5G、AI产业大踏步前进，幕后英雄EDA功不可没

作者:单祥茹  来源:中国电子商情

发布时间:2019-12-26

如果说集成电路是国民经济的粮食，那么EDA就是集成电路的基石。为什么这么说？以AI为例，诞生几十年，直到最近几年才有大量的应用浮出水面，究其原因，过去的芯片性能根本无法达到AI的算力要求。制约芯片性能的因素有很多，其中半导体设计、工艺、制程、封装、材料等都起着决定性作用。而这些因素几乎都与EDA有着千丝万缕的联系。在新思科技（Synopsys）武汉全球研发中心落成典礼上，清华大学周祖成教授更是直接将EDA定义为信息产业中非常重要的工业软件，而不能仅仅将其看作是集成电路的一个设计工具。毫无疑问，在集成电路行业，虽然EDA是一个小众产品，但EDA绝对是一个不可或缺的存在，是真正的幕后英雄。

图1  新思科技武汉全球研发中心落成典礼

5G时代以应用场景定义标准，IC设计和芯片业既有机会更多是挑战

4G改变生活，5G改变社会。5G时代的电信服务正在从服务于人转向服务于行业。中国信息通信科技集团有限公司副总裁陈山枝先生在本次落成典礼上表示，国际电联在定义5G、6G标准时就是按照场景来定义的。正是因为这一特点，5G将对网络能力带来重大变革，现在市场上提出的网络切片、移动边缘计算等等，其实都是为了服务于垂直行业。在5G网络下，运营商的网络能力将逐渐开放出来。基于5G网络切片服务，将向自动驾驶、C-V2X车联网、无人机、智能工厂和智慧医疗等行业提供端到端的无线通信能力，比如亚马逊，它只需租用一个5G切片网络来远程操控无人机就能实现Prime业务交付。

图2  中国信息通信科技集团有限公司副总裁陈山枝

5G是未来产业增长的新引擎，它产生的价值链也会发生很多变革，包括测试仪表、核心网、行业应用、终端等。对半导体行业来说，5G既是机遇，也是挑战。5G的目标是实现万物互联，一平方公里就会有100万个接入设备。面对众多的碎片化应用场景，对终端设备的挑战不仅仅体现在庞大的数量上，对设备所需芯片的功耗、体积、计算能力等方面的要求都会不一样。因此，IC设计企业也要未雨绸缪，通过人工智能等先进的技术手段才能解决碎片化需求带来的挑战。

清华大学周祖成教授对5G带来的挑战有独特的看法，他表示：“究其根本，5G解决的是信息传输的问题。其中有两个挑战，一个是大容量，另一个是高速度。但是，要让5G尽快落地应用，离不开人工智能这种产业的支持，更离不开集成电路产业提供的核心技术支持。所以，在5G的发展上，算力、算法，以及数据都到了一个节骨眼上，这个节骨眼实际上都在向EDA靠近。”

AI芯片迭代加速，EDA才是真正的幕后英雄

早在1960年就提出了人工智能这个概念，神经网络的提出在1985年，直到最近因为深度学习的提出，人工智能才真正完整。深度学习是一种深度的神经网络，有ABC三个支柱，A是算法，B是数据，C是算力，在ABC三轮驱动下，实现了今天深度学习或者神经网络的业务落地。与CPU、GPU或者GPGPU相比，人工智能还是一个全新的领域，是一个开放的战场。技术、架构、平台、软件生态，都还在形成和发展过程中，因此，上海燧原科技有限公司首席执行官赵立东先生在演讲中提出，这其中蕴含着很多的创新机会。

图3  上海燧原科技有限公司首席执行官赵立东

尽管市场形势一片大好，但是，赵立东先生认为AI市场还需面对两大挑战。一是算力不能满足需求。现在的应用场景，最常见的就是图像，安防监控的图像识别，语音、语义、机器视觉、游戏和医疗，特别是在中国，数据的获取相对比较容易，大量的数据已经在数据中心有很多的积累。然而，要将这些数据用于训练更好更高效的模型，必须依靠强大的算力和无数的算法和模型开发人员，国内国外的大学、科研机构、企业已经拥有大量的开发人员，他们更多是对标具体的业务应用在算法和模型上进行开发。在算力上，根据OpenAI的估算，大约每3.5个月对算力的需求就会加倍。而摩尔定律基于工艺的演进，每18个月到24个月算力可加倍，这样的速度已经远远不能满足AI领域对算力的需求。可以说，AI应用的阶梯式提升，是以模型和算力指数级需求为代价的。

