Die von den USA angeführten Chip-Giganten konzentrieren sich weiterhin auf den Export von High-End-Chips nach China. Während immer mehr Menschen die Bedeutung einer unabhängigen Kontrolle der heimischen High-End-Chip-Produktion erkennen, rückt auch die Schlüsselrolle kleiner und hochentwickelter EDA-Tools (Electronic Design Automation) in der Chipindustrie in den Fokus.

Der Chipdesignprozess ist komplex und vielschichtig. EDA-Tools spielen eine entscheidende Rolle bei der Steigerung der Effizienz und Optimierung des Chipdesigns sowie bei der Sicherstellung der Chipfunktionalität. Derzeit beherrschen die drei größten US-amerikanischen EDA-Anbieter (Synopsys, Cadence und Mentor) über 60 % des globalen EDA-Marktes, und die meisten Chipdesign-Unternehmen sind auf die Tools dieser drei Giganten angewiesen. Daher können die USA die chinesische Chipindustrie durch den Einsatz von EDA-Software leicht dominieren.

Die heimische EDA-Branche mit einer Lokalisierungsrate von nur etwa 10 % sieht sich den technischen und kommerziellen Hürden der drei seit 20 bis 30 Jahren etablierten EDA-Giganten gegenüber. Es ist eine große Herausforderung, die Lokalisierungsrate weiter zu steigern. Glücklicherweise bieten der Open-Source-Trend und die Fortschritte in KI und Cloud-Technologie der heimischen EDA-Branche eine einmalige Chance, neue Wege zu gehen und die Konkurrenz zu überholen.

1. Die Lokalisierungsrate der EDA liegt bei etwa 10%, und Durchbrüche stoßen auf Hindernisse.

Die elektrochemische Analytik (EDA) steht am Anfang der gesamten Wertschöpfungskette der Chipindustrie und zeichnet sich durch ihre geringe Größe und Präzision aus. Laut vorläufigen Statistiken des Marktforschungs- und Beratungsunternehmens Gartner vom Januar dieses Jahres belief sich der weltweite Umsatz mit Halbleitern im Jahr 2020 auf 449.8 Milliarden US-Dollar, ein Anstieg von 7.3 % gegenüber 2019.

Betrachtet man ausschließlich den EDA-Markt, so gab Lu Penghao, Senior Analyst bei CCID Consulting, im vergangenen Jahr an, dass der globale EDA-Markt 2019 ein Volumen von 10.25 Milliarden US-Dollar aufwies. Der chinesische EDA-Markt erreichte ein Volumen von rund 580 Millionen US-Dollar, was einem Anteil von 5.6 % am globalen Markt entsprach. Der Gesamtumsatz der inländischen EDA-Hersteller lag unter 420 Millionen Yuan, was lediglich 0.6 % des globalen Marktanteils ausmachte. Die Lokalisierungsrate betrug nur etwa 10 %.

„Huada Jiutian trägt mit rund 10 % maßgeblich zur Lokalisierungsrate bei. Da sich viele inländische EDA-Unternehmen hauptsächlich auf Point-of-Sale-Lösungen konzentrieren, verfügt Huada Jiutian über ein umfassendes Toolset für Analogchips und genießt daher eine höhere Marktakzeptanz“, erklärte Lu Penghao gegenüber Lei Feng.com. „Neben den Fortschritten inländischer EDA-Unternehmen im Bereich Analogchips haben einige Tools der Guowei Group und von Guolun Electronics international führendes Niveau erreicht. Die von Xinhuazhang vertretenen Unternehmen haben einige selbstentwickelte EDA-Tools als Open Source veröffentlicht und damit bedeutende Erfolge erzielt.“

Lu Penghao ist der Ansicht, dass es schwierig ist, die Lokalisierungsrate von 10 % im Bereich EDA zu durchbrechen und dass sich der Markt in einer Sackgasse befindet. Dafür gibt es zwei Hauptgründe. Zum einen gibt es in China zwar 2,218 IC-Design-Unternehmen, aber nur gut 200 erzielen einen Umsatz von über 100 Millionen. Unabhängig vom technischen oder finanziellen Niveau verwenden die meisten chinesischen Chipdesign-Unternehmen wahrscheinlich keine Originalsoftware, was das Marktwachstum begrenzt.

