美国断供EDA?无需过度恐慌

数智前线

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· 8月15日

美国新一轮出口限制涉及3纳米及以下芯片的设计工具,以及业内尚未大规模量产的氧化镓和金刚石衬底。目前看来,这些似乎未对国内产业立刻产生巨大影响,但美国的目标是将中国的芯片技术,锁定在与先进技术相差几代的水平上。

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美国断供EDA?无需过度恐慌

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图片来源@视觉中国

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文|数智前线下,作者|石兆,编辑|王飞飞

美国新一轮出口限制涉及3纳米及以下芯片的设计工具,以及业内尚未大规模量产的氧化镓和金刚石衬底。目前看来,这些似乎未对国内产业立刻产生巨大影响,但美国的目标是将中国的芯片技术,锁定在与先进技术相差几代的水平上。

而由于上述技术也涉及到人工智能、新能源等新兴产业,让美国限定中国发展的意图越来越明显。半导体行业资深人士认为,现在需要进行全面梳理,尤其解决设备和材料的全产业链问题。

 

在紧张的大局势下,一则美国断供EDA软件的消息在社交网络上迅速传播,一时之间,风声鹤唳。但数智前线了解到,该说法并不准确。

美国商务部工业与安全局(BIS)网站在8月12日发布了一项规定,对四项“新兴和基础技术”出台了出口管制措施,该规定将于8月15日生效。这四项技术有三项涉及先进半导体,包括两种材料和一个工具,分别是氧化镓(Ga2O3)和金刚石,还有一种ECAD软件,用于开发具有GAAFET结构的集成电路。除了这三项外,另一个是燃气涡轮发动机的增压燃烧(PGC)技术。

不难发现,美国这次限制的是针对GAAFET结构的芯片设计工具。这种工艺目前用于2nm、3nm等先进制程,全球也只有两家能制造GAA芯片的晶圆厂。

这也一直是美国打压中国产业的思路——低端赚你钱,高端卡你脖。比如光刻机领域卡的也是EUV光刻机。

有资深人士告诉数智前线,美国的意图很明显,针对芯片制造厂的设备出口卡在14纳米,芯片设计工具卡在3纳米,目标是将中国的芯片技术,锁定在与先进技术相差几代的水平上。

01、美国第三次出手,影响几何?

这是美国针对中国在EDA领域发起的第三次出口管制。第一次是2018年针对中兴通讯,第二次是2019年针对华为,第三次则影响到国内设计3纳米及更先进芯片产品的企业。

目前市场上使用最先进制程的芯片除了苹果手机、电脑等电子消费品,其他都是一些大算力芯片,如用于人工智能的GPU,用在数据中心、云计算中的服务器芯片。如果美国锁定高端芯片,可能对人工智能、云计算芯片的设计产生影响。

“毕竟EDA是个软件,又不像生产原材料要持续不断的供应,之前的版本可能客户已经买了,所以只能卡最新版本。”一位国内资深芯片人士告诉数智前线。在他看来,美国之所以打压EDA,核心还是控制国产芯片产能。目前,不管是高端还是成熟的工艺,大陆的芯片产能都不太够。“成熟的工艺我们自己能搞了,卡也卡不住了,所以只能卡先进工艺。”

值得注意的是,美国商务部并没有使用大众熟悉的“EDA”,而用了一个较为陌生的词——ECAD(电子计算机辅助设计软件)。有行业人士认为,这可能把相关软件都涵盖在里面,也就是说,范围比EDA要更大一些。

美国商务部称,ECAD是一类用于设计、分析、优化和验证集成电路或印制电路板性能的软件工具。ECAD软件在军事、航空航天、国防工业的各种应用中,用于设计复杂的集成电路。

而这次出口管制针对的是设计GAAFET技术的工具。GAAFET技术是芯片扩展到3纳米及以下技术节点的关键。也就是说,美国针对的是3纳米及以下先进芯片的设计工具,而非全部芯片设计工具。因此说美国断供EDA是不准确的。

目前,芯片主流的工艺架构是FinFET(鳍式场效应晶体管),像7nm工艺用的都是这种,但进入3nm制程工艺后,主流架构变成了GAAFET(全栅场效应晶体管)。

不过,几位芯片设计人士告诉数智前线,目前这项管制措施的影响有限,因为国内还很少用到3nm设计,比如部分AI芯片、GPU芯片用的是7nm,而电视、机顶盒、车规级芯片大多还是28nm。

但有上述人士称,这是长期影响和短期影响的差别,就像几年前人们认为7nm还很遥远,但如今已全面量产,“未来我们也会走到3nm”。这意味着,美国想通过这种做法,保持着对中国的芯片的优势。

02、国产EDA差在哪里?

谈及芯片,外界言必谈光刻机和EDA,前者是制造的关键环节,后者负责设计。

此前,美国已经不允许荷兰光刻机企业ASML将生产7nm芯片的EUV光刻机卖给中国大陆。而根据媒体报道,美国一家芯片设备制造商的CEO也透露,“最近我们接获通知,要扩大禁售项目到14纳米以下。”

在美国芯片法案的背景下,它进一步打压中国半导体产业并不令人意外。目前,国内EDA软件还有多大差距呢?

