Las potencias en la fabricación de semiconductores, lideradas por Estados Unidos, se han centrado en la exportación de chips de alta gama a China. Si bien cada vez más personas son conscientes de la importancia del control independiente de los chips nacionales de alta gama, el papel fundamental de las herramientas EDA (Automatización del Diseño Electrónico) pequeñas y sofisticadas en la cadena de valor de la industria de semiconductores también se ha convertido en el centro de atención.

El diseño de chips implica numerosos y complejos procesos. Las herramientas EDA desempeñan un papel fundamental en la mejora de la eficiencia y la optimización del diseño de chips, así como en la garantía de su funcionalidad. Actualmente, las tres principales empresas estadounidenses de EDA (Synopsys, Cadence y Mentor) controlan más del 60 % del mercado global, y la mayoría de las empresas de diseño de chips requieren herramientas EDA de estos tres gigantes. Por lo tanto, Estados Unidos puede fácilmente dominar la industria china de chips mediante el uso de EDA.

El sector nacional de EDA, con una tasa de localización de apenas el 10%, se enfrenta a las barreras técnicas y comerciales de los tres gigantes del sector, desarrollados durante 20 o 30 años. Aumentar aún más esta tasa supone un gran reto. Afortunadamente, la tendencia del código abierto y los avances en inteligencia artificial y tecnología en la nube han brindado al sector nacional de EDA una oportunidad única en un siglo para cambiar de rumbo y superar a la competencia.

1. La tasa de localización de EDA es de aproximadamente el 10%, y los avances se topan con obstáculos.

La automatización del diseño electrónico (EDA) se sitúa en la fase inicial de toda la cadena de valor de la industria de los chips y se caracteriza por su pequeño tamaño y precisión. Según las estadísticas preliminares de la firma de investigación de mercado y consultoría Gartner de enero de este año, los ingresos mundiales de semiconductores ascendieron a 449.8 millones de dólares en 2020, lo que supone un aumento del 7.3 % con respecto a 2019.

Centrándonos únicamente en el mercado de EDA, Lu Penghao, analista sénior de CCID Consulting, proporcionó datos el año pasado que indicaban que el tamaño del mercado global de EDA en 2019 era de 10.25 millones de dólares estadounidenses. El mercado chino de EDA tenía un tamaño aproximado de 580 millones de dólares estadounidenses, lo que representaba el 5.6% del mercado global. Los ingresos totales de los fabricantes nacionales de EDA fueron inferiores a 420 millones de yuanes, lo que representaba solo el 0.6% de la cuota de mercado global, y la tasa de localización era de apenas el 10%.

"Huada Jiutian contributes most of the localization rate of about 10%. Because many domestic EDA companies mainly focus on point-of-sale tools, Huada Jiutian has a complete set of tools for analog chips, so the market recognition is higher." Lu Penghao told Lei Feng.com: "In addition to domestic EDA making progress in the field of analog chips, some tools of Guowei Group and Guolun Electronics have also reached the international leading level. Companies represented by Xinhuazhang have open sourced some self-developed EDA tools and achieved certain breakthroughs."

Lu Penghao cree que es difícil superar la tasa de localización del 10 % en EDA y que se ha entrado en un período de estancamiento. Hay dos razones principales. Por un lado, aunque en China existen 2,218 empresas de diseño de circuitos integrados, solo unas 200 superan los 100 millones de dólares en ingresos. Independientemente de su nivel técnico o financiero, la mayoría de las empresas chinas de diseño de chips probablemente no utilicen software original, lo que limita el crecimiento del mercado.

Por otro lado, el sector nacional de EDA aún no ha alcanzado la plena madurez en el uso de herramientas de diseño de chips digitales. Las empresas nacionales de diseño de chips con ingresos superiores a 100 millones seguirán dando prioridad a los productos EDA de los tres gigantes.

In other words, the domestic EDA market has limited incremental growth and fierce competition in the existing market. Lu Penghao believes that "to further increase the localization rate of EDA, the entire digital process must be realized. Once the entire process is realized, a rapid outbreak period will begin. Then, the ecology needs to be improved."

Di Zhixiong, subdirector del Departamento de Ingeniería Electrónica de la Facultad de Informática de la Universidad Jiaotong del Suroeste, también considera que el problema más difícil para las empresas nacionales de EDA es la supervivencia, seguido de las cuestiones medioambientales. "Las empresas nacionales de EDA necesitan ganarse la confianza de las empresas de diseño de chips y las fundiciones de obleas para resolver sus problemas de supervivencia", afirmó Di Zhixiong.