Andererseits hat die heimische EDA-Branche den gesamten Prozess der Entwicklung digitaler Chipdesign-Tools noch nicht abgeschlossen. Heimische Chipdesign-Unternehmen mit einem Umsatz von über 100 Millionen werden daher weiterhin den EDA-Produkten der drei Branchenriesen den Vorzug geben.

Anders ausgedrückt: Der heimische Markt für elektronische Datenanalyse (EDA) weist nur begrenztes Wachstum und einen starken Wettbewerb auf. Lu Penghao ist der Ansicht: „Um die Lokalisierungsrate von EDA weiter zu steigern, muss der gesamte Digitalisierungsprozess abgeschlossen sein. Sobald dieser Prozess abgeschlossen ist, wird eine Phase rasanter Entwicklung einsetzen. Anschließend muss das Marktumfeld verbessert werden.“

Di Zhixiong, stellvertretender Leiter des Fachbereichs Elektrotechnik an der Fakultät für Informationstechnik der Südwestlichen Jiaotong-Universität, ist ebenfalls der Ansicht, dass das größte Problem für chinesische EDA-Unternehmen das Überleben und erst danach ökologische Fragen sind. „Inländische EDA-Unternehmen müssen das Vertrauen von Chipdesign-Unternehmen und Wafer-Foundries gewinnen, um ihre Überlebensprobleme zu lösen“, so Di Zhixiong.

„Angesichts der aktuellen internationalen Lage ist den meisten Chipdesign-Unternehmen die Bedeutung von kontrollierbarer EDA bewusst. Dies ist die Voraussetzung dafür, dass inländische EDA-Lösungen zugelassen werden.“

Wang Libin, der über mehr als 20 Jahre Erfahrung in der Technologieentwicklung und im operativen Management führender internationaler EDA-Unternehmen verfügt und Xinhuazhang im Jahr 2020 gründete, sagte gegenüber Lei Feng.com: „Früher gab es in China nicht viele Unternehmen, die EDA-Lösungen anboten, und diese stellten hauptsächlich Einzelpunkt-Tools her. Mittlerweile genießt EDA landesweite Aufmerksamkeit und bietet ein großes Marktpotenzial. Daher streben EDA-Unternehmen nach einem umfassenderen Angebot, doch es ist nicht ratsam, nach Größe und Perfektion zu streben.“

Veränderungen in der internationalen Lage haben Chinas Chipindustrie gezwungen, ihren eigenen Weg zu finden, und die heimische EDA hat damit eine hervorragende Chance eröffnet – Open-Source-EDA.

2. Open Source ermöglicht es einheimischen EDA-Entwicklern, sich gegen die großen Technologiekonzerne durchzusetzen.

Ausgezeichnete Chancen und geschäftliche Hürden

Open-Source-Technologien entwickeln sich seit vielen Jahren, und die dynamische Entwicklung von Open-Source-Software ist der Schlüssel zur schnellen und kostengünstigen Implementierung aktueller Software. Linux, GNU, Android und diverse Open-Source-KI-Frameworks können oft revolutionäre Auswirkungen haben. Auch Open-Source-EDA schreitet derzeit rasant voran.

Im Jahr 2018 schlug die US-amerikanische Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) zwei neue Projekte vor: IDEA (Intelligent Design of Electronic Assets) und POSH (Posh Open Source Hardware).

Di Zhixiong ist überzeugt, dass dies folgende Gründe hat: „Der Forschungs- und Entwicklungszyklus von Chips beträgt mindestens ein bis zwei Jahre, die Kosten sind sehr hoch und die technischen Anforderungen ebenfalls sehr hoch, was Innovationen im Bereich des Chipdesigns erheblich behindert. Diese beiden Projekte verkürzen den Chipdesignprozess in den Bereichen IP und EDA und sparen so Forschungs- und Entwicklungszeit. Ich denke, dass mit dem RISC-V-Befehlssatz, POSH und IDEA ein Open-Source-Ökosystem entstanden ist, das gemeinsam zum Erfolg der Chipindustrie beitragen kann.“

Aus den relevanten Statistiken geht hervor, dass sich durch die Implementierung der beiden Open-Source-Projekte IDEA/POSH die Anzahl der verfügbaren Open-Source-EDA-Lösungen nahezu verdoppelt hat.

