自2020年以來,受到疫情蔓延影響,半導體產業鏈大部分企業開工率不及預期;暴雪、地震、火災等突發事件導致當地晶圓廠、電子廠產線受損停工,進一步加劇了行業供給不足。另一方面,“宅經濟”推動的電子產品需求量持續上漲,汽車電子也在疫情緩解下逆勢回暖。全球半導體行業遭遇供應鏈危機,芯片短缺問題愈演愈烈。此外,美日等國家相繼加強對中國半導體產業的管控,阻斷中國企業的供應鏈,管制其進出口,從而遏制中國半導體行業的發展。在“缺芯潮”與“卡脖子”的行業窘境下,國產化替代的呼聲愈發高漲,中國集成電路產業上下游越來越注重自主研發,協同打造本土化供應鏈。

10月14日,第十九屆中國通信集成電路技術應用研討會(CCIC)暨青島微電子產業發展大會在青島西海岸新區召開。會上,中國通信學會秘書長張延川表示,作為引領科技和產業變革的關鍵力量,集成電路產業已經逐漸滲透至經濟社會領域的各個方面,成為數字經濟發展、產業智能化轉型的重要支撐。面對此等百年未有之大變局,中國集成電路產業更需深入布局,堅持自主攻堅關鍵核心技術,促進科技成果轉化,同時積極協同產業鏈共同構筑集成電路產業生態。

從集成電路產業鏈來看,芯片設計、晶圓制造、封裝、測試等環節缺一不可。其中,作為集成電路產業鏈上游的核心技術,EDA和IP有著“半導體皇冠上的明珠”之稱。芯耀輝科技有限公司聯席CEO、IEEE Fellow余成斌表示,長期以來,EDA和IP市場被國外巨頭掌控,僅美國和歐洲便占據了全球市場94%以上的份額,而中國EDA和IP市場僅占3%左右。EDA和IP對于芯片設計的重要性不言而喻,中國攻克EDA和IP技術,搶灘市場已經迫在眉睫。

國產EDA和IP產業面臨嚴峻挑戰

芯片設計、制造和封測的核心是EDA/IP、材料和裝備。EDA和IP處于芯片設計的上游,簡單來說芯片設計便是通過選擇符合要求且經驗證可復用的IP設計模塊,運用EDA工具將程式碼轉換成實際的電路圖。同時,EDA和IP也是中國集成電路產業鏈中最為薄弱的環節,亟需通過自主創新實現突破,加速本土企業融入集成電路產業鏈和價值鏈。

首先看一下國產EDA的發展情況。自上世紀八十年代,國內EDA產業開始了長期的研發和布局,但由于各種因素都沒有取得實質性進展。很長一段時間,國產EDA都處于停滯不前的發展狀態。自2008年,在國家政策支持下,國產EDA才終于點燃了微弱的火種,經過多年攻堅,華大九天、芯和半導體、廣立微電子等國產企業逐漸在市場中展露生機。

在北京華大九天科技股份有限公司董事長劉偉平看來,長期以來,國產EDA乃至整個集成電路產業受制于人的關鍵,主要是面臨以下幾個方面的挑戰。

產品不齊全:國內自主EDA工具在模擬電路方面已經比較完善和成熟,但是在數字電路方面,國內EDA工具很多都在開發階段,還沒有全面支撐產業發展的能力。

技術和研發投入:EDA產業技術壁壘高,需要長期的研發投入和技術積累。目前,與EDA三巨頭(Synopsys、Cadence、Siemens EDA)相比,國產EDA企業的研發投入明顯不足且分散,不利于EDA的技術突破和創新。

高端人才短缺:據方正證券報告顯示,國內EDA研發人員大約有1500人,其中真正在本土EDA企業做研發的人員僅約300人。

生態與市場:EDA是連接芯片設計與制造的紐帶,用戶黏性很強,國產EDA作為后來者,若想進入市場并嶄露頭角,便需要和國際巨頭的成熟產品拼技術,其難度可想而知。因此,協同產業鏈上下游,構建EDA本土產業生態對國產EDA的發展至關重要。

