生產(chǎn)力?？请娮右言诮衲昶咴峦瞥?Cadence Cerebrus Intelligent Chip Explorer這款基于機器學(xué)習(xí)（ML）的設(shè)計工具。
另一EDA巨頭西門子ED則在2019年5月就推出了人工智能/機器學(xué)習(xí) (AI/ML) 開發(fā)套件，為其Calibre設(shè)計平臺添加了AI/ML功能。
國內(nèi)EDA公司同樣注意到了人工智能的機遇，如國產(chǎn)EDA智能軟件和系統(tǒng)創(chuàng)企芯華章針對芯片設(shè)計難、人才少、設(shè)計周期長、設(shè)計成本高企的問題，發(fā)布了《EDA 2.0白皮書》。芯華章認為在EDA 2.0時代，“EDA2.0的目標是要從現(xiàn)有的EDA1.0過程中大幅減少芯片架構(gòu)探索、設(shè)計、驗證、布局布線等工作中的人力占比，將過去的設(shè)計經(jīng)驗和數(shù)據(jù)吸收到EDA工具中，形成智能化的EDA設(shè)計?！?。
《EDA 2.0白皮書》從智能化的設(shè)計需求分析、智能化的芯片架構(gòu)探索、智能化的設(shè)計生成、智能化的物理設(shè)計等四個方面介紹了人工智能未來將在EDA上扮演的角色，芯華章強調(diào)：“基于強化學(xué)習(xí)之類的機器學(xué)習(xí)算法，可以縮小巨大的探索空間，節(jié)省智能物理設(shè)計所需要的算力和時間，最終目標是依靠人工智能和自動化流程實現(xiàn)布局布線和后端驗證?！?/span>
雖然，我國EDA企業(yè)也已注意到了未來人工智能化的趨勢，但若要邁入所謂“EDA 2.0時代”仍有一些“老問題”需要解決。
芯片產(chǎn)業(yè)環(huán)環(huán)相扣，EDA工具與下游芯片制造工藝同樣關(guān)系緊密。EDA工具仿真的結(jié)果與芯片制造企業(yè)的具體工藝細節(jié)息息相關(guān)，這就需要將理論模型與工藝結(jié)果之間相互驗證，當(dāng)晶圓代工廠開發(fā)新的工藝，EDA 工具軟件廠商就需要獲得代工廠新工藝的相關(guān)數(shù)據(jù)，基于此來開發(fā)新的版本。
因此，EDA工具軟件要支持最先進工藝節(jié)點，就必須與代工廠保持緊密合作，根據(jù)代工廠的工藝特點開發(fā)相應(yīng)的算法和模型，在這一過程中實現(xiàn)自身產(chǎn)品和技術(shù)的進步，國際三大EDA龍頭企業(yè)的成長都伴隨著與全球各大芯片廠商的密切交流?？梢哉f，未來我國晶圓代工廠的先進制程能力決定了我國EDA工具軟件的先進程度。
這在EDA企業(yè)的AI應(yīng)用上同樣重要，EDA的AI化、ML（機器學(xué)習(xí)）化，必然是以大量可標注的高質(zhì)量數(shù)據(jù)和案例作為基礎(chǔ)才可能實現(xiàn)，而現(xiàn)在中國的EDA產(chǎn)業(yè)處于才剛剛蓬勃興起的階段，這意味國內(nèi)EDA公司要發(fā)展AI獲得高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，必須與芯片設(shè)計廠商、晶圓廠商通力合作，這無疑是一個挑戰(zhàn)。
當(dāng)然，這并不意味著國內(nèi)EDA公司毫無機會。李俊超表示：“對于這些老牌公司來說，現(xiàn)在做AI可能也不輕松，而國內(nèi)的一些初創(chuàng)公司來說可能是機遇更大，大公司需要在它原有幾萬行幾十萬行的代碼里面插入AI的算法，這個工作量其實也很大，但是對于一個新公司從頭開始設(shè)計的時候，就把AI考慮在內(nèi)的話，或許整個實現(xiàn)起來會更簡單?！?/span>
同時，現(xiàn)階段即便對領(lǐng)先的EDA公司而言，AI技術(shù)也不能作為EDA行業(yè)發(fā)展的萬能解****。新思科技對品玩表示：“目前人工智能驅(qū)動的芯片設(shè)計還不具備完全自主決策的能力。芯片設(shè)計流程的復(fù)雜性要求每一個步驟都必須得到最佳結(jié)果，否則便會面臨流片失敗的巨大損失。因此，在這些流程中，需要有經(jīng)驗豐富的工程師掌控全局，來確保AI跑出的結(jié)果是合理有效的?！?/span>
因此，AI雖然開始在EDA領(lǐng)域扮演更加重要的角色，但EDA企業(yè)以及芯片設(shè)計公司在實際AI的應(yīng)用過程中仍需不少專業(yè)技術(shù)人員來作為支撐，可以說想要在AI領(lǐng)域走得更遠，企業(yè)本身的人才、技術(shù)底蘊仍是關(guān)鍵，這也決定了對國內(nèi)的芯片公司來說，想要抓住AI加速的契機還得憑硬本事。