"En el contexto internacional actual, la mayoría de las empresas de diseño de chips son conscientes de la importancia de una automatización del diseño electrónico (EDA) controlable. Este es un requisito indispensable para que la EDA nacional sea aceptada en el mercado."

Wang Libin, con más de 20 años de experiencia en desarrollo tecnológico y gestión operativa de empresas líderes internacionales de EDA, y fundador de Xinhuazhang en 2020, declaró a Lei Feng.com: "Antes, no había muchas empresas que se dedicaran a EDA en China, y principalmente fabricaban herramientas específicas. Ahora que EDA ha captado la atención nacional y existe un amplio mercado, las empresas de EDA aspiran a ser más completas, pero no es recomendable obsesionarse con el tamaño y la perfección".

Changes in the international situation have forced China's chip industry to find its own path, and domestic EDA has also ushered in an excellent opportunity - open source EDA.

2. El código abierto permite que el EDA nacional supere a los gigantes tecnológicos.

Excelente oportunidad y barreras comerciales

La tecnología de código abierto lleva muchos años desarrollándose, y el vigoroso desarrollo del software de código abierto es clave para la implementación rápida y económica del software actual. Linux, GNU, Android y diversos marcos de IA de código abierto suelen tener un impacto revolucionario. Hoy en día, el software de código abierto para EDA también avanza a pasos agigantados.

En 2018, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de Estados Unidos (DARPA) propuso dos nuevos proyectos: IDEA (Diseño Inteligente de Activos Electrónicos) y POSH (Hardware de Código Abierto Posh).

Según Di Zhixiong, la razón es la siguiente: "El ciclo de investigación y desarrollo de chips es de al menos uno o dos años, el coste es muy elevado y la barrera técnica también, lo que dificulta seriamente la innovación en el diseño de chips. Estos dos proyectos acortan el proceso de diseño de chips desde las dos dimensiones de propiedad intelectual (IP) y automatización del diseño electrónico (EDA), ahorrando tiempo de investigación y desarrollo. Creo que, desde el conjunto de instrucciones RISC-V hasta POSH e IDEA, se trata de un ecosistema de código abierto que puede impulsar conjuntamente el desarrollo de la industria de los chips".

Las estadísticas pertinentes muestran que, gracias a la implementación de los dos proyectos de código abierto IDEA/POSH, el número de herramientas EDA de código abierto disponibles prácticamente se ha duplicado.

"La situación actual de la industria nacional de herramientas EDA es que las barreras de entrada a la tecnología son altas y existe una escasez de profesores y cursos de formación. El código abierto puede derribar las barreras técnicas y comerciales, integrar y optimizar la asignación de recursos científicos y tecnológicos, estimular y acelerar la innovación de manera eficiente y construir rápidamente un ecosistema nacional de diseño de circuitos integrados", opina Wang Libin.

Entonces, ¿puede el software EDA de código abierto ayudar a la industria nacional de EDA a digitalizar rápidamente todo el proceso? Wang Libin comentó: "Creo que depende de la orientación tecnológica y la inversión de recursos. Xinhuazhang tiene una idea sistemática, pero se volverá cada vez más difícil debido al aumento de la inversión. Cabe destacar también que cada sistema EDA implica diferentes conexiones, lo que influye en la complejidad del código abierto y en el efecto de promoción ecológica que este puede generar".

Desde una perspectiva técnica, Di Zhixiong analizó que si las herramientas puntuales de código abierto no cuentan con una interfaz unificada, será difícil conectarlas entre sí. Además, la mayoría de las herramientas EDA puntuales de código abierto existentes no han sido validadas mediante la fabricación comercial. Asimismo, las herramientas EDA para el diseño de chips analógicos y la implementación física de chips digitales requieren especialmente bibliotecas de procesos de código abierto y compatibilidad con PDK.

Lu Penghao señaló que el código abierto es una vía para que el EDA nacional implemente todo el proceso digital, pero actualmente todos se encuentran en la etapa inicial. Con la acumulación de experiencia, será más rápido lograr la implementación completa del proceso.

En este caso, ¿por qué sigues afirmando que el código abierto representa una excelente oportunidad para el EDA nacional? Si bien el código abierto para EDA no permite que la industria nacional subsane sus deficiencias a corto plazo, sí puede solucionar la escasez de talento en el desarrollo del EDA nacional desde la raíz. Existe un consenso en la industria de que el talento altamente cualificado es el mayor desafío para el desarrollo de la industria nacional de circuitos integrados, especialmente para la industria EDA pequeña y sofisticada.

