5G、AI產(chǎn)業(yè)大踏步前進(jìn)，幕后英雄EDA功不可沒

單祥茹

如果說集成電路是國民經(jīng)濟(jì)的糧食，那么EDA就是集成電路的基石。為什么這么說？以AI為例，誕生幾十年，直到最近幾年才有大量的應(yīng)用浮出水面，究其原因，過去的芯片性能根本無法達(dá)到AI的算力要求。制約芯片性能的因素有很多，其中半導(dǎo)體設(shè)計、工藝、制程、封裝、材料等都起著決定性作用。而這些因素幾乎都與EDA有著千絲萬縷的聯(lián)系。在新思科技（ Synopsys）武漢全球研發(fā)中心落成典禮上，清華大學(xué)周祖成教授更是直接將EDA定義為信息產(chǎn)業(yè)中非常重要的工業(yè)軟件，而不能僅僅將其看作是集成電路的一個設(shè)計工具。毫無疑問，在集成電路行業(yè)，雖然EDA是一個小眾產(chǎn)品，但EDA絕對是一個不可或缺的存在，是真正的幕后英雄。

5G時代以應(yīng)用場景定義標(biāo)準(zhǔn)，IC設(shè)計和是挑戰(zhàn)

4G改變生活，5G改變社會。5G時代的電信服務(wù)正在從服務(wù)于人轉(zhuǎn)向服務(wù)于行業(yè)。中國信息通信科技集團(tuán)有限公司副總裁陳山枝先生在本次落成典禮上表示，國際電聯(lián)在定義5G、6G標(biāo)準(zhǔn)時就是按照場景來定義的。正是因?yàn)檫@一特點(diǎn)，SG將對網(wǎng)絡(luò)能力帶來重大變革，現(xiàn)在市場上提出的網(wǎng)絡(luò)切片、移動邊緣計算等等，其實(shí)都是為了服務(wù)于垂直行業(yè)。在SG網(wǎng)絡(luò)下，運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)能力將逐漸開放出來?；赟G網(wǎng)絡(luò)切片服務(wù)，將向自動駕駛、C-V2X車聯(lián)網(wǎng)、無人機(jī)、智能工廠和智慧醫(yī)療等行業(yè)提供端到端的無線通信能力，比如亞馬遜，它只需租用一個5G切片網(wǎng)絡(luò)來遠(yuǎn)程操控?zé)o人機(jī)就能實(shí)現(xiàn)Prime業(yè)務(wù)交付。

5G是未來產(chǎn)業(yè)增長的新引擎，它產(chǎn)生的價值鏈也會發(fā)生很多變革，包括測試儀表、核心網(wǎng)、行業(yè)應(yīng)用、終端等。對半導(dǎo)體行業(yè)來說，SG既是機(jī)遇，也是挑戰(zhàn)。5G的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)，一平方公里就會有100萬個接入設(shè)備。面對眾多的碎片化應(yīng)用場景，對終端設(shè)備的挑戰(zhàn)不僅僅體現(xiàn)在龐大的數(shù)量上，對設(shè)備所需芯片的功耗、體積、計算能力等方面的要求都會不一樣。因此，IC設(shè)計企業(yè)也要未雨綢繆，通過人工智能等先進(jìn)的技術(shù)手段才能解決碎片化需求帶來的挑戰(zhàn)。

清華大學(xué)周祖成教授對5G帶來的挑戰(zhàn)有獨(dú)特的看法，他表示： “究其根本，5G解決的是信息傳輸?shù)膯栴}。其中有兩個挑戰(zhàn)，一個是大容量，另一個是高速度。但是，要讓5G盡快落地應(yīng)用，離不開人工智能這種產(chǎn)業(yè)的支持，更離不開集成電路產(chǎn)業(yè)提供的核心技術(shù)支持。所以，在5G的發(fā)展上，算力、算法，以及數(shù)據(jù)都到了一個節(jié)骨眼上，這個節(jié)骨眼實(shí)際上都在向EDA靠近。”