„Die aktuelle Situation der heimischen EDA-Tool-Branche ist durch hohe Markteintrittsbarrieren und einen Mangel an Lehrkräften und Ausbildungsangeboten gekennzeichnet. Open Source kann technische und kommerzielle Hürden abbauen, die Allokation wissenschaftlicher und technologischer Ressourcen integrieren und optimieren, Innovationen effizient anregen und beschleunigen sowie rasch ein heimisches Ökosystem für die Entwicklung integrierter Schaltungen aufbauen“, so Wang Libin.

Kann Open-Source-EDA der heimischen EDA-Branche also helfen, den vollständig digitalen Prozess schnell zu realisieren? Wang Libin sagte: „Ich denke, das hängt von der Technologieausrichtung und den Investitionen ab. Xinhuazhang verfolgt einen systematischen Ansatz, doch die Umsetzung wird mit steigenden Investitionen zunehmend schwieriger. Man sollte auch berücksichtigen, dass verschiedene EDA-Anwendungen unterschiedliche Arbeitsschritte umfassen, was die Herausforderungen von Open Source und die positiven Auswirkungen auf das Ökosystem mit sich bringt.“

Di Zhixiong analysierte aus technischer Sicht, dass die Integration von Open-Source-Punktwerkzeugen ohne eine einheitliche Schnittstelle schwierig ist. Zudem wurden die meisten existierenden Open-Source-Einzelpunkt-EDA-Werkzeuge noch nicht kommerziell verifiziert. Gleichzeitig benötigen EDA-Werkzeuge für das Design analoger Chips und die physikalische Implementierung digitaler Chips insbesondere Open-Source-Prozessbibliotheken und PDK-Unterstützung.

Lu Penghao wies darauf hin, dass Open Source für die heimische EDA-Branche ein Weg sei, den gesamten Digitalisierungsprozess zu realisieren, sich aber derzeit noch alle in der Anfangsphase befänden. Mit zunehmender Erfahrung werde die vollständige Umsetzung des Prozesses beschleunigt.

Warum behaupten Sie in diesem Fall immer noch, dass Open Source eine hervorragende Chance für die heimische EDA-Branche darstellt? Obwohl Open Source im EDA-Bereich die Defizite der heimischen EDA-Industrie kurzfristig nicht ausgleichen kann, kann es den Fachkräftemangel in der Entwicklung heimischer EDA-Lösungen von Grund auf beheben. Es herrscht Brancheneinigkeit darüber, dass hochqualifizierte Fachkräfte die größte Herausforderung für die Entwicklung der heimischen Halbleiterindustrie darstellen, insbesondere für die kleine und spezialisierte EDA-Branche.

„Im chinesischen Bildungssystem sind EDA-Lehrkräfte in der Regel in den Bereichen Mikroelektronik oder Informatik tätig. Unabhängig von ihrer Fachrichtung stellt EDA eine Nische dar. Es gibt nur sehr wenige Hochschulen in China, die EDA-Kurse anbieten. Zudem mangelt es an Lehrmaterialien für EDA, und auch das Interesse der Studierenden ist gering“, sagte Di Zhixiong.

„Mit Open-Source-EDA gibt es erstens Anwendungsfälle, die eine bessere Unterstützung für theoretische und praktische Kurse bieten. Zweitens ermöglicht es Studierenden, die internen Algorithmen der EDA zu verstehen. Drittens erfordert Open-Source-EDA nicht den Kauf teurer kommerzieller Tools. Viertens haben integrierte Schaltungen den Status eines Hauptfachs erreicht. Angesichts dieser Vorteile halte ich es für sinnvoll, EDA-Kurse zu öffnen und Lehrbücher zu veröffentlichen.“

Open-Source-EDA wird sich auch positiv auf die verwandte Forschung auswirken. Berichten zufolge basieren viele Forschungsarbeiten auf Open-Source-EDA, doch wird diese nach der Übernahme oft zu Closed Source. „Wenn Open-Source-EDA relativ vollständige EDA-Umgebungen und -Prozesse bereitstellt, kann man ein Benchmark-Referenzmodell erstellen, mit dem sich die Effektivität des Algorithmus oder Modells überprüfen lässt. Daher ist die Dringlichkeit von Open-Source-EDA sowohl in der wissenschaftlichen Forschung als auch in der Lehre sehr hoch.“

