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來源：知識分子 近來，福州大學副教授陳建利收到了一份邀請，有朋友問他，是否愿意加入Cadence。 在芯片設計自動化領域，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%。凡設計芯片都要用到它們的軟件工具。 陳建利被“惦記”并不奇怪。在芯片電子設計自動化這行，他已然是一顆冉冉升起的新星——2017年6月的DAC（Design Automation Conference）最佳論文獎獲得者、11月的ICCAD（International Conference on Computer-Aided Design）的CAD學術競賽冠軍，都是大陸學者首次。他還在今年1月起擔任CEDA（The Council on Electronic Design Automation）設計自動化技術委員會委員，為7名委員中的唯一大陸學者。此外，他還有一篇論文獲得ICCAD 2018最佳論文提名獎。 可問題是，這家Cadence公司——在4月時率先響應美商務部號召，對中興實施禁運。沒有它的授權，中國公司便很難設計芯片。外界大多關注了器件、知識產權模塊的禁運，而少有人知道，軟件工具的禁運照樣一箭封喉。 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)留在學界，并無進入工業(yè)界的打算。 他從事的研究稱之為“物理設計”，屬于芯片設計流程當中的一步。其中有兩大關鍵問題：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？當然，這些擺放和連線都要滿足一系列苛刻條件。 當年，第一個集成電路處理器只有2200個晶體管，而今任何一部智能手機，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測程序，都表明其最佳性。 如果考慮到芯片設計軟件工具的重要性、中國在這一領域缺乏原創(chuàng)性成果、中國企業(yè)長期依賴國外軟件的現實，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，設計方需要從上游的公司如ARM獲得器件、知識產權模塊授權，然后再從Cadence等公司獲得設計軟件授權，設計完成的芯片“圖紙”再交給下游的晶圓廠如臺積電完成量產流片。 “從整個芯片設計流程來說，百分之七八十的時間都是要跟芯片設計軟件打交道的。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行反復迭代的過程。” 從事機器人芯片設計研究工作的中國科學院計算所研究員韓銀和告訴《知識分子》。 長期以來，國內似乎已經習慣了花錢買授權，甚至是不花錢使用盜版，直到中興事件，才如夢初醒，原來也有花錢也買不來的時候。 多位受訪人士表示，不僅是芯片，從飛機、航母，到汽車、手機甚至鞋子，與各個行業(yè)緊密聯系的工業(yè)設計、模擬仿真軟件已經成為支撐先進制造的共性關鍵技術，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復雜的外形，不管是要做樣件加工還是實際生產，還是要用CATIA這樣的國外軟件進行數字化設計，它能做高階曲面，質量非常好。” 北京航空航天大學機械工程及自動化學院副教授王偉告訴《知識分子》，在代表先進制造的航空航天領域，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，離開了先進的設計模擬軟件，就無法實現產品開發(fā)的快速迭代，也無法實現成本的控制，只能最終在激烈的市場競爭中落敗。 拿設計一臺飛機發(fā)動機來說，離開先進的數值模擬軟件，幾乎寸步難行。“一架F16和同等重量的黃金是等價的，而發(fā)動機的價值，黃金也不能與之匹配。其中一個零部件級的實驗件就可能達到上千萬、上億的造價，如果純粹依靠物理試驗，估計需要做上千次零部件級實驗，才能找到合適的設計參數區(qū)間，成本基本是不可控的。” 超算無錫中心先進制造部部長任虎說。 由于正版高端軟件相對昂貴，國內不少企業(yè)靠盜版過活，而一些高級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，一個原因就是這些工具軟件關鍵的模塊不賣給你，只給你一級二級的技術，不會給你高級的技術。而隨著軟件工具轉向云端服務，盜版也將難以為繼。” 華航唯實機器人科技股份有限公司技術總監(jiān)宋智廣介紹說，如果不自主的話，可能今天不會感到痛，但再過幾年，“會突然發(fā)現競爭對手，比如國外企業(yè)每隔兩個月就推出新品，而國內企業(yè)半年甚至一年才能推出新品，從效率上就大大落后了” 。 “沒有先進的芯片設計工具，肯定設計不出先進的芯片，這是大家的共識。” 具體到芯片設計，韓銀和這樣說。不過，真要做一款先進設計工具，談何容易。 2壟斷之苦 芯片設計工具的研發(fā)基于核心算法，可對陳建利來說，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，他對布局這個問題的探究已經過了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灣。 赴臺背后還有一個殘酷的現實。由于中國半導體業(yè)的落后，陳建利無法接觸到工業(yè)界真正的需求，而臺灣地區(qū)在集成電路方面，無論是制造、封裝、測試都已經是僅次于美國的力量。在那里，通過參加各樣的研討會，接觸學術界、產業(yè)界的人士，對于在先進制造過程下業(yè)界的需求有了更多的認識。 “像我們獲獎的論文，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，新的設計規(guī)則，這是在先進制程的東西。你要知道別人在做什么，業(yè)界需要的是什么，我覺得這個蠻關鍵。” 陳建利說。通過和臺灣大學教授張耀文合作，3年之后，布局的難題就被攻克了。 國內的芯片設計企業(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，下游的制造廠如臺積電、三星會優(yōu)先與Cadence等公司交流，將最先進的庫給他們使用，一步步磨合，去解決先進制程下的設計需求。 “我們國內的芯片設計公司得不到這種細致的溝通，沒有大規(guī)模流片的測試，只能做一些保守的設計，把冗余盡量放大一點，這樣保證芯片是對的，但性能肯定不行。” 韓銀和說。 芯片設計軟件的研發(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，但是芯片設計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，很少有新公司有動力去研發(fā)新產品。 