二是最高端AI训练市场处于垄断状态。从技术门槛和产业链来看，云端训练处在最高端，其次是云端推断，然后是终端推断。目前的市场形势是，云端训练市场被独家垄断，只有英伟达一家有可以量产的产品，Google虽然有TPU，但属于ASIC，主要用于自用，不具备太多的通用性。云端推断市场进入的企业较多，有50%到60%的市场被英特尔占有，整个市场中有CPU、FPGA、ASIC、GPU等产品，现在的云端推断是一个混战的市场。终端市场涉及各种应用，所用的芯片种类繁多，是非常碎片化的市场。在这个市场，芯片公司如果没有规模的话，赚钱是很困难的。

云端训练虽为垄断市场，也有其痛点。赵立东先生提出，目前主要有四个痛点。第一，市场需要专为AI设计的芯片架构。GPU是基于游戏开发的，强大的并行处理能力和基于和游戏开发者所建立的软件生态，能够很快用于支持人工智能的开发，包括训练和推断，因此英伟达占据了市场先机。但是，因为GPU不是基于AI应用专门设计和开发，随着对算力提升的强大需求，业界提出要有专门面向AI应用的算法和模型，为它专门设计一个架构，只有这种芯片才能有更高的性价比、能效比和高效率。第二，垄断市场导致价格非常昂贵。云端芯片的价格居高不下，严重制约了AI产业的规模化发展。第三，封闭专有的生态，软件栈升级和维护产生过度依赖。第四，技术支持人员不足，缺乏为客户优化和定制化的能力。

赵立东先生在演讲中介绍，燧原的目标就是做云端的推理和训练。今年12月发布了第一款人工智能云端训练平台“云燧T10”，这是一款面向云端数据中心的人工智能训练加速卡,其架构专门为AI设计，支持国际通行的AI框架，具有可编程、可扩展、高性能、高能效、高性价比。其单卡单精度（FP32）算力达到20TFLOPS。

燧原科技能在短时间取得重大技术和产品突破，用赵立东先生的话说，从公司成立到现在，整个产品研发过程，新思都参与其中并给予强有力的支持，这个支持不仅是EDA工具方面的支持，而是很多技术人员日日夜夜与燧原科技的研发人员一起工作，这也是为什么燧原科技能在一年半的时间里就把产品推出来的重要原因。

TSMC先进工艺开发时间缩短一半，新思科技功不可没

如果说新思科技与燧原科技的深度合作体现的是EDA在芯片设计阶段的重要作用，那么，台积电与新思科技的合作则将EDA的作用延展到先进工艺制程的研发中。

据台积电（南京）公司总经理罗镇球先生介绍，12年前，新思科技与台积电在65nm工艺的合作模式是一棒接着一棒跑，具体操作过程：台积电花费1.5年的时间把新工艺做出来，然后再将新工艺交给新思科技，请它去开发EDA设计平台以及相应的IP，新思科技再用1.5年的时间把自己的IP和EDA系统建造出来，这样一项新工艺的推出总计要花费3年的时间。现在，这种合作模式被彻底打破。罗镇球先生透露，在研发7nm工艺时，台积电在开发工艺之初，就邀请其合作伙伴新思科技参与其中，在开发新工艺的同时，新思科技也同步启动它的EDA设计平台以及IP部件的开发工作。7nm工艺推出约一两个月后，新思科技的EDA平台也同步推出，研发时间总计只有1.5年，使得台积电7nm工艺从开发到整个平台推出的时间加速了1.5年。“几天前，台积电公布已经成立2nm工艺研发团队，借助ASML的神兵利器以及新思科技在EDA方面的支持，我们觉得持续推进先进工艺的研发，在台积电来讲不是太大的问题。”罗镇球先生表示。

图4  台积电（南京）公司总经理罗镇球

台积电在专注晶圆代工之外，也很注意寻找新的突破口，现在的目标是先进的封装技术，即3D封装，并将投入更多的资源。事实上，EDA工具和IP不仅仅在IC设计时可以用上，整个3D封装的进程也离不开EDA的支持。