 “EDA是确定性知识的集成,并不存在原理性的障碍。”国内一位资深芯片人士对数智前线说。数智前线也从国产EDA人士处了解到,在7纳米和14纳米上,国内已经做到了部分设计环节的国产化。

EDA分为模拟芯片设计工具和数字芯片设计工具。有国内企业已经解决了模拟芯片的设计全流程。相对而言,数字芯片的设计工具更难,设计流程中涉及120个左右的“点工具”,分别在各个点工具上进行研发。据悉,国内有百家左右的设计工具企业。

国内目前有企业在推动全流程设计工具的开发,也有资深第三方在梳理企业情况,期望将不同企业的“点工具”打通,更快推动国内全流程芯片设计工具的落地。

但EDA背后考验的更多是与芯片制造厂之间的协同,比如同样的电路原理,如果工艺的参数库不一样,结果也就不一样。

“晶圆厂不给你提供工艺的这些参数,你的软件是设计不出来的。”国内一家做射频设计芯片的负责人告诉数智前线,半导体从设计、材料到设备是一整套生态的概念,“越往高端走,你就发现得几条腿同时进步才行,不可能说我软件很牛,但我晶圆制造不行。”

所以,真正难的还是怎么与上下游产业配合,通过实践去积累。“软件不是一蹴而就,它的每一代升级,跟着晶圆和材料的进展,性能的调校,都是在变化的。”另一位资深设计人士告诉数智前线,EDA工具的研发类似人工智能,需要大量的数据。

另外,虽然EDA很重要,但市场规模其实并不大。

国内EDA市场规模在5亿美元上下,在全球EDA市场规模中占比非常小。在这个市场上,主要还是为新思科技、Cadence和Mentor三巨头把控,国产化率不足10%,且竞争格局分散。

以已经上市的华大九天和概伦电子为例,华大九天2021年的营收只有5.8亿元,概伦电子的营收不到2亿元。而全球第一的Synopsys(新思科技)的收入为260亿元人民币左右,利润达到50多亿元人民币。中外差距甚远。

“与其说这个东西特别难做不出,不如说这个东西市场太小了,容纳不下太多人。”一位业内资深芯片人士对数智前线说,这个行业总共也不到1万人,一二十亿美元的规模。

在他看来,美国卡脖子对国内EDA企业一定程度上,可以把坏事变好事,“要不然,国内EDA公司老是不赚钱,大公司为了稳妥,都用了国外EDA软件,国产EDA处于这种尴尬的状态。”

03、除了软件,材料也被盯上

在美国商务部的限制名单里,除了EDA软件,还涉及两种半导体材料,一个是氧化镓(Ga2O3),另一个是金刚石衬底,两者都属于超宽禁带半导体材料。这类材料有望在更严酷的条件,例如更高的电压或更高的温度下工作。

这些材料还在研发中,并没有大规模产业化,而技术主要集中在日本和美国。但这些材料制造的芯片将更适应新能源、电网储能、通信等多个工业环境,因此也变得非常敏感和重要。

资深人士告诉数智前线,以新能源车为例,目前小鹏汽车、比亚迪、理想汽车、北汽极狐等新能源车企,已经布局800V快充技术,陆续在2022前后量产。根据报道,采用了快充技术后,充电5分钟,小鹏汽车的续航可以达到200公里,而比亚迪的续航可以达到150公里。而这些快充技术中可以使用氧化镓材料做的功率器件。

在电网领域,现在也是非常期望利用氧化镓的耐高压、低成本潜力。比如,去年,美国德州供电系统突然出现问题,再加上大雪天气,导致大面积断电。当时“微电网”这个概念被提及,即当电网出现问题的时候,微电网可以满足附近区域的正常供电,它的能量来自太阳能、风能、水能等的储能和转换。而转换所需的关键开关器件,目前是用氮化镓、碳化硅等材料做的。

但这些材料的生产成本很贵,占据了开关器件的40%到60%,本身也很难再降低。这就给了其他材料一个机会。而氧化镓有望实现低成本的器件,业内也在进行研发。

“因为美国刚出台这个政策,它封锁到什么程度,以什么形式封锁,我们还不是很清楚。综合来讲,对科研和产业会有影响。”上述资深人士说。

针对美国出口限制新政,一位资深行业从业者告诉数智前线,当务之急是沉下心来,对产业进行全面梳理,主要是设备材料这两方面,无论是按照工艺节点,还是按照用途,亦或是按照类别,找到问题所在。

“如果我们能把28纳米的设备全产业链国产化,包括它的核心部件、元器件、材料,以后10纳米、7纳米都会逐步实现。”上述人士说,这些年的投入仍然有些分散,有时显得“东一榔头,西一棒子”。

上述人士表示,包括EDA工具,根据报道,美国有企业采用90纳米设计的堆叠芯片,基本已经实现7纳米的性能。但国内在堆叠芯片的设计工具上还需要突破。堆叠工具要解决不同器件结构的仿真,这些器件的参数模型不一样,工具就不一样了,需要融合。

尽管美国的这一轮管制,目前看来似乎没有对国内产业立刻产生巨大、实质性的影响,但美国打压的范围越来越广,限定中国发展的意图越来越明显。在上述人士看来,中国需要沉住气,依靠巨大的市场需求,把基础夯实的同时,进行高端创新。

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