用最小氣力而可以一劍封喉的，一定是江湖上最毒辣的武器。電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化EDA軟件，正是半導(dǎo)體江湖上這樣的毒器。EDA軟件在整個(gè)全球不過區(qū)區(qū)100億美元的產(chǎn)值，卻主宰著全球5000億美元的全球集成電路市場，和它背后近1.5萬億美元的整個(gè)電子產(chǎn)業(yè)。僅僅從EDA對集成電路的影響而言，杠桿力高達(dá)50倍。而在中國，這個(gè)杠桿效應(yīng)更大。作為全球規(guī)模最大、增速最快的中國集成電路市場規(guī)模，2018年已經(jīng)達(dá)到2萬億元人民幣，而EDA在中國的市場體量僅為35億人民幣，籠統(tǒng)計(jì)算可以認(rèn)為這個(gè)杠桿力為570倍。如果這是一種毒素的話，它的毒性效應(yīng)將近600倍。如果考慮到中國95%市場份額都集中在國外廠家，尤其是全世界70%的EDA產(chǎn)值都壟斷在三家美國公司手中（盡管有一家已經(jīng)被西門子收購，但并不能改變多少國家的屬性），問題更要嚴(yán)重得多。

　　這就是中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)面臨的如劍在喉的處境。

　　那么，這樣的工業(yè)軟件工具是如何煉成的？除了大手筆研發(fā)、早已跟全球產(chǎn)業(yè)鏈融合在一起的企業(yè)軟件巨頭之外，政府和產(chǎn)業(yè)共同體的身影，才是最值得琢磨的招法。

　　1. EDA是工程創(chuàng)新的成功典范。

　　如果有人認(rèn)為EDA軟件，只是一個(gè)信息化軟件，只是一把工具，那么他對EDA基本是處于一種半知無解的態(tài)度。

　　這是對科學(xué)與工程的雙重失敬。EDA軟件，是人類工程史上的一座宏大的豐碑。

　　在人類歷史上，EDA軟件成功地設(shè)計(jì)了世界上最為復(fù)雜的、以指數(shù)級增長的超級微雕物理宮殿。從1971年第一個(gè)擁有2250個(gè)晶體管的微處理器(Intel 4004)開始，到擁有103億個(gè)晶體管的華為最新移動(dòng)處理器麒麟Kirin 990， 電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化EDA軟件都跟著進(jìn)化。電路仿真軟件SPICE作為最早的、在今天仍然是最重要的軟件之一，同樣誕生于1971年。比摩爾定律的提出時(shí)間晚了6年，但它從此卻成為摩爾定律的最忠誠的保駕護(hù)航者。

　　圖1：EDA讓設(shè)計(jì)成本急劇下降

　　在2001年的時(shí)候，半導(dǎo)體技術(shù)路線圖能否沿著摩爾定律發(fā)展的最大威脅，正是來自設(shè)計(jì)費(fèi)用的飆升。EDA軟件的發(fā)展，成功地平復(fù)了成本的暴動(dòng)。實(shí)際上，它一直就是這樣的“成本殺手”的角色。根據(jù)加州大學(xué)Kahng教授的計(jì)算分析，在2011年一片芯上系統(tǒng)SoC的設(shè)計(jì)費(fèi)大約是4000萬美元。如果沒有EDA技術(shù)進(jìn)步，這筆費(fèi)用會(huì)上升至77億美元。EDA軟件讓設(shè)計(jì)費(fèi)用整整降低了200倍。

　　其次，EDA是計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程領(lǐng)域中第一個(gè)將計(jì)算建模、計(jì)算思維、計(jì)算探索的概念和技術(shù)，成功應(yīng)用于電子電路設(shè)計(jì)工程領(lǐng)域。它改變了電子工程師設(shè)計(jì)和制造集成電路的方式。今天要設(shè)計(jì)任何一個(gè)電路，都可以從可執(zhí)行編程語言規(guī)定的高度抽象的計(jì)算模型開始。然后，電路設(shè)計(jì)經(jīng)過一系列綜合、轉(zhuǎn)換和優(yōu)化，再進(jìn)行嚴(yán)格的數(shù)字模擬和原型設(shè)計(jì)，還有正式和半正式的驗(yàn)證，最后通過先進(jìn)的光刻和化學(xué)工藝制造出來。各環(huán)節(jié)高度專業(yè)，界面清晰，分工明確。

