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来认识一下EDA软件“四大金刚”
送交者: 我在枫林中哭泣[♀☆★★★女中豪杰★★★☆♀] 于 2022-11-17 15:12 已读 3301 次 2 赞  

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EDA软件“四大金刚”



芯片进入大规模生产之前,需要进行“试生产”,也就是流片,对完成的设计电路先生产几片、几十片。流片是一个极其昂贵的过程。



在14纳米制程的时代,流片一次的费用大约需要300万美元。而到了7纳米,流片费用则要高达3000万美元。为了防止冒失的浪费,需要通过电子设计自动化(EDA)软件上进行仿真测试。即使所有设计工具的成本都加起来,也抵不上一次流片的费用。因此,要在软件上通过仿真,确保万无一失,才能真正开始流片。



那么什么算是“万无一失”呢?



这是一个被称作签核(Sign-off)的过程。在一个长长的清单上,功耗、噪声、散热、静电等需要逐一签核。只有经被确认过的EDA软件仿真过,晶圆加工厂才会认可相关结果



每当台积电开行业大会时,整个半导体行业几乎都会洗耳恭听。它会提及到许多已经验证过的工具和方案。对于行业而言,不管哪种方案,都会向它靠拢。经过台积电验证过的,就成为了行业里的金标准,是主流的选择。





全球EDA市场集中度相当高,如果仅从EDA软件(不包含IP)来看,那么四大金刚的市场占比可以达到80%,美国供应商占据了主导性的地位。剩余的市场份额,则被其它很多的EDA软件所瓜分,其中包括澳大利亚的Altium,美国Silvaco和Aldec等,国内则有今年先后上市的公司概伦电子和华大九天等。



但在美国,已经有二十年没有新的EDA公司上市。就全球格局而言,这个市场呈现了高度成熟的迹象。然而,EDA软件是半导体行业的急先锋,它正在酝酿着全新的内涵,以便适应芯片制程的最新风潮。



原子们住进了新的宫殿



毫无疑问,小芯片(Chiplet)成为近两年的焦点之一。但需要指出的是,三维封装技术由来已久,半导体的先进制程多年来一直就在两条路上展开:



第一条大路,就是沿着摩尔定律所指明的方向,按照节点演进的规律,高歌猛进。摩尔定律是条令人舒服的捷径,让半导体规划人士感到幸福的事情就是技术路线图是确定的。这座温暖的灯塔一直稳定地照耀了六十多年,但是灯塔的光芒正在黯淡,人们担心它会失去最后的光芒。



先进制程正在接近一个纳米的尺寸。这好比是一把无限缩微的宝剑闯进了无数原子所居住的殿堂,而随意游荡的原子面对不速之客将会呈现出惊诧、暴怒,以及不可琢磨的全新特性。原子尺寸,是让微观世界保持完整的最小堡垒,这也是芯片物理世界的终极战场。基于原子的区间分割,将是摩尔定律最后的荣光。



后摩尔时代,正是需要为这即将蒙尘的灯火,寻找全新的光源。



第二条大路,其实业界早就看见了,但这条路上人烟稀少——三维封装。日本从上个世纪八十年代就在考虑三维封装的路线。简单说,就像是在二维平面的垂直方向,建一座三维的高楼。由于第一条路的畅通无阻和高效,人们对这条小路并不热衷。但是,随着后摩尔定律时代的到来,芯片工艺在主路遭遇到了横眉冷对的原子而南墙乍起,那么三维封装这一非主流的方式,现在成为一种全新的武器。Chiplet小芯片开始登场。通过众多小芯片的相互组合,构建出一个系统级的大芯片。



这是一种系统思维,实现各种同构和异构电路的立体集成。更妙的是,它是一种“芯片软件化”的思路。每个小芯片,都可以看成是某个软件的一个子函数。这些小芯片,将会以“软件程序调用”的方式,被搬过来搬过去,进行组合。这种积木式的搭建方式,本质是一种知识复用,每个小芯片都是身怀绝技,经历了摩尔定律的历练。



因此小芯片的封装方式,并不意味着传统鱼鳍状的场效应晶体管的崩溃。恰恰相反,通过小芯片,可以继续激发鳍状管的极限。二者实际是互补的路线。每一个子函数,仍然需要保证是最优算法;每个小芯片,仍然需要是最优制程。“超越摩尔”并非是打碎摩尔定律另辟蹊径,而是依然要站在摩尔定律高耸的肩膀上才能实现的超越。