Al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這個概念，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的提出在1985午，直到最近因?yàn)樯疃葘W(xué)習(xí)的提出，人工智能才真正完整。深度學(xué)習(xí)是一種深度的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，有ABC三個支柱，A是算法，B是數(shù)據(jù)，C是算力，在ABC三輪驅(qū)動下，實(shí)現(xiàn)了今天深度學(xué)習(xí)或者神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)落地。與CPU、GPU或者GPGPU相比，人工智能還是一個全新的領(lǐng)域，是一個開放的戰(zhàn)場。技術(shù)、架構(gòu)、平臺、軟件生態(tài)，都還在形成和發(fā)展過程中，因此，上海燧原科技有限公司首席執(zhí)行官趙立東先生在演講中提出，這其中蘊(yùn)含著很多的創(chuàng)新機(jī)會。

盡管市場形勢一片大好，但是，趙立東先生認(rèn)為AI市場還需面對兩大挑戰(zhàn)。一是算力不能滿足需求?，F(xiàn)在的應(yīng)用場景，最常見的就是圖像，安防監(jiān)控的圖像識別，語音、語義、機(jī)器視覺、游戲和醫(yī)療，特別是在中國，數(shù)據(jù)的獲取相對比較容易，大量的數(shù)據(jù)已經(jīng)在數(shù)據(jù)中心有很多的積累。然而，要將這些數(shù)據(jù)用于訓(xùn)練更好更高效的模型，必須依靠強(qiáng)大的算力和無數(shù)的算法和模型開發(fā)人員，國內(nèi)國外的大學(xué)、科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)已經(jīng)擁有大量的開發(fā)人員，他們更多是對標(biāo)具體的業(yè)務(wù)應(yīng)用在算法和模型上進(jìn)行開發(fā)。在算力上，根據(jù)OpenAI的估算，大約每3.5個月對算力的需求就會加倍。而摩爾定律基于工藝的演進(jìn)，每18個月到24個月算力可加倍，這樣的速度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足AI領(lǐng)域?qū)λ懔Φ男枨??？梢哉f，AI應(yīng)用的階梯式提升，是以模型和算力指數(shù)級需求為代價的。

二是最高端AI訓(xùn)練市場處于壟斷狀態(tài)。從技術(shù)門檻和產(chǎn)業(yè)鏈來看，云端訓(xùn)練處在最高端，其次是云端推斷，然后是終端推斷。目前的市場形勢是，云端訓(xùn)練市場被獨(dú)家壟斷，只有英偉達(dá)一家有可以量產(chǎn)的產(chǎn)品，Google雖然有TPU，但屬于ASIC，主要用于自用，不具備太多的通用性。云端推斷市場進(jìn)入的企業(yè)較多，有50%到60%的市場被英特爾占有，整個市場中有CPU、FPGA、ASIC、GPU等產(chǎn)品，現(xiàn)在的云端推斷是一個混戰(zhàn)的市場。終端市場涉及各種應(yīng)用，所用的芯片種類繁多，是非常碎片化的市場。在這個市場，芯片公司如果沒有規(guī)模的話，賺錢是很困難的。

云端訓(xùn)練雖為壟斷市場，也有其痛點(diǎn)。趙立東先生提出，目前主要有四個痛點(diǎn)。第一，市場需要專為AI設(shè)計的芯片架構(gòu)。GPU是基于游戲開發(fā)的，強(qiáng)大的并行處理能力和基于和游戲開發(fā)者所建立的軟件生態(tài)，能夠很快用于支持人工智能的開發(fā)，包括訓(xùn)練和推斷，因此英偉達(dá)占據(jù)了市場先機(jī)。但是，因?yàn)镚PU不是基于AI應(yīng)用專門設(shè)計和開發(fā)，隨著對算力提升的強(qiáng)大需求，業(yè)界提出要有專門面向AI應(yīng)用的算法和模型，為它專門設(shè)計一個架構(gòu)，只有這種芯片才能有更高的性價比、能效比和高效率。第二，壟斷市場導(dǎo)致價格非常昂貴。云端芯片的價格居高不下，嚴(yán)重制約了AI產(chǎn)業(yè)的規(guī)?；l(fā)展。第三，封閉專有的生態(tài)，軟件棧升級和維護(hù)產(chǎn)生過度依賴。第四，技術(shù)支持人員不足，缺乏為客戶優(yōu)化和定制化的能力。

趙立東先生在演講中介紹，燧原的目標(biāo)就是做云端的推理和訓(xùn)練。今年12月發(fā)布了第一款人工智能云端訓(xùn)練平臺“云燧T10”，這是一款面向云端數(shù)據(jù)中心的人工智能訓(xùn)練加速卡，其架構(gòu)專門為AI設(shè)計，支持國際通行的AI框架，具有可編程、可擴(kuò)展、高性能、高能效、高性價比。其單卡單精度（FP32）算力達(dá)到20TFLOPS.