　　最后，EDA是最早從事跨領(lǐng)域合作的計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程領(lǐng)域之一。計(jì)算機(jī)科學(xué)家和EDA工程師已與電氣工程師合作，獲得了不同層次的電路模型。他們與物理學(xué)家和化學(xué)家合作推出了制造模型；他們與理論計(jì)算機(jī)科學(xué)家合作，進(jìn)行各種復(fù)雜性分析；他們與應(yīng)用數(shù)學(xué)和優(yōu)化專家合作，開發(fā)伸縮性很好的模擬和綜合算法；他們并與應(yīng)用領(lǐng)域?qū)＜液献?，開發(fā)知識產(chǎn)權(quán)(IP)庫。

　　正因?yàn)槿绱耍珽DA軟件成為半導(dǎo)體行業(yè)的驕子。電子電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域遇到的問題，比如說成本壓力、復(fù)雜性挑戰(zhàn)、多樣性挑戰(zhàn)，有很多是需要通過EDA來解決。與此同時(shí)，EDA也在擴(kuò)展其自身的應(yīng)用領(lǐng)域，跳出電子電路的窠臼，解決諸多新興領(lǐng)域設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用問題。當(dāng)硬件行業(yè)越來越多的討論“后摩爾時(shí)代”的時(shí)候，EDA責(zé)無旁貸地地頂起了重?fù)?dān)，不僅是要延續(xù)“摩爾定律”，而且要實(shí)現(xiàn)“超越摩爾”的雄心。

　　要認(rèn)識這樣的工業(yè)軟件，沒有大是大非的工程思維，是不可能理解它的復(fù)雜性。

　　2. 基礎(chǔ)研究功不可沒

　　于是，美國基礎(chǔ)研究登場。即使美國EDA軟件企業(yè)已經(jīng)取得了絕對壟斷性的地位，但美國政府從來沒有收手，它以一種持續(xù)加碼的方式，推動(dòng)EDA軟件的基礎(chǔ)研究的發(fā)展。

　　在美國，是國家科學(xué)基金（NSF）和半導(dǎo)體研究共同體（SRC）為EDA研究插上了翱翔藍(lán)天的翅膀。

　　NSF規(guī)劃未來研究方向。在2006年10月，NSF和SRC舉辦了一個(gè)聯(lián)合研討會(huì)，研究設(shè)計(jì)自動(dòng)化(DA)的未來方向。他們建議通過一項(xiàng)“國家設(shè)計(jì)倡議（NDI）”加強(qiáng)對設(shè)計(jì)技術(shù)和工具的研究，重點(diǎn)關(guān)注三個(gè)研究領(lǐng)域。一是開發(fā)更新、更強(qiáng)大、面向信息物理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)科學(xué)和方法，將設(shè)計(jì)生產(chǎn)力提高一個(gè)數(shù)量級，超越當(dāng)前包含數(shù)十億晶體管的系統(tǒng)集成技術(shù)；二是建立更穩(wěn)健的優(yōu)化方法，為高可變、多領(lǐng)域、高度不確定的集成系統(tǒng)提供可靠的性能保證；三是極大改進(jìn)交互界面，支持高級系統(tǒng)的量產(chǎn)，以便最大限度的利用技術(shù)。他們在技術(shù)目標(biāo)與經(jīng)濟(jì)目標(biāo)之間建立聯(lián)系，使公眾確信類似的努力對“保持美國在納米和微系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)方面的領(lǐng)導(dǎo)力地位”至關(guān)重要。