"In the domestic teaching system, EDA teachers generally belong to the microelectronics or computer disciplines. No matter which discipline they are in, EDA is a niche. There are very few schools in China that can offer EDA courses. There is a lack of EDA teaching materials, and there are also very few students who are interested in EDA." Di Zhixiong said.

"With open source EDA, first of all, there are cases, which can provide better support for theoretical courses and experimental courses. In addition, it can also allow students to understand the internal algorithms of EDA. In addition, open source EDA does not require the purchase of expensive commercial tools. In addition, integrated circuits have been promoted to a first-level subject. With these supports, I think it will be beneficial whether we open EDA courses and start publishing textbooks."

El EDA de código abierto también tendrá un efecto positivo en la investigación relacionada. Se informa que muchos artículos de investigación se basan en EDA de código abierto, pero este software suele convertirse en software propietario tras su adquisición. "Si el EDA de código abierto proporciona entornos y procesos EDA relativamente completos, se puede contar con un modelo de referencia que permita verificar la eficacia del algoritmo o modelo. Por lo tanto, tanto en la investigación científica como en la docencia, la urgencia del EDA de código abierto es muy alta".

El EDA de código abierto no solo facilita la formación de talento en las escuelas, sino que también atrae a más personas a la industria del EDA y acelera la innovación. Wang Libin afirmó: "El EDA es una disciplina interdisciplinaria que abarca la informática, el software y los circuitos integrados. El código abierto equivale a ofrecer una versión maestra de un producto, lo que reduce las barreras para la investigación y el desarrollo. Además, puede estimular y acelerar la innovación en institutos de investigación científica, universidades, empresas y aficionados, optimizar la asignación de recursos y formar a muchos profesionales del EDA mediante la práctica del código abierto".

Cuando la industria cuente con mejores productos de código abierto, aumentará la frecuencia y la amplitud de uso del software EDA de código abierto. Estas aplicaciones a gran escala proporcionarán más datos de prueba para el EDA de código abierto, acelerarán aún más el desarrollo y la innovación de las herramientas EDA de código abierto y, finalmente, formarán un ecosistema EDA de código abierto con retroalimentación positiva. Wang Libin añadió:

Las empresas nacionales de EDA no solo aprovechan la oportunidad que ofrece el EDA de código abierto, sino que también utilizan nuevas tecnologías como la IA y la computación en la nube para cambiar de rumbo y adelantarse.

3. Domestic EDA will change lanes to overtake

Como pionera en EDA de código abierto, Xinhuazhang lanzó en septiembre de 2020 EDAGit, la primera comunidad de tecnología EDA de código abierto de China, y liberó dos herramientas EDA como código abierto. Wang Libin afirmó que, actualmente, las empresas de chips invierten mucha energía en la verificación de proyectos de chips, ya que las pérdidas ocasionadas por fallas en los chips pueden abarcar desde el desperdicio de cientos de millones de yuanes en costos de producción únicos hasta afectar el tiempo de comercialización del producto o la reputación de la empresa, lo que conlleva la pérdida de clientes y puede resultar fatal. Por lo tanto, la verificación, especialmente la de hardware, es uno de los puntos clave para alcanzar el liderazgo tecnológico.

Las dos herramientas EDA de código abierto que Xinhuazhang ha publicado están relacionadas con la verificación. EpicSim es una herramienta de simulación de código abierto mejorada e innovadora, basada en la metodología EDA clásica. El simulador es la parte más indispensable de la verificación funcional. Otra herramienta de código abierto es la verificación formal "Effectiveness". La ventaja de la verificación formal es que es completa y exhaustiva. No requiere una construcción de entorno compleja y tiene una alta eficiencia de convergencia de diseño. Es adecuada para la verificación temprana de módulos.

Proceso de simulador digital

«El campo de la verificación digital en el que se centra Xinhuazhang no está directa ni estrechamente relacionado con las fábricas de obleas ni con los procesos avanzados. Por lo tanto, para nosotros, la clave de los avances tecnológicos reside en el talento. Para el diseño y el cableado de la infraestructura de procesamiento y las fábricas de obleas, debemos considerar la posibilidad de utilizar productos de código abierto en diferentes nodos de proceso», afirmó Wang Libin.