燧原科技能在短時間取得重大技術(shù)和產(chǎn)品突破，用趙立東先生的話說，從公司成立到現(xiàn)在，整個產(chǎn)品研發(fā)過程，新思都參與其中并給予強(qiáng)有力的支持，這個支持不僅是EDA工具方面的支持，而是很多技術(shù)人員日日夜夜與燧原科技的研發(fā)人員一起工作，這也是為什么燧原科技能在一年半的時問里就把產(chǎn)品推出來的重要原因。

TSMC先進(jìn)工藝開發(fā)時間縮短一半，新思科技功不可沒

如果說新思科技與燧原科技的深度合作體現(xiàn)的是EDA在芯片設(shè)計階段的重要作用，那么，臺積電與新思科技的合作則將EDA的作用延展到先進(jìn)工藝制程的研發(fā)中。

據(jù)臺積電（南京）公司總經(jīng)理羅鎮(zhèn)球先生介紹，12年前，新思科技與臺積電在65nm工藝的合作模式是一棒接著一棒跑，具體操作過程：臺積電花費(fèi)1.5年的時間把新工藝做出來，然后再將新工藝交給新思科技，請它去開發(fā)EDA設(shè)計平臺以及相應(yīng)的IP，新思科技再用1.5年的時間把自己的IP和EDA系統(tǒng)建造出來，這樣一項(xiàng)新工藝的推出總計要花費(fèi)3年的時間?，F(xiàn)在，這種合作模式被徹底打破。羅鎮(zhèn)球先生透露，在研發(fā)7nm工藝時，臺積電在開發(fā)工藝之初，就邀請其合作伙伴新思科技參與其中，在開發(fā)新工藝的同時，新思科技也同步啟動它的EDA設(shè)計平臺以及IP部件的開發(fā)工作。7nm工藝推出約一兩個月后，新思科技的EDA平臺也同步推出，研發(fā)時間總計只有1.5年，使得臺積電7nm工藝從開發(fā)到整個平臺推出的時間加速了1.5年。 “幾天前，臺積電公布已經(jīng)成立2nm工藝研發(fā)團(tuán)隊，借助ASML的神兵利器以及新思科技在EDA方面的支持，我們覺得持續(xù)推進(jìn)先進(jìn)工藝的研發(fā)，在臺積電來講不是太大的問題。”羅鎮(zhèn)球先生表示。

臺積電在專注晶圓代工之外，也很注意尋找新的突破口，現(xiàn)在的目標(biāo)是先進(jìn)的封裝技術(shù)，即3D封裝，并將投入更多的資源。事實(shí)上，EDA工具和IP不僅僅在IC設(shè)計時可以用上，整個3D封裝的進(jìn)程也離不開EDA的支持。

兩家公司之所以建立緊密的合作關(guān)系，主要原因是當(dāng)一項(xiàng)新工藝開發(fā)出來后，設(shè)計公司是沒有辦法直接使用的，EDA的重要性就在于，它讓設(shè)計公司能夠很容易的、很方便的，而且非常高效的來使用臺積電的工藝。羅鎮(zhèn)球先生表示，一個行業(yè)只能容納一個第一名和半個第二名，這個就是行業(yè)的特色。正是這種相攜相伴，共同成長，才成就了兩家公司?，F(xiàn)在，新思科技和臺積電都已成為所在行業(yè)里的第一名。最后，羅鎮(zhèn)球先生用“你中有我，我中有你”總結(jié)了兩家公司的關(guān)系。其實(shí)，這幾個字也折射了EDA與先進(jìn)工藝制程研發(fā)的關(guān)系。