　　EDA的定義也至關(guān)重要。維基百科Wikipedia將EDA定義為“用于設(shè)計(jì)和生產(chǎn)電子系統(tǒng)(從印刷電路板到集成電路)的工具類別”，有時(shí)被稱為ECAD或ICCAD等。然而，這樣的定義過于狹隘，只是突出了EDA技術(shù)使用的方面，卻并沒有反映EDA深厚的科學(xué)跟腳。為此NSF強(qiáng)調(diào)，一個(gè)良好的EDA定義應(yīng)該同時(shí)強(qiáng)調(diào)以下三個(gè)方面。第一，EDA由一系列方法、算法和工具組成，這些方法、算法和工具可以幫助電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和測試實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。第二，EDA體現(xiàn)了一種通用的方法，它尋求將高級描述逐步細(xì)化為低級詳細(xì)的物理實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)范圍從集成電路和SoC到印刷電路板和電子系統(tǒng)。第三，EDA涉及到在每個(gè)抽象級別上的建模、綜合與驗(yàn)證。

　　江山如此多嬌，山水之下多暗礁。這才是EDA的真面目。只有清楚EDA的復(fù)雜性，清楚EDA遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了普通工具與算法，才能真正從科學(xué)上敬畏它，從戰(zhàn)略上重視它，從機(jī)理上做持續(xù)性的發(fā)展。

　　美國自然基金委NSF做的正是這樣的事情。

　　3. NSF投資EDA的研究

　　NSF的主要任務(wù)是促進(jìn)突破性的發(fā)現(xiàn)，每年掌握七十億美元左右的投資預(yù)算，投資目錄十分豐富。而EDA領(lǐng)域的研究范圍十分廣泛，從高層的混合信號系統(tǒng)綜合到微觀新興技術(shù)密集的多尺度模擬，這就使對EDA項(xiàng)目的投資在主干之外，還有許多偶發(fā)的支流。比如說，像信息技術(shù)研究計(jì)劃（ITR）和國家納米技術(shù)計(jì)劃（NNI）這樣的專門研究計(jì)劃也會(huì)為EDA研究提供額外的投資。例如，在1999至2004財(cái)年的5年期間，ITR每年為設(shè)計(jì)自動(dòng)化（DA）提供約300萬美元的資助，而CISE到了2005財(cái)年還能從NNI每年拿200萬美元用于與設(shè)計(jì)自動(dòng)化相關(guān)的研究。

　　此外，NSF還通過其職業(yè)獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃支持年輕的研究人員從事EDA研究，每年會(huì)專門支持五六個(gè)EDA的新項(xiàng)目。研究人員也能從其他的項(xiàng)目中拿到關(guān)于EDA研究的資助，比如納米相關(guān)研究或嵌入式系統(tǒng)研究等。

　　NSF對EDA的投資，來源是多種多樣的。但物必有主，無主則爭，誰應(yīng)該對NSF的EDA投資渠道承擔(dān)主要責(zé)任呢？

　　EDA作為兼具理論和工程的學(xué)科，需要強(qiáng)大的計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施支持，這使得它的研究成本十分高昂。處于工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)的交界地帶，EDA是計(jì)算機(jī)科學(xué)解決工程問題的應(yīng)用范例。雖然EDA研究必然受到工程需求和約束的限制，但是針對EDA研究問題的解決方案一直以來都是通過數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的核心理論來實(shí)現(xiàn)的。其次，解決EDA問題取得的成果可以用來幫助解決數(shù)學(xué)及計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的開放問題。例如，驗(yàn)證是基于數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)理論的，但它本質(zhì)上是多學(xué)科的，涉及驗(yàn)證研究人員，以及在待驗(yàn)證系統(tǒng)方面具有豐富知識的領(lǐng)域?qū)＜摇?/p>

　　如果視野放得更寬，可以發(fā)現(xiàn)EDA視角在解決其他科學(xué)問題方面也是非常有價(jià)值的。例如，研究人員正在將EDA思想應(yīng)用到解決物理、化學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)和合成生物學(xué)問題的工具開發(fā)中。這正是有計(jì)算、又有信息學(xué)、還要有工程要素的融合之地。因此在美國自然基金委NSF對EDA的管理體系中，計(jì)算機(jī)、信息科學(xué)與工程理事會(huì)（CISE）是主要操盤手。