高级封装,并非是简单封装的叠加。这不太可能是一个只由传统下游封装制造商所能发起的战斗。这注定是从晶圆加工厂的设计源头,所发起的枪声。无论是高级封装,还是小芯片,都只能从芯片设计出发。这条路线的基准,大概率只能由芯片制造商来推进,而不是传统封装公司。



原子可以变得愉快起来。它们习以为常的平层房屋,将要拔地而起变成高楼大厦。微小的芯片,开始多了许多邻居。然而,它们也正在进入一个大尺寸空间的宏观世界。热、电磁、力等各种不相关的物理叠加效应,就像一股越来越猛的西风一样穿堂而过,曾经可以被忽略的呼啸声变得尖利起来。多物理场效应——这一在宏观尺寸会表现更明显的现象,开始对原子新殿堂构成极大的威胁。散热、翘曲等都成为芯片制造的巨大挑战。



乐于为原子建造新宫殿的芯片设计工程师们,必须拿出应付多物理场效应的手段。全方位仿真自然是必不可少的工具。而这一点,在航空、机械、汽车等工程师们眼里,早已是司空见惯的挑战。Ansys正是多物理场仿真的领头羊,它为娴熟的工程师们提供了得心应手的工具。



从最早的力学起家,Ansys逐渐扩大版图到流体、热、电磁、光电等物理场。即使在半导体的EDA软件领域的仿真市场,也已经苦心经营了多年。而当前的小芯片,则让它的多物理场的仿真功能显得格外耀眼。



新的EDA软件时代,已经到来。





迟到的3G,先一步的判断



早在2008年4月,已在机械制造仿真领域确立了王者地位的Ansys,以5.4亿美元的价格,收购了EDA厂商Ansoft,后者在电路板的高频仿真领域,建立了自己独特的优势。它的业界电磁场金标准仿真软件HFSS,一度占据了电磁场和射频电路的80%市场份额。



通过这次并购,Ansys直接进入了芯片行业。然而这次闯进半导体,一度被认为是一次失败的收购。收购之时还是在股市高点,而两个月之后金融危机不期而至,股市大跌。看起来真是亏本的买卖。



2008年对于手机市场而言,漫长的2G通讯正在走向它最后的时光。从1995年,国内就进入了2G时代。除了打电话,短信业务开始兴起。这正是诺基亚漫长而悠远的霸者时光。2G到3G的过渡,经历了比人们想象中要长得多的时间。到2009年中国正式颁发3G牌照,前后经历了14年。相比之下,从3G到4G牌照的颁发,只用了四年多时间。



而Ansys就在这个通讯旋转门切换的一瞬间,挤进了电子行业的殿堂。2009年开始,3G通讯终于拾起上扬的曲线,带来了整个电子行业的繁荣。而在2010年苹果iPhone 4已经开始确立了市场地位,芯片开始越来越复杂。随着通讯行业的巨大拉动,对于芯片的高速高频仿真的要求越来越多,Ansys对Ansoft的收购举动,变成了一次提前踩点金不换的先手棋。



系统级的前夜



2011年芯片功率设计软件Apache Design Solutions公司,本来正处于上市前的静默期,没想到却被Ansys“海底捞月”,以3.1亿美元收购。而此时Ansys的收入虽然仅为7亿美元,但其市值却达到60亿美元,资本市场对于该企业的未来给予了充分的信任。



而这场收购,则源自Ansys对未来芯片走向的判断。



芯片的构成,一般而言有三道法门,分别是芯片级(Chip)、封装级(Packaging)和由PCB板将多个芯片连接在一起构成的系统(System)。这三者的每一层,各有自己的苦恼要应付。



芯片上一条线路只有十几个到几百个原子的宽度。数亿个门电路会分布在狭小的空间,芯片的功耗和静电都会成为工程师需要面对的拦路虎。



然后是封装,要将微小尘埃般的芯片用封装保护起来,避免灰尘和潮湿等破坏芯片。这中间涉及到大量的电磁效应和热效应。



最后是需要通过电路板将多个芯片连接起来,并提供对外的接口,结合操作系统和软件,就构成了系统。



Ansys创新地将这三个部分合起来考虑它的仿真问题,用一体化CPS(Chip-Package-System)的角度来实现综合性能的优化。这就是像将时间快进到未来,在摩尔定律的另一端反向看待芯片发展所需要的仿真技术。只有将芯片-封装-系统这三驾马车完美地组合在一起,才能提供更好的芯片。