Open-Source-EDA kann nicht nur die Ausbildung von Fachkräften an Schulen erleichtern, sondern auch mehr Menschen für die EDA-Branche gewinnen und Innovationen beschleunigen. Wang Libin erklärte: „EDA ist ein interdisziplinäres Fachgebiet, das Computer, Software und integrierte Schaltungen umfasst. Open Source entspricht der Bereitstellung einer Masterversion eines Produkts und senkt somit die Hürden für Forschung und Entwicklung. Es kann außerdem Innovationen in Forschungsinstituten, Universitäten, Unternehmen und bei Enthusiasten anregen und beschleunigen, die Ressourcenzuweisung optimieren und durch die Anwendung von Open Source zahlreiche EDA-Fachkräfte hervorbringen.“

„Wenn die Branche bessere Open-Source-Produkte erhält, wird dies die Häufigkeit und den Umfang der Nutzung von Open-Source-EDA-Software erhöhen. Solche groß angelegten Anwendungen werden mehr Testdaten für Open-Source-EDA liefern, die Entwicklung und Innovation von Open-Source-EDA-Werkzeugen weiter beschleunigen und schließlich ein EDA-Open-Source-Ökosystem mit positivem Rückkopplungseffekt schaffen“, betonte Wang Libin.

Inländische EDA-Unternehmen nutzen nicht nur die Chancen von Open-Source-EDA, sondern setzen auch neue Technologien wie KI und Cloud Computing ein, um neue Wege zu gehen und zu überholen.

3. Der inländische EDA wird zum Überholen die Spur wechseln.

Als Pionier im Bereich Open-Source-EDA gründete Xinhuazhang im September 2020 Chinas erste Open-Source-EDA-Technologie-Community EDAGit und veröffentlichte zwei EDA-Tools als Open Source. Wang Libin erklärte, dass Chiphersteller derzeit viel Energie in die Verifizierung von Chipprojekten investieren, da die Verluste durch Chipfehler von Hunderten Millionen Yuan an einmaligen Produktionskosten bis hin zu Verzögerungen bei der Markteinführung oder Reputationsschäden reichen und zum Verlust von Kunden führen können – was unter Umständen existenzbedrohend sein kann. Daher ist die Verifizierung, insbesondere die Hardware-Verifizierung, ein entscheidender Wettbewerbsvorteil für die Technologieführerschaft.

Die beiden von Xinhuazhang als Open Source veröffentlichten EDA-Tools dienen beide der Verifikation. EpicSim ist ein erweitertes und innovatives Open-Source-Simulationstool, das auf der klassischen EDA-Methodik basiert. Der Simulator ist ein unverzichtbarer Bestandteil der funktionalen Verifikation. Das zweite Open-Source-Tool ist „Effectiveness“ zur formalen Verifikation. Der Vorteil der formalen Verifikation liegt in ihrer vollständigen und umfassenden Verifikation. Sie erfordert keine aufwendige Umgebungskonfiguration und zeichnet sich durch eine hohe Konvergenzeffizienz im Design aus. Sie eignet sich besonders für die frühe Modulverifikation.

Digitaler Simulatorprozess

„Der Bereich der digitalen Verifizierung, auf den sich Xinhuazhang konzentriert, steht nicht in direktem Zusammenhang mit Waferfabriken und fortschrittlichen Prozessen. Daher liegt der Schlüssel zu technologischen Durchbrüchen für uns in den Fachkräften. Für das Layout und die Verdrahtung der Backend- und Waferfabriken müssen wir die Anwendung von Open-Source-Produkten auf verschiedenen Prozessknoten in Betracht ziehen“, sagte Wang Libin.

„Unsere Open-Source-EDA-Tools eignen sich hervorragend für die frühe Verifizierung von Chipprojekten und den Einsatz in der Lehre. Wir hoffen, dass wir die Ressourcenintegration und -optimierung fördern können, sodass sowohl Chipdesigner als auch EDA-Tool-Entwickler die Open-Source-EDA-Tools von Xinhuazhang nutzen können. Dadurch entsteht rasch ein neues Technologie-Ökosystem, das die Innovationskraft beider Gruppen stärkt, technische und kommerzielle Hürden im Bereich EDA überwindet und die Gesamteffizienz der Innovationskette integrierter Schaltungen verbessert.“

Di Zhixiong sagte: „Die digitalen Verifikationswerkzeuge von Xinhuazhang haben in China von Grund auf einen Durchbruch erzielt, und ihre Open-Source-EDA-Lösung für formale Verifikation ‚EpicFV‘ ist zudem die weltweit erste ihrer Art. Der Umsatz mit Verifikationswerkzeugen macht etwa 30 % aller EDA-Werkzeugverkäufe aus, was auf eine große Nachfrage und einen hohen Marktwert hindeutet.“

Lei Feng.com erfuhr, dass das EpicSim-Tool von Xinhuazhang von kommerziellen Chipdesign-Unternehmen übernommen wurde und auch das Ziel erreicht hat, die Simulationsgeschwindigkeit bei realen Designs zu verdoppeln.