　　NSF對EDA研究的投資額度在每年800萬美元到1200萬美元之間波動(dòng)，大部分的投資來自于NSF核心發(fā)展投資計(jì)劃之下的計(jì)算機(jī)、信息科學(xué)與工程理事會(huì)（CISE）和工程理事會(huì)的電氣通信和網(wǎng)絡(luò)工程分部（ECCS），CISE和數(shù)學(xué)科學(xué)部聯(lián)合主辦的計(jì)算機(jī)科學(xué)與數(shù)學(xué)跨學(xué)科項(xiàng)目也會(huì)提供部分資金。也就是說，CISE和ECCS每年掌握大約7億美元左右的投資額度，投給EDA的大概占到2%左右。

　　圖2：NSF投資EDA的組織框架

　　那么，NSF到底資助了多少個(gè)EDA相關(guān)的項(xiàng)目呢？

　　2015年，IEEE的一個(gè)工作組請了兩位資深的EDA項(xiàng)目經(jīng)理對NSF資助過的EDA項(xiàng)目進(jìn)行識別，最終統(tǒng)計(jì)出從1984年到2015年，有將近1190個(gè)NSF研究課題是與EDA（DA）強(qiáng)相關(guān)的。

　　1190個(gè)項(xiàng)目！！每年40個(gè)項(xiàng)目，持續(xù)30年的基礎(chǔ)研究投入。這是一個(gè)國家對EDA軟件的基礎(chǔ)研究的態(tài)度。

　　4. SRC如何支持EDA研究

　　半導(dǎo)體研究共同體SRC是世界領(lǐng)先的大學(xué)半導(dǎo)體和相關(guān)技術(shù)研究聯(lián)盟，是推動(dòng)美國半導(dǎo)體共性技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵性力量。行業(yè)合作伙伴包括應(yīng)用材料公司AM、格羅方德GLOBALFOUNDRIES、IBM、英特爾公司、美光科技公司、雷神公司、德州儀器公司和聯(lián)合技術(shù)公司。

　　在1982年SRC成立的時(shí)候，設(shè)計(jì)科學(xué)是一個(gè)最初的焦點(diǎn)領(lǐng)域，而EDA研究是它的主要部分。而設(shè)計(jì)科學(xué)基金的預(yù)算，則獨(dú)占SRC預(yù)算的四分之一，其余的則致力于技術(shù)和制造業(yè)。發(fā)展至今日，SRC依然專設(shè)“計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和測試”的研究領(lǐng)域，歸屬于“全球協(xié)同研究中心”的旗下。SRC接受來自聯(lián)盟企業(yè)的捐款，每年安排數(shù)百萬美元的資金用于EDA技術(shù)的研究。

　　SRC并不著急立刻盈利，它關(guān)注的是未來卡脖子的前沿性技術(shù)的應(yīng)用。六年前SRC公布了“星網(wǎng)”計(jì)劃，這是和美國國防部高級預(yù)研局DARPA聯(lián)合投資的大學(xué)研究中心網(wǎng)絡(luò)——跨越24個(gè)州的42所大學(xué)，計(jì)劃在五年內(nèi)向六個(gè)大學(xué)研究中心投資1.94億美元。這是重點(diǎn)研究下一代微電子技術(shù)。SRC也清楚，“星網(wǎng)”計(jì)劃所研究的技術(shù)可能至少在未來10-15年內(nèi)都不會(huì)具有商業(yè)可行性，但成員們將能夠?qū)Ξa(chǎn)生的IP進(jìn)行再授權(quán)。“星網(wǎng)”計(jì)劃是對“焦點(diǎn)中心研究計(jì)劃”(FCRP)的延續(xù)。2008年，全國共有5個(gè)FCRP中心，其中GSRC和C2S2中心與EDA項(xiàng)目直接相關(guān)，來自這兩個(gè)中心的與EDA相關(guān)的資金估計(jì)在400萬美元到500萬美元之間。

