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來源：知識(shí)分子 近來，福州大學(xué)副教授陳建利收到了一份邀請(qǐng)，有朋友問他，是否愿意加入Cadence。 在芯片設(shè)計(jì)自動(dòng)化領(lǐng)域，Cadence是行業(yè)老大。它和另外兩家美國公司Synopsys、MentorGraphics壟斷了全球市場的95%。凡設(shè)計(jì)芯片都要用到它們的軟件工具。 陳建利被“惦記”并不奇怪。在芯片電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化這行，他已然是一顆冉冉升起的新星——2017年6月的DAC（Design Automation Conference）最佳論文獎(jiǎng)獲得者、11月的ICCAD（International Conference on Computer-Aided Design）的CAD學(xué)術(shù)競賽冠軍，都是大陸學(xué)者首次。他還在今年1月起擔(dān)任CEDA（The Council on Electronic Design Automation）設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)委員會(huì)委員，為7名委員中的唯一大陸學(xué)者。此外，他還有一篇論文獲得ICCAD 2018最佳論文提名獎(jiǎng)。 可問題是，這家Cadence公司——在4月時(shí)率先響應(yīng)美商務(wù)部號(hào)召，對(duì)中興實(shí)施禁運(yùn)。沒有它的授權(quán)，中國公司便很難設(shè)計(jì)芯片。外界大多關(guān)注了器件、知識(shí)產(chǎn)權(quán)模塊的禁運(yùn)，而少有人知道，軟件工具的禁運(yùn)照樣一箭封喉。 如今中興雖然已解禁，但卡脖子之痛尤在昨日，回過頭看陳建利的這份邀約，多少有些別樣的意味。 1如此依賴 不過，陳建利想繼續(xù)留在學(xué)界，并無進(jìn)入工業(yè)界的打算。 他從事的研究稱之為“物理設(shè)計(jì)”，屬于芯片設(shè)計(jì)流程當(dāng)中的一步。其中有兩大關(guān)鍵問題：如何在指甲蓋大小的芯片之上，將成百上千萬的器件（幾十億個(gè)晶體管）擺放下去？又如何將這幾千萬的器件連接起來組成電子電路？當(dāng)然，這些擺放和連線都要滿足一系列苛刻條件。 當(dāng)年，第一個(gè)集成電路處理器只有2200個(gè)晶體管，而今任何一部智能手機(jī)，芯片里都集成了三四十億的晶體管。顯然，如此大規(guī)模的器件擺放和繞線無法靠手工完成。 在去年獲獎(jiǎng)的這篇最佳論文中，陳建利和合作者提出了一種新的算法，可以將不同倍高的單元器件快速且接近最優(yōu)的方式排布到芯片上，無論是理論證明還是實(shí)測(cè)程序，都表明其最佳性。 如果考慮到芯片設(shè)計(jì)軟件工具的重要性、中國在這一領(lǐng)域缺乏原創(chuàng)性成果、中國企業(yè)長期依賴國外軟件的現(xiàn)實(shí)，陳的研究就很有意義。有了新的算法突破和初步程序，商用工具的開發(fā)就邁出了第一步。 通常來說，設(shè)計(jì)方需要從上游的公司如ARM獲得器件、知識(shí)產(chǎn)權(quán)模塊授權(quán)，然后再從Cadence等公司獲得設(shè)計(jì)軟件授權(quán)，設(shè)計(jì)完成的芯片“圖紙”再交給下游的晶圓廠如臺(tái)積電完成量產(chǎn)流片。 “從整個(gè)芯片設(shè)計(jì)流程來說，百分之七八十的時(shí)間都是要跟芯片設(shè)計(jì)軟件打交道的。可以說，在把最后方案交給晶圓廠制造之前，全部都是用這些工具進(jìn)行反復(fù)迭代的過程。” 從事機(jī)器人芯片設(shè)計(jì)研究工作的中國科學(xué)院計(jì)算所研究員韓銀和告訴《知識(shí)分子》。 