„Das Festhalten am Open-Source-Ansatz ist definitiv ein sehr guter Weg, um EDA zu lokalisieren“, sagte Lu Penghao.

Neben Open Source können auch Spitzentechnologien wie KI und Cloud Computing der heimischen EDA-Branche helfen, neue Wege zu gehen und aufzuholen. Wang Libin ist überzeugt: „Ausländische EDA-Giganten entwickeln sich seit Jahrzehnten. Mit traditionellen Methoden und Strukturen wird es Jahre dauern, bis wir zu ihnen aufschließen können. Neue Technologien und Strukturen hingegen ermöglichen uns einen Neustart und die Entwicklung fortschrittlicherer EDA-Tools, ohne auf die bisherigen Methoden zurückzugreifen.“

Beispielsweise nutzt Xinhuazhang die LLVM-Technologie. Herkömmliche EDA-Tools unterstützen ausschließlich x86-Server. Die Übertragung auf ARM- oder RISC-V-Server ist daher sehr zeitaufwendig. Die LLVM-Architektur hingegen unterstützt von Anfang an verschiedene Architekturen, wodurch spätere Übertragungen entfallen und ein flexiblerer Übergang ermöglicht wird.

Was die Rolle der KI-Technologie betrifft, so glaubt Di Zhixiong, dass KI die Entwicklung von EDA-Werkzeugen nicht grundsätzlich fördern kann, sondern eher als Blackbox ähnlich der Vorhersage betrachtet werden kann, um einige komplexere Probleme zu lösen.

Lu Penghao vertritt die Ansicht, dass weltweit die Kombination von KI- und EDA-Technologie erforscht wird und die heimische KI-Technologie weltweit führend ist. Dieser Vorsprung wird uns helfen, den Aufholprozess bis zu einem gewissen Grad zu beschleunigen. Auch die Cloud-Technologie darf nicht außer Acht gelassen werden. Mit der Entwicklung des Cloud-Computing kann die Chipentwicklung in der Cloud die zeitaufwändige Chipdesign-Verifizierung im Chipentwicklungsprozess deutlich reduzieren.

4. Zusammenfassung

Als Ausgangspunkt der industriellen Wertschöpfungskette muss die EDA-Technologie innoviert werden, um die Gesamteffizienz der Kette zu steigern. 2021 ist das erste Jahr des 14. Fünfjahresplans, und erstmals wird darin explizit betont, dass bahnbrechende Entwicklungen bei Werkzeugen für das Design integrierter Schaltungen erforderlich sind.

Da der Lokalisierungsgrad von EDA-Software gering ist und etablierte Anbieter hohe technische und kommerzielle Hürden aufbauen, bietet Open Source der heimischen EDA-Branche eine gute Möglichkeit, neue Wege zu beschreiten und aufzuholen. Der 14. Fünfjahresplan fördert Open-Source-Technologie auf nationaler Ebene. Xinhuazhang hat in China eine Vorreiterrolle bei der Gründung einer Open-Source-Community übernommen und zwei digitale Verifizierungs-EDA-Tools kostenlos als Open Source veröffentlicht. Dies wirkt sich positiv darauf aus, die Einstiegshürden in der EDA-Branche zu senken, Talente zu fördern und Innovationen zu beschleunigen.

Bahnbrechende Entwicklungen bei Spitzentechnologien wie Open Source, KI und Cloud Computing bieten der chinesischen EDA-Branche eine einmalige Chance, neue Wege zu gehen und die Konkurrenz zu überholen. Lu Penghao geht davon aus, dass die vollständige EDA-Entwicklung im Inland dank der aktuellen Fortschritte, Trends und Marktinformationen sowie der Unterstützung durch nationale Fördermittel und Richtlinien innerhalb von fünf Jahren weitgehend realisiert werden kann.

Die Barrieren der EDA-Giganten zu durchbrechen ist eine Herausforderung, aber es gibt Gründe für Optimismus.

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