在過去的“七五””、“八五”、“九五”三個五年計劃中，中國國內也曾集合了幾百人做了一個名為“熊貓”的芯片設計軟件，但一面世，美國各大公司便立即降價，將其扼殺在搖籃之中。迄今為止，包括芯片設計軟件在內的工業(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。 “在學術上，我們可以做一些理想化的假設，比如只優(yōu)化兩個目標，但要真正做成供大家使用的工具，溫度、功耗等各個方面都要考慮。” 除此之外，陳建利告訴《知識分子》，這幾家大公司覆蓋了芯片軟件設計的各個環(huán)節(jié)，形成了一個全方位的產品線，一個點工具的突破已經很難撼動大公司的地位。 3人才凋零 陳建利和導師朱文興是偶然進入芯片設計領域的，他們所在的福大離散數學與理論計算機科學中心，本來專注于圖論與組合數學的純數學研究。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)，申請了一個973項目的課題“大規(guī)模集成電路設計中的圖論與代數方法”。自那之后，讀碩士的陳建利與導師一干就是十幾年。 起初，外界并不看好他們，進入一個新的領域需要較長時間的學習和積累，問題本身也極具挑戰(zhàn)。“說實話，我們做這個太累了，太難了，每天加班加點，周末也不休息，對建利我從來沒說過放棄，總是說要堅持，但其實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，中心曾用973的經費派遣一位老師到美國學習芯片設計，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，也選擇了一所小學校，原因是對方給了高額安家費。 堅持到今天，陳建利可謂“十年苦研無人問”。即使在今天，他的成果已經獲得了國際同行的認可，但由于學校當初設計獎勵制度時沒有考慮到這方面的成果，也沒法獲得學校獎勵。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，但文章的數量總還是少；文章雖已是本領域的頂尖會議最佳論文，但不是發(fā)表在外界認為的名刊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，它最需要的其實是人才，但是這方面的待遇好像不是太好。”陳建利告訴《知識分子》。 在這一點上，韓銀和也深有體會，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，從事學術研究的更少，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網、AI、大數據、區(qū)塊鏈。 “我們國內的人才太少了，有些數據說，Synopsys公司全球員工1萬多人，我們國家做芯片設計工具的連工程師加學生不超過1000人，這些人還大部分在外企，留在國內公司的不過三四百人。” 他說。 產業(yè)凋敝、市場萎縮，就像是一個無法阻止的鏈式反應，直接導致畢業(yè)生需求減少，科研人員流失，人才培養(yǎng)停滯、學科凋零。如果說，工業(yè)軟件的缺失是一場災難，人才和學科的瀕死則是釜底抽薪。 4轉型中的希望尚存 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工業(yè)知識、先進理論和工業(yè)實踐的具體體現，目的是輔助工程師去做設計和研發(fā)，中國的工業(yè)基礎薄弱，落后國外也屬正常。不過，隨著基礎研究的推進，新的認識和方法不斷涌現，設計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、新的計算平臺，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領先。”任虎說。 從現實看，工業(yè)軟件也處于轉型的風口，變局中蘊藏著機遇。 在芯片設計領域，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打敗電路設計師。國內外的不少研究團隊已經將人工智能用于芯片的設計驗證、架構探索和優(yōu)化，并取得了不錯的效果。 “如果把智能和自動化結合起來，將來做一個芯片，可以基于開源的知識產權核組合起來，用工具自動生成，可能一個芯片做出來只要三個月時間，而不是過去的兩年。那傳統(tǒng)的設計軟件是完全做不到的，這里面就有機會。” 韓銀和認為，開源芯片結合智能化會帶來芯片設計流程的重構，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，轉為云端的服務，由賣改為租，這都為國產軟件的崛起提供了機會。 不過，完全依靠市場，可能缺乏足夠動力。“這就像波音、空客已經壟斷了市場，即使是馬云也不敢輕易投資造大飛機。” 任虎半開玩笑地說，要破局恐怕還得由政府出面加大投入，而且還要選準團隊，投對人：“國家投資也是有擔憂，到底會不會有效果，別像光伏一樣出現騙錢的情況，也別像新能源汽車一樣出現騙補，還是要認真看一下，誰是在真正做這個事。” 宋智廣了解到，深耕一些細分的行業(yè)，如機器人，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，不能像傳統(tǒng)的項目制，驗收通過就束之高閣。 在陳建利看來，大陸可以學習臺灣半導體發(fā)展的經驗。他希望：大陸也建立類似的集成電路設計聯盟，在產業(yè)界和學術界之間搭一座橋梁，加強交流與合作；國家應該更加重視微電子學科建設，讓學校可以教好課，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。中國計算機學會CCF為了鼓勵更多的年輕人從事集成電路方向的研究，從2018年開始，設立CCF集成電路Early Career Award，專門獎勵從事集成電路方向研究、博士畢業(yè)6年以內的青年學者，陳建利是從一大堆國內名校和科研院所候選人脫穎而出的首屆唯一獲獎人。韓銀和即是推動設立該獎的CCF容錯計算專業(yè)委員會的秘書長。 十年苦研無人知。如果沒有這次的中興事件，恐怕少有人關注芯片背后的核心技術缺失，也不會關注像陳建利這樣非著名高校的土博“青椒”，也不會知道他所在的芯片設計領域，長期處在市場萎縮、投入不足、人才流失、學科凋零的窘境。 有業(yè)內人士注意到，與Cadence并駕齊驅的Synopsys，2016年一年的研發(fā)投入為3.5億美元，相當于中國政府三個五年計劃在三維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)”——芯片設計頂會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。不過眼下他正為招不到合適的學生發(fā)愁，同時，像許多中國年輕科研人一樣，為微薄的工資和高昂的房價而一籌莫展。 |