長期以來，國內(nèi)似乎已經(jīng)習(xí)慣了花錢買授權(quán)，甚至是不花錢使用盜版，直到中興事件，才如夢(mèng)初醒，原來也有花錢也買不來的時(shí)候。 多位受訪人士表示，不僅是芯片，從飛機(jī)、航母，到汽車、手機(jī)甚至鞋子，與各個(gè)行業(yè)緊密聯(lián)系的工業(yè)設(shè)計(jì)、模擬仿真軟件已經(jīng)成為支撐先進(jìn)制造的共性關(guān)鍵技術(shù)，中國基本處在“人有我無”的卡脖子狀態(tài)。 “我們航空里面要做一個(gè)復(fù)雜的外形，不管是要做樣件加工還是實(shí)際生產(chǎn)，還是要用CATIA這樣的國外軟件進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)，它能做高階曲面，質(zhì)量非常好。” 北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院副教授王偉告訴《知識(shí)分子》，在代表先進(jìn)制造的航空航天領(lǐng)域，即使是某些龍頭企業(yè)，用的也是諸如CATIA這樣的國外軟件。 中國已經(jīng)在喪失人口紅利，之前簡單的來料加工和代工也已難以維系。工欲善其事，必先利其器，離開了先進(jìn)的設(shè)計(jì)模擬軟件，就無法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)的快速迭代，也無法實(shí)現(xiàn)成本的控制，只能最終在激烈的市場競爭中落敗。 拿設(shè)計(jì)一臺(tái)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)來說，離開先進(jìn)的數(shù)值模擬軟件，幾乎寸步難行。“一架F16和同等重量的黃金是等價(jià)的，而發(fā)動(dòng)機(jī)的價(jià)值，黃金也不能與之匹配。其中一個(gè)零部件級(jí)的實(shí)驗(yàn)件就可能達(dá)到上千萬、上億的造價(jià)，如果純粹依靠物理試驗(yàn)，估計(jì)需要做上千次零部件級(jí)實(shí)驗(yàn)，才能找到合適的設(shè)計(jì)參數(shù)區(qū)間，成本基本是不可控的。” 超算無錫中心先進(jìn)制造部部長任虎說。 由于正版高端軟件相對(duì)昂貴，國內(nèi)不少企業(yè)靠盜版過活，而一些高級(jí)的模塊無法直接購買，還需要走第三方渠道，比如在國外注冊(cè)公司再去購買。 “為什么我們做出來的東西不如別人漂亮，或者不如別人快，一個(gè)原因就是這些工具軟件關(guān)鍵的模塊不賣給你，只給你一級(jí)二級(jí)的技術(shù)，不會(huì)給你高級(jí)的技術(shù)。而隨著軟件工具轉(zhuǎn)向云端服務(wù)，盜版也將難以為繼。” 華航唯實(shí)機(jī)器人科技股份有限公司技術(shù)總監(jiān)宋智廣介紹說，如果不自主的話，可能今天不會(huì)感到痛，但再過幾年，“會(huì)突然發(fā)現(xiàn)競爭對(duì)手，比如國外企業(yè)每隔兩個(gè)月就推出新品，而國內(nèi)企業(yè)半年甚至一年才能推出新品，從效率上就大大落后了” 。 “沒有先進(jìn)的芯片設(shè)計(jì)工具，肯定設(shè)計(jì)不出先進(jìn)的芯片，這是大家的共識(shí)。” 具體到芯片設(shè)計(jì)，韓銀和這樣說。不過，真要做一款先進(jìn)設(shè)計(jì)工具，談何容易。 2壟斷之苦 芯片設(shè)計(jì)工具的研發(fā)基于核心算法，可對(duì)陳建利來說，過去的甘苦，一言難道盡。 2013年，是陳建利人生中的低潮。從讀碩士開始算起，他對(duì)布局這個(gè)問題的探究已經(jīng)過了6年，可依然沒有大的突破。這一年，他想去外邊看看，離開福州，去一衣帶水的寶島臺(tái)灣。 赴臺(tái)背后還有一個(gè)殘酷的現(xiàn)實(shí)。