Ansys已经具备了系统级和封装级的仿真软件,而Apache正是一个芯片级的产品。三者贯通,是最好的选择。而从Apache公司的角度来看,即使成功上市能带来暂时的技术领先,但长期的独立性依然是一个问号。



在这种情况下,Ansys得以成功地将Apache纳入囊中。Apache是EDA软件市场的一个狭窄缝隙里的一条大鱼。它的RedHawk软件,在半导体的功耗设计优化及芯片供电领域具有举足轻重的位置。它可以帮助手机或者笔记本电脑的工程师,轻松实现省电的需求。



可以说,RedHawk软件凭一己之力将低功耗设计做成了一个利基市场的王者,而不是EDA工具上的一个功能按钮。它在全球低功耗领域一度占有全球90%的市场,也因此成为台积电的金标准。



EDA软件的一纵与一横 



EDA软件就好像是芯片发展的带刀侍卫,但各有分工。



Ansys在芯片设计领域的定位和其它EDA厂商相比有较大的差别,其主要专注在芯片的签核和仿真领域。而Synopsys、Cadence软件则更专注于芯片设计的流程,完成从构架、功能到原理图和版图设计与验证的过程。



对于芯片设计来说,仅仅完成基本的设计验证是远远不够的,还需要考虑信号完整性和电源完整性问题,以及芯片发热和散热的热完整性问题,更多的还要有热形变、热应力和材料特性的结构完整性问题等。芯片损坏,往往并非是由于超压或失误操作导致。其中的真正杀手是热,芯片失效有大约四分之三是因为热在“捣鬼”。这正是Ansys解决的问题,它为芯片设计建立一道防线。



如果拿一架飞机来做类比,另外三家EDA软件主要是在做飞机的纵向机体,而飞机要能平稳起飞还需要有横向的机翼。这个机翼就是Ansys专注的领域。既有设计流程的纵向,又有签核流程的横向,一横加一纵,EDA的四大金刚软件MACS合在一起才能最终完成芯片的设计。 





简单来说,人们更容易注意到“一纵”的设计,而忽略“一横”的仿真。EDA软件最早的鼻祖,是从美国伯克利分校而来。但第一款EDA软件SPICE,其实就是从仿真开始。当时数百个晶体管,还是比较容易画出来的。而仿真,则需要更复杂的偏微分方程求解。可以说,EDA软件从开始诞生之日,就带着强烈的仿真气味。



EDA软件曾经跟机械行业的仿真软件有了一段时间的分离,二者看上去似乎是各走各的路。而现在,两条曾经分离的路又开始汇聚在一起。



如果拆开以前的手机壳,会发现手机基本是空心的。而现在的手机基本是实心的,因为功能太多而不得不塞满了集成电路,几乎没有多余空间。这使得各种干扰、热传导等,相互间产生影响,多物理场效应的问题被直线放大。



手机的空间太挤了。如果芯片从人的视角去看,它需要拖家带口,那么最近十多年它的幸福感一定在急剧下降。因为芯片的“人均空间”面积越来越小了。由于手机的物理尺寸,需要与人手的大小相结合,单手能操作的尺寸,就是手机空间的天花板。无论是热分析、电磁、高速信号,还是封装结构的仿真,都要联合上阵,才能应付这越来越拥挤的空间。作为从芯片到封装,到大系统的全流程仿真解决方案,Ansys能够帮助设计师提前锁定信心,为每个空间塞满了芯片而无需担心会失效。



小记:小尺寸大宇宙



无论是否有夸张的成分,元宇宙正在呈现出一幅摄人心魄的图景。在那里,万物相互嵌套,互为镜像,人们周边的景深被重新置换,而宏大的生命观也将被重新改写。元宇宙的核心动力来自芯片,那是原子级的原力源泉所在。英伟达正在为元宇宙倾注全部的心血,它跟Ansys的全面合作,则让人意识到,一个虚拟与现实相互融合世界之中,仿真所起到的决定性作用。而在小芯片的顶级制造工艺里,EDA软件正在大幅度加强自己的仿真力量。唯有此,超越摩尔定律才能重新真正迈过门槛。

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