　　圖3：“星網(wǎng)”計(jì)劃連接大學(xué)研究中心

　　SRC在整合行業(yè)資源、專注于共性的“競爭前”領(lǐng)域起到了關(guān)鍵作用，NSF也在探索類似的聯(lián)合資助模式。他們與美國國防部以及工業(yè)界締結(jié)了牢固的聯(lián)合投資機(jī)制，每年將大約2000萬美元的資金投向EDA研究領(lǐng)域。

　　5. 產(chǎn)業(yè)前傳的主角是共性技術(shù)研發(fā)

　　如果按照技術(shù)成熟度等級的標(biāo)準(zhǔn)看，NSF資助的EDA研究項(xiàng)目大多位于1~3級之間，然后接力棒就交給了SRC，由SRC資助技術(shù)成熟度在4~6之間的研究項(xiàng)目，著名的“創(chuàng)新死亡谷”就在這個(gè)范圍。

　　有些人可能認(rèn)為，由于EDA問題通常與產(chǎn)業(yè)直接相關(guān)，所以產(chǎn)業(yè)應(yīng)該是主要的財(cái)務(wù)支持者。這一點(diǎn)自然是對的，EDA三大巨頭都是投入巨資在做研發(fā)。然而，這些企業(yè)也非常關(guān)心基礎(chǔ)研究，而且一直也是EDA基礎(chǔ)研究的積極支持者，他們會(huì)通過SRC進(jìn)行基礎(chǔ)共性技術(shù)的投資。

　　各家企業(yè)單獨(dú)用來進(jìn)行EDA基礎(chǔ)研究的資金十分有限，即使在經(jīng)濟(jì)形勢好的時(shí)候，也難以支持EDA的研究需求，需要通過共同體將研究資金聚集起來，集中力量進(jìn)行產(chǎn)業(yè)共性技術(shù)創(chuàng)新。這正是美國半導(dǎo)體研究共同體SRC的巨大價(jià)值。

　　EDA研究極其需要理論研究，而這些理論研究大概率難以獲得及時(shí)的商業(yè)應(yīng)用，因此很難獲得來自企業(yè)的直接贊助。企業(yè)青睞能夠迅速見效的短期項(xiàng)目，而風(fēng)險(xiǎn)更大、周期更長、商業(yè)應(yīng)用更不明確而又十分必要的研究項(xiàng)目，就需要NSF及SRC這樣的非盈利服務(wù)機(jī)構(gòu)投資并組織研發(fā)。

　　例如，模型檢查和模型簡化是EDA技術(shù)的典型應(yīng)用，如果沒有最初由NSF和DARPA提供的長期資助，可能不會(huì)達(dá)到能夠引起業(yè)界關(guān)注的成熟度水平。產(chǎn)業(yè)界對“長周期”的“寬容”永遠(yuǎn)比不上從科學(xué)研究到商業(yè)盈利的長周期。比如，模型檢查技術(shù)從編程語言理論開始發(fā)展，到成熟的軟件貨架產(chǎn)品，經(jīng)歷了二十多年，在最初的10年里，它完全是由國家科學(xué)基金會(huì)支持的。

　　圖4：NSF和SRC支持的項(xiàng)目

　　NSF和SRC的交互配合，在一定程度上彌合了創(chuàng)新前段由于知識需求和商業(yè)關(guān)注的巨大差距形成的“創(chuàng)新死亡谷”。

　　6. 還惦記別人家的鍋

　　然而，研究投資永遠(yuǎn)是不夠的，尤其是看向競爭伙伴的時(shí)候。NSF科學(xué)家們，在理直氣壯地向國家要錢的時(shí)候，從來不會(huì)忘了拿中國臺(tái)灣和歐洲說事。