由于中國半導(dǎo)體業(yè)的落后，陳建利無法接觸到工業(yè)界真正的需求，而臺(tái)灣地區(qū)在集成電路方面，無論是制造、封裝、測(cè)試都已經(jīng)是僅次于美國的力量。在那里，通過參加各樣的研討會(huì)，接觸學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界的人士，對(duì)于在先進(jìn)制造過程下業(yè)界的需求有了更多的認(rèn)識(shí)。 “像我們獲獎(jiǎng)的論文，是在多倍高的器件（指的是器件的高度不一樣，但是整數(shù)倍，比如最小的器件是1的話，有的器件是2倍高，3倍高等等）下，引入了很多新的約束，新的設(shè)計(jì)規(guī)則，這是在先進(jìn)制程的東西。你要知道別人在做什么，業(yè)界需要的是什么，我覺得這個(gè)蠻關(guān)鍵。” 陳建利說。通過和臺(tái)灣大學(xué)教授張耀文合作，3年之后，布局的難題就被攻克了。 國內(nèi)的芯片設(shè)計(jì)企業(yè)某種程度也有和陳建利一樣的困境。由于國外企業(yè)建立的壟斷優(yōu)勢(shì)，下游的制造廠如臺(tái)積電、三星會(huì)優(yōu)先與Cadence等公司交流，將最先進(jìn)的庫給他們使用，一步步磨合，去解決先進(jìn)制程下的設(shè)計(jì)需求。 “我們國內(nèi)的芯片設(shè)計(jì)公司得不到這種細(xì)致的溝通，沒有大規(guī)模流片的測(cè)試，只能做一些保守的設(shè)計(jì)，把冗余盡量放大一點(diǎn)，這樣保證芯片是對(duì)的，但性能肯定不行。” 韓銀和說。 芯片設(shè)計(jì)軟件的研發(fā)難度已然不小，可另外一重尷尬是，雖然全球的集成電路市場有幾千億美元的規(guī)模，但是芯片設(shè)計(jì)軟件的市場不到百億美元，再加上全球市場已被三大公司瓜分，只剩下區(qū)區(qū)不到10%的市場，很少有新公司有動(dòng)力去研發(fā)新產(chǎn)品。 在過去的“七五””、“八五”、“九五”三個(gè)五年計(jì)劃中，中國國內(nèi)也曾集合了幾百人做了一個(gè)名為“熊貓”的芯片設(shè)計(jì)軟件，但一面世，美國各大公司便立即降價(jià)，將其扼殺在搖籃之中。迄今為止，包括芯片設(shè)計(jì)軟件在內(nèi)的工業(yè)軟件，中國大多購自國外或依賴于盜版。 不過，即使是像陳建利這樣，考慮了先進(jìn)制程，在核心算法上作出了突破，寫成了四十多萬行代碼的程序，可離推出一款成熟的布局工具還有很長的路要走。 “在學(xué)術(shù)上，我們可以做一些理想化的假設(shè)，比如只優(yōu)化兩個(gè)目標(biāo)，但要真正做成供大家使用的工具，溫度、功耗等各個(gè)方面都要考慮。” 除此之外，陳建利告訴《知識(shí)分子》，這幾家大公司覆蓋了芯片軟件設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)，形成了一個(gè)全方位的產(chǎn)品線，一個(gè)點(diǎn)工具的突破已經(jīng)很難撼動(dòng)大公司的地位。 3人才凋零 陳建利和導(dǎo)師朱文興是偶然進(jìn)入芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域的，他們所在的福大離散數(shù)學(xué)與理論計(jì)算機(jī)科學(xué)中心，本來專注于圖論與組合數(shù)學(xué)的純數(shù)學(xué)研究。2006年6月，中心主任范更華從《超大規(guī)模集成電路布圖理論及算法》一書得到啟發(fā)，申請(qǐng)了一個(gè)973項(xiàng)目的課題“大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)中的圖論與代數(shù)方法”。自那之后，讀碩士的陳建利與導(dǎo)師一干就是十幾年。 起初，外界并不看好他們，進(jìn)入一個(gè)新的領(lǐng)域需要較長時(shí)間的學(xué)習(xí)和積累，問題本身也極具挑戰(zhàn)。