新思科技的中國故事，25年助力產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展

在電子信息行業(yè)，EDA/IP是科技創(chuàng)新之源。為了做好這個源頭，新思科技每年的研發(fā)投入約占總收入的30%。目前，公司在全球設(shè)有29個研發(fā)中心。全球10大半導(dǎo)體企業(yè)中的9家使用了新思科技的虛擬原型驗(yàn)證系統(tǒng)。在過去的25年，中國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。新思科技也在不斷引進(jìn)更多的EDA技術(shù)，從最早只做邏輯綜合，到相繼收購了近百家企業(yè)。新思也是全球第一家提出前后端整合設(shè)計流程的公司，進(jìn)一步提高了芯片設(shè)計效率，縮短了整個芯片的開發(fā)周期。

最新建成投用的新思科技武漢全球研發(fā)中心是新思科技全球最高級別的研發(fā)中心，服務(wù)全球客戶。研發(fā)中心的產(chǎn)品布局將進(jìn)一步向EDA、IP核及軟件安全方面全面延展。新思科技總裁兼聯(lián)席CEO陳志寬博士指出，武漢全球研發(fā)中心落成是新思科技在中國發(fā)展的重要里程碑，同時它也開啟了新思科技中國25周年慶這一值得紀(jì)念的另一個重要里程碑。

談到研發(fā)中心為什么選址武漢，新思科技中國董事長兼全球資深副總裁葛群先生透露，新思科技的武漢項(xiàng)目始于9年前的規(guī)劃，2012年項(xiàng)目正式簽約，那個時候陳志寬博士就決定在武漢成立美國之外最大的全球研發(fā)中心。新思科技武漢公司總經(jīng)理胡雋先生則介紹了選擇武漢的四個主要原因：一是地理優(yōu)勢，武漢地處中國的中心地帶。二是武漢歷史悠久，城市底蘊(yùn)豐厚。三是人才優(yōu)勢，武漢高校眾多，在校生人數(shù)位居全球第一。四是政府重視，光谷占地518平方千米，是一個年輕有活力的區(qū)域。研發(fā)中心現(xiàn)有員工300多名，約90%為擁有碩士和博士學(xué)位的研發(fā)人員，規(guī)劃人數(shù)500人。

芯片的發(fā)展主要依靠人才。根據(jù)《中國集成電路產(chǎn)業(yè)人才白皮書（2018-2019）》發(fā)布的數(shù)據(jù)，總體上看我國集成電路人才缺口依然較大。白皮書預(yù)計到2021年前后，全行業(yè)人才需求規(guī)模為72.2萬人左右，設(shè)計業(yè)26.8萬人，制造業(yè)24.6萬人，封測業(yè)20.8萬人。也就是說，至2021年，我國仍然存在26.1萬人的缺口。

“按照我國高校目前的培養(yǎng)速度，很難彌補(bǔ)這樣一個缺口，我覺得更好的方法應(yīng)該是用更先進(jìn)的方法學(xué)，讓更少的人能做更多的設(shè)計。中國半導(dǎo)體應(yīng)該更多地去投入研究如何讓工具更高效，本來需要三、五個人做的事情，現(xiàn)在一個人就能做，這樣的話，32萬的人才缺口才可能補(bǔ)上。用更少的人力完成更多的工作，這才是EDA公司對集成電路產(chǎn)業(yè)帶來更大貢獻(xiàn)的地方。”葛群先生表示。

過去幾十年來，集成電路技術(shù)的演進(jìn)幾乎有一個金科玉律，那就是如果能夠把電路越做越小，把兩個芯片合成一個芯片，三個芯片合成兩個，再合成一個，這一定是對的。但是現(xiàn)在有了先進(jìn)封裝技術(shù)以后，這個觀念就被打破了。研發(fā)人員發(fā)現(xiàn)，把一個大的芯片分成兩個或者分成三個，它的效能也不差，但是它的價格會更好。在這個情況下，整個系統(tǒng)架構(gòu)就完全改變，不再把芯片越做越小，而是把一個大的芯片分成小的芯片，再重新來組合。回看整個電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，基于集成電路的不斷創(chuàng)新，芯片功能越來越強(qiáng)、功耗越來越低、價格更是越來越低。這一切均與EDA技術(shù)的進(jìn)步有著密不可分的聯(lián)系。借用武漢弘芯半導(dǎo)體制造有限公司首席執(zhí)行官蔣尚義先生的話說，在此過程中，整個集成電路生態(tài)環(huán)境正在重新建立，作為產(chǎn)業(yè)基石的EDA，將有更大的市場空間。