　　他們看到，在中國臺(tái)灣，當(dāng)局通過直接投資和校企合作扶持EDA。與EDA相關(guān)的重要項(xiàng)目之一是SoC計(jì)劃，該計(jì)劃自2001年起每年資助7000萬美元。研究主題包括集成電路、嵌入式軟件和設(shè)計(jì)自動(dòng)化。NSF的專家們認(rèn)為，其中有一半左右是用來發(fā)展EDA的。其他的扶持資助項(xiàng)目還包括與數(shù)據(jù)分析相關(guān)的研究，自2003年以來，中國臺(tái)灣每年投資1億美元研究納米技術(shù)；1998年以來，每年投資7000萬美元研究電信項(xiàng)目。在大學(xué)-產(chǎn)業(yè)-政府計(jì)劃中，臺(tái)灣當(dāng)局扮演主要的促成者角色，鼓勵(lì)產(chǎn)業(yè)配對與參與。值得注意的是，在政府撥款只有5%的管理費(fèi)用，工業(yè)撥款只有20%的管理費(fèi)用，這令NSF的科學(xué)家們贊嘆不已。

　　歐洲也令美國NSF眼饞。雖然沒有專門針對EDA的項(xiàng)目，但許多歐洲國家都有國家項(xiàng)目來支持信息和通信技術(shù)(ICT)、納米技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)、高級計(jì)算和軟件技術(shù)等領(lǐng)域的研發(fā)，這些領(lǐng)域都包含EDA的各個(gè)方面。最新的Eureka計(jì)劃之一是Catrene(歐洲納米電子學(xué)應(yīng)用和技術(shù)研究集群)，它是一個(gè)2008年到2012年的計(jì)劃。Catrene有30億歐元的預(yù)算，合作伙伴包括大學(xué)、半導(dǎo)體制造商如英飛凌、NXP、飛利浦等，也有空客和大眾的大用戶，當(dāng)然也少不了EDA軟件公司Cadence。這里面就有兩個(gè)項(xiàng)目明確地指向EDA。

　　而在另外一個(gè)歐洲研發(fā)項(xiàng)目中，2001年至2008年期間的預(yù)算為40億歐元，總資金的75%來自公司。它支持了70個(gè)項(xiàng)目，其中15個(gè)集中在EDA。

　　這些動(dòng)向，都逃不開美國自然基金委NSF的眼睛。NSF專家們經(jīng)過估算，認(rèn)為中國臺(tái)灣地區(qū)和歐洲投資EDA研究的資金，比美國政府和產(chǎn)業(yè)界投給EDA基礎(chǔ)研究的資金多出幾倍。即使作為全球最強(qiáng)大的EDA基地，美國NSF仍然有強(qiáng)烈的沖動(dòng)，認(rèn)為需要加強(qiáng)對EDA研究的投資。而且對全球任何其他地方在該領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究，都投以了警惕的目光。

　　7. 小記

　　美國擁有培養(yǎng)完整的EDA從基礎(chǔ)研究、到應(yīng)用轉(zhuǎn)化，到商業(yè)應(yīng)用的全科技產(chǎn)業(yè)鏈條。即使美國企業(yè)占有絕對壟斷地位，即使產(chǎn)業(yè)界擁有開放的協(xié)同創(chuàng)新體系，美國科學(xué)界仍然在持續(xù)地進(jìn)行前瞻性研究，仍然不斷呼吁加大基礎(chǔ)研究的投資力度。

　　那么，當(dāng)后行者剛剛開始出現(xiàn)在路面就被卡脖子的時(shí)候，后行者將需要有怎樣的雷霆手段，才能追趕遙遙走在地平線遠(yuǎn)端的領(lǐng)先者。砸錢是人們認(rèn)為最直接有效的方法。2014年大基金I期1200億元，2019年10月份大基金II期再砸2000億。只是，這些基金看上去都攜帶著急急如律令，往往都直接砸到了產(chǎn)業(yè)端?！八俳淮鹁怼?，是他們生下來就承諾過的使命。

　　然而，許多工業(yè)軟件的解藥，往往都是慢郎中的藥方。如果全然不管前端的數(shù)學(xué)物理機(jī)理和工程系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究突破，EDA軟件的崛起，基本就是一個(gè)無解之題。