两家公司之所以建立紧密的合作关系，主要原因是当一项新工艺开发出来后，设计公司是没有办法直接使用的，EDA的重要性就在于，它让设计公司能够很容易的、很方便的，而且非常高效的来使用台积电的工艺。罗镇球先生表示，一个行业只能容纳一个第一名和半个第二名，这个就是行业的特色。正是这种相携相伴，共同成长，才成就了两家公司。现在，新思科技和台积电都已成为所在行业里的第一名。最后，罗镇球先生用“你中有我，我中有你”总结了两家公司的关系。其实，这几个字也折射了EDA与先进工艺制程研发的关系。

新思科技的中国故事，25年助力产业实现快速发展

在电子信息行业，EDA/IP是科技创新之源。为了做好这个源头，新思科技每年的研发投入约占总收入的30%。目前，公司在全球设有29个研发中心。全球10大半导体企业中的9家使用了新思科技的虚拟原型验证系统。在过去的25年，中国集成电路产业发展迅速。新思科技也在不断引进更多的EDA技术，从最早只做逻辑综合，到相继收购了近百家企业。新思也是全球第一家提出前后端整合设计流程的公司，进一步提高了芯片设计效率，缩短了整个芯片的开发周期。

最新建成投用的新思科技武汉全球研发中心是新思科技全球最高级别的研发中心，服务全球客户。研发中心的产品布局将进一步向EDA、IP核及软件安全方面全面延展。新思科技总裁兼联席CEO陈志宽博士指出，武汉全球研发中心落成是新思科技在中国发展的重要里程碑，同时它也开启了新思科技中国25周年庆这一值得纪念的另一个重要里程碑。

图5  新思科技总裁兼联席CEO陈志宽博士

谈到研发中心为什么选址武汉，新思科技中国董事长兼全球资深副总裁葛群先生透露，新思科技的武汉项目始于9年前的规划，2012年项目正式签约，那个时候陈志宽博士就决定在武汉成立美国之外最大的全球研发中心。新思科技武汉公司总经理胡隽先生则介绍了选择武汉的四个主要原因：一是地理优势，武汉地处中国的中心地带。二是武汉历史悠久，城市底蕴丰厚。三是人才优势，武汉高校众多，在校生人数位居全球第一。四是政府重视，光谷占地518平方千米，是一个年轻有活力的区域。研发中心现有员工300多名，约90%为拥有硕士和博士学位的研发人员，规划人数500人。

芯片的发展主要依靠人才。根据《中国集成电路产业人才白皮书（2018-2019）》发布的数据，总体上看我国集成电路人才缺口依然较大。白皮书预计到2021年前后，全行业人才需求规模为72.2万人左右，设计业26.8万人，制造业24.6万人，封测业20.8万人。也就是说，至2021年，我国仍然存在26.1万人的缺口。

图6   新思科技中国董事长兼全球资深副总裁葛群

“按照我国高校目前的培养速度，很难弥补这样一个缺口，我觉得更好的方法应该是用更先进的方法学，让更少的人能做更多的设计。中国半导体应该更多地去投入研究如何让工具更高效，本来需要三、五个人做的事情，现在一个人就能做，这样的话，32万的人才缺口才可能补上。用更少的人力完成更多的工作，这才是EDA公司对集成电路产业带来更大贡献的地方。”葛群先生表示。

过去几十年来，集成电路技术的演进几乎有一个金科玉律，那就是如果能够把电路越做越小，把两个芯片合成一个芯片，三个芯片合成两个，再合成一个，这一定是对的。但是现在有了先进封装技术以后，这个观念就被打破了。研发人员发现，把一个大的芯片分成两个或者分成三个，它的效能也不差，但是它的价格会更好。在这个情况下，整个系统架构就完全改变，不再把芯片越做越小，而是把一个大的芯片分成小的芯片，再重新来组合。回看整个电子信息产业的发展，基于集成电路的不断创新，芯片功能越来越强、功耗越来越低、价格更是越来越低。这一切均与EDA技术的进步有着密不可分的联系。借用武汉弘芯半导体制造有限公司首席执行官蒋尚义先生的话说，在此过程中，整个集成电路生态环境正在重新建立，作为产业基石的EDA，将有更大的市场空间。