“說實(shí)話，我們做這個(gè)太累了，太難了，每天加班加點(diǎn)，周末也不休息，對(duì)建利我從來沒說過放棄，總是說要堅(jiān)持，但其實(shí)我自己也有過放棄的想法。” 朱文興感嘆道。 這中間也有不少人選擇了退出。剛起步時(shí)，中心曾用973的經(jīng)費(fèi)派遣一位老師到美國學(xué)習(xí)芯片設(shè)計(jì)，但不想，這位老師最后還是做回了本行。而最近剛畢業(yè)的一位博士，也選擇了一所小學(xué)校，原因是對(duì)方給了高額安家費(fèi)。 堅(jiān)持到今天，陳建利可謂“十年苦研無人問”。即使在今天，他的成果已經(jīng)獲得了國際同行的認(rèn)可，但由于學(xué)校當(dāng)初設(shè)計(jì)獎(jiǎng)勵(lì)制度時(shí)沒有考慮到這方面的成果，也沒法獲得學(xué)校獎(jiǎng)勵(lì)。一位本土培養(yǎng)的博士又是本校，十年來雖然解決了重要問題，發(fā)了重頭文章，但文章的數(shù)量總還是少；文章雖已是本領(lǐng)域的頂尖會(huì)議最佳論文，但不是發(fā)表在外界認(rèn)為的名刊Science和Nature。 “我覺得，芯片發(fā)展最缺乏的就是人才。集成電路的研究不一定要放在市中心，它最需要的其實(shí)是人才，但是這方面的待遇好像不是太好。”陳建利告訴《知識(shí)分子》。 在這一點(diǎn)上，韓銀和也深有體會(huì)，他介紹說，自己培養(yǎng)的博士生從事集成電路的不到三分之一人，從事學(xué)術(shù)研究的更少，而碩士則基本沒有繼續(xù)從事集成電路的工作，他們都奔去了紅火的互聯(lián)網(wǎng)、AI、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈。 “我們國內(nèi)的人才太少了，有些數(shù)據(jù)說，Synopsys公司全球員工1萬多人，我們國家做芯片設(shè)計(jì)工具的連工程師加學(xué)生不超過1000人，這些人還大部分在外企，留在國內(nèi)公司的不過三四百人。” 他說。 產(chǎn)業(yè)凋敝、市場萎縮，就像是一個(gè)無法阻止的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，直接導(dǎo)致畢業(yè)生需求減少，科研人員流失，人才培養(yǎng)停滯、學(xué)科凋零。如果說，工業(yè)軟件的缺失是一場災(zāi)難，人才和學(xué)科的瀕死則是釜底抽薪。 4轉(zhuǎn)型中的希望尚存 中國的工業(yè)軟件，是否只剩下了繳械投降？ 工業(yè)軟件某種程度是整個(gè)工業(yè)知識(shí)、先進(jìn)理論和工業(yè)實(shí)踐的具體體現(xiàn)，目的是輔助工程師去做設(shè)計(jì)和研發(fā)，中國的工業(yè)基礎(chǔ)薄弱，落后國外也屬正常。不過，隨著基礎(chǔ)研究的推進(jìn)，新的認(rèn)識(shí)和方法不斷涌現(xiàn)，設(shè)計(jì)仿真和模擬的工具軟件也有新陳代謝。 “可以說，新的理論、方法、新的軟件技術(shù)、新的計(jì)算平臺(tái)，一切都在革新中，沒有任何東西是一成不變的，任何人都不可能躺在過去的功勞簿上睡大覺而自動(dòng)領(lǐng)先。”任虎說。 從現(xiàn)實(shí)看，工業(yè)軟件也處于轉(zhuǎn)型的風(fēng)口，變局中蘊(yùn)藏著機(jī)遇。 在芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域，受阿爾法狗（AlphaGo）打敗世界圍棋冠軍的啟發(fā)，科研人員正在試著用AI打敗電路設(shè)計(jì)師。國內(nèi)外的不少研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)將人工智能用于芯片的設(shè)計(jì)驗(yàn)證、架構(gòu)探索和優(yōu)化，并取得了不錯(cuò)的效果。 “如果把智能和自動(dòng)化結(jié)合起來，將來做一個(gè)芯片，可以基于開源的知識(shí)產(chǎn)權(quán)核組合起來，用工具自動(dòng)生成，可能一個(gè)芯片做出來只要三個(gè)月時(shí)間，而不是過去的兩年。那傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)軟件是完全做不到的，這里面就有機(jī)會(huì)。” 韓銀和認(rèn)為，開源芯片結(jié)合智能化會(huì)帶來芯片設(shè)計(jì)流程的重構(gòu)，必然帶來工具的變革。在商業(yè)模式上，工業(yè)軟件也將一改過去的授權(quán)，轉(zhuǎn)為云端的服務(wù)，由賣改為租，這都為國產(chǎn)軟件的崛起提供了機(jī)會(huì)。 不過，完全依靠市場，可能缺乏足夠動(dòng)力。“這就像波音、空客已經(jīng)壟斷了市場，即使是馬云也不敢輕易投資造大飛機(jī)。” 任虎半開玩笑地說，要破局恐怕還得由政府出面加大投入，而且還要選準(zhǔn)團(tuán)隊(duì)，投對(duì)人：“國家投資也是有擔(dān)憂，到底會(huì)不會(huì)有效果，別像光伏一樣出現(xiàn)騙錢的情況，也別像新能源汽車一樣出現(xiàn)騙補(bǔ)，還是要認(rèn)真看一下，誰是在真正做這個(gè)事。” 宋智廣了解到，深耕一些細(xì)分的行業(yè)，如機(jī)器人，也有成功的可能。他還建議，即使是國家扶植也要以企業(yè)為主，作出的東西要有市場檢驗(yàn)，不能像傳統(tǒng)的項(xiàng)目制，驗(yàn)收通過就束之高閣。 在陳建利看來，大陸可以學(xué)習(xí)臺(tái)灣半導(dǎo)體發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)。他希望：大陸也建立類似的集成電路設(shè)計(jì)聯(lián)盟，在產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界之間搭一座橋梁，加強(qiáng)交流與合作；國家應(yīng)該更加重視微電子學(xué)科建設(shè)，讓學(xué)校可以教好課，留住人；也可以資助辦一些集成電路方面的競賽和暑期班，培養(yǎng)年輕人才。 好在一些改變讓人看到了希望。中國計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)CCF為了鼓勵(lì)更多的年輕人從事集成電路方向的研究，從2018年開始，設(shè)立CCF集成電路Early Career Award，專門獎(jiǎng)勵(lì)從事集成電路方向研究、博士畢業(yè)6年以內(nèi)的青年學(xué)者，陳建利是從一大堆國內(nèi)名校和科研院所候選人脫穎而出的首屆唯一獲獎(jiǎng)人。韓銀和即是推動(dòng)設(shè)立該獎(jiǎng)的CCF容錯(cuò)計(jì)算專業(yè)委員會(huì)的秘書長。 十年苦研無人知。如果沒有這次的中興事件，恐怕少有人關(guān)注芯片背后的核心技術(shù)缺失，也不會(huì)關(guān)注像陳建利這樣非著名高校的土博“青椒”，也不會(huì)知道他所在的芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域，長期處在市場萎縮、投入不足、人才流失、學(xué)科凋零的窘境。 有業(yè)內(nèi)人士注意到，與Cadence并駕齊驅(qū)的Synopsys，2016年一年的研發(fā)投入為3.5億美元，相當(dāng)于中國政府三個(gè)五年計(jì)劃在三維CAD/CAE研發(fā)投入總和的10倍。 今年，用陳建利的話來說，可能是“人品爆發(fā)”——芯片設(shè)計(jì)頂會(huì)ICCAD共接受了他的多篇論文，并有一篇論文獲得最佳論文提名獎(jiǎng)。不過眼下他正為招不到合適的學(xué)生發(fā)愁，同時(shí)，像許多中國年輕科研人一樣，為微薄的工資和高昂的房價(jià)而一籌莫展。 |