Nuestras herramientas EDA de código abierto pueden utilizarse eficazmente en la verificación inicial de proyectos de chips y en la enseñanza escolar. Esperamos fomentar la integración y optimización de recursos, de modo que tanto los diseñadores de chips como los desarrolladores de herramientas EDA puedan utilizar las herramientas de código abierto de Xinhuazhang. Esto permitirá la rápida creación de un nuevo ecosistema tecnológico, estimulará la capacidad de innovación de ambos grupos, superará las barreras técnicas y comerciales de EDA y mejorará la eficiencia general de la cadena de innovación de circuitos integrados.

Di Zhixiong afirmó: "Las herramientas de verificación digital de Xinhuazhang han logrado un gran avance en China partiendo desde cero, y su herramienta EDA de verificación formal de código abierto 'EpicFV' es también la primera del mundo. Las ventas de herramientas de verificación representan aproximadamente el 30 % de las ventas totales de herramientas EDA, con una gran demanda y un alto valor de mercado".

Lei Feng.com ha sabido que la herramienta EpicSim de Xinhuazhang ha sido adoptada por empresas comerciales de diseño de chips y que también ha logrado el objetivo de duplicar la velocidad de simulación en los diseños reales.

"Seguir la senda del código abierto es sin duda una muy buena manera de localizar el EDA", dijo Lu Penghao.

Además del código abierto, tecnologías de vanguardia como la IA y la computación en la nube también pueden ayudar a la industria nacional de EDA a reinventarse y superar a la competencia. Wang Libin opina: "Los gigantes extranjeros de EDA llevan décadas desarrollándose. Si utilizamos métodos y estructuras tradicionales, sin duda tardaremos muchos años en alcanzarlos. Pero las nuevas tecnologías y estructuras nos permiten partir de cero y desarrollar herramientas EDA más avanzadas sin recurrir a los métodos anteriores".

For example, the LLVM technology used by Xinhuazhang. Traditional EDA tools only support x86 architecture servers. If it is to be applied to ARM or RISC-V architecture servers, it will take a lot of time to transplant. Using the LLVM architecture can easily support different architectures from the beginning, eliminating the need for later transplants and enabling lane-changing and overtaking.

En cuanto al papel de la tecnología de IA, Di Zhixiong cree que la IA no puede promover fundamentalmente el desarrollo de las herramientas EDA, pero puede considerarse como una caja negra similar a la predicción para resolver algunos problemas más complejos.

Desde la perspectiva de Lu Penghao, el mundo está estudiando la combinación de la tecnología de IA y la tecnología EDA, y la tecnología de IA nacional lidera el mundo. Esta ventaja nos ayudará a acelerar el ritmo de convergencia hasta cierto punto. También existe la tecnología en la nube, que no se puede ignorar. Con el desarrollo de la computación en la nube, el diseño de chips en la nube puede reducir el tiempo de verificación del diseño, que suele ser muy laborioso.

4. Resumen

Como elemento fundamental de la cadena industrial, la tecnología EDA debe innovarse para mejorar la eficiencia general de dicha cadena. 2021 es el primer año del "14.º Plan Quinquenal" y, por primera vez, se afirma claramente la necesidad de avances significativos en las herramientas de diseño de circuitos integrados.

Cuando la tasa de localización de EDA no es alta y los gigantes enfrentan fuertes barreras técnicas y comerciales, el código abierto se presenta como una buena vía para que el sector EDA nacional cambie de rumbo y tome la delantera. El XIV Plan Quinquenal también elevó la tecnología de código abierto al nivel nacional. Xinhuazhang lideró el lanzamiento de una comunidad de código abierto en China y liberó dos herramientas EDA de verificación digital de forma gratuita, lo que tuvo un efecto positivo en la reducción de las barreras de entrada a la industria EDA, el desarrollo de talento y la aceleración de la innovación.

Los avances en tecnologías de vanguardia como el código abierto, la IA y la computación en la nube han brindado a la industria EDA de China una oportunidad única en un siglo para cambiar de rumbo y tomar la delantera. Lu Penghao prevé que, basándose en el progreso actual, las tendencias y la información del mercado, así como en el apoyo de fondos y políticas nacionales, no debería haber problemas para lograr prácticamente todo el proceso de EDA nacional en un plazo de cinco años.

Romper las barreras que imponen los gigantes de la automatización del diseño electrónico (EDA) es un reto, pero hay motivos para ser optimistas.

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