與EDA一樣,同為硬科技創新深層要素的IP技術,也是芯片全產業鏈不可或缺的技術基石。余成斌表示,全球IP整體產值大約只有40億美元,卻撬動了5000億美元的半導體產業。隨著集成電路逐漸向先進工藝節點遷移,IP核數量需求放量上漲,其對于驅動規格、功能、成本也提出了更高的要求。另一方面,IP核按照標準不斷演進,如何保障兼容性和可靠性、實現出色的PPA性能,成為國內IP企業需要優化和深耕的方向。

國產EDA和IP技術攻堅

如前面所言,國產EDA和IP仍然面臨著諸多挑戰,而在這些挑戰中,我們往往可以窺見巨大的市場機遇,并找到解決方案。國內企業需要做的便是堅持自主研發,不斷夯實內功,鍛造自身技術實力。從技術層面來看,國內EDA工具和IP核還存在產品不全面、技術難突破等困難。劉偉平提到,國內企業首先要解決“有無”問題,然后秉持著創新精神,將EDA工具做好做精,做到讓客戶選擇和信任。

如劉偉平介紹,“有無”問題首先落腳在完善EDA工具上。以華大九天為例,以模擬電路仿真軟件為突破口,針對液晶面板全流程設計深入鉆研,最終過渡到模擬全流程、數字后端等軟件全面發展。在技術欠缺的階段,國產EDA企業也應以點工具為切入點,由點及面逐步攻克。另一方面,并購也是擴大產品矩陣、強化技術壁壘的重要手段。

現階段,摩爾定律走到物理極限,硬件工藝革新趨勢漸緩,EDA軟件的重要性逐漸突顯。人工智能、云計算等技術逐漸與EDA軟件融合創新,實現EDA工具自動化、智能化、平臺化和服務化。Atomistic TCAD和自動IP生成逐漸成為EDA軟件發展趨勢,鑒于發展時間還不長,中國與國際巨頭尚處于同一起跑線,有望成為中國EDA企業的機會。

構筑中國集成電路新生態

“目前我國已經成為全球規模最大、增速最快的集成電路市場,面對疫情影響和全球產業環境的復雜多變,我國集成電路產業繼續保持增長。”工業和信息化部電子信息司副司長董小平表示,我國集成電路產業整體呈現出極強的發展韌性和良好的發展態勢。據中國半導體行業協會統計,2021年上半年,我國集成電路產業銷售額為4102．9億元,同比增長15．9%。其中,設計業銷售額達1766．4億元,同比增長18．5%;制造業銷售額1171．8億元,同比增長21．3%;封裝測試業銷售額1164．7億元,同比增長7．6%。

中國工程院院士、浙江大學微納電子學院院長吳漢明在會上強調:科研是手段、產業是目的、產能是王道。在后摩爾時代發展集成電路產業,面對的將是技術方向不清晰、應用場景寬泛、市場碎片化等諸多挑戰。對于國產企業來說,這將是一個不可多得的窗口機遇期。巨大的創新空間和市場空間、寬松的設備和條件限制都將有利于中小企業進行產品研發。吳漢明表示,國內集成電路產業鏈、高校、研究所應該協同起來,促成集成電路產學研三位一體,加強集成電路產業與科研的關系、科研與教學的關系、教學與集成電路產業的關系。

國產EDA和IP市場的發展現狀及技術趨勢是集成電路整個產業的縮影,也是我國集成電路產業亟待攻克的難題。董小平表示,我國集成電路市場需求不斷擴大,國產企業應該大力推動集成電路在5G、人工智能、物聯網等領域的創新應用,堅持技術創新、應用牽引和市場導向,不斷優化產業布局,構建互利共贏的產業鏈、供應鏈。