Les géants de l'industrie des semi-conducteurs, menés par les États-Unis, restent attachés à l'exportation de puces haut de gamme vers la Chine. Si l'importance d'un contrôle indépendant de la production nationale de puces haut de gamme est de plus en plus reconnue, le rôle clé des outils de CAO (conception électronique automatisée) performants et compacts dans la chaîne de valeur de l'industrie des semi-conducteurs est également au centre des préoccupations.

La conception de puces comporte de nombreuses étapes délicates et complexes. Les outils de CAO (Conception Assistée par Ordinateur) jouent un rôle crucial dans l'amélioration de l'efficacité et l'optimisation de la conception des puces, ainsi que dans la garantie de leur bon fonctionnement. Actuellement, les trois principaux fournisseurs américains d'outils de CAO (Synopsys, Cadence et Mentor) représentent plus de 60 % du marché mondial, et la plupart des entreprises de conception de puces s'approvisionnent auprès de ces trois géants. Par conséquent, les États-Unis peuvent facilement dominer l'industrie chinoise des semi-conducteurs grâce à la CAO.

Le secteur chinois de la CAO, avec un taux de localisation d'environ 10 %, se heurte aux obstacles techniques et commerciaux posés par les trois géants du secteur, développés depuis 20 à 30 ans. Accroître ce taux représente un défi de taille. Heureusement, l'essor de l'open source et les avancées majeures en intelligence artificielle et en cloud offrent au secteur chinois de la CAO une opportunité unique de se réinventer et de prendre l'ascendant.

1. Le taux de localisation de l'EDA est d'environ 10 %, et les percées se heurtent à des obstacles.

L'EDA se situe en amont de la chaîne de valeur de l'industrie des semi-conducteurs et se caractérise par sa petite taille et sa précision. Selon les statistiques préliminaires du cabinet d'études de marché et de conseil Gartner, publiées en janvier dernier, le chiffre d'affaires mondial du secteur des semi-conducteurs a atteint 449.8 milliards de dollars américains en 2020, soit une hausse de 7.3 % par rapport à 2019.

Si l'on se concentre uniquement sur le marché des outils de conception électronique (EDA), Lu Penghao, analyste senior chez CCID Consulting, a indiqué l'an dernier que la taille du marché mondial des EDA s'élevait à 10.25 milliards de dollars américains en 2019. Le marché chinois des EDA représentait environ 580 millions de dollars américains, soit 5.6 % du marché mondial. Le chiffre d'affaires total des fabricants chinois d'EDA était inférieur à 420 millions de yuans, ce qui ne représentait que 0.6 % de la part de marché mondiale, et le taux de localisation n'était que d'environ 10 %.

« Huada Jiutian contribue majoritairement au taux de localisation d'environ 10 %. Alors que de nombreuses entreprises chinoises de CAO électronique se concentrent principalement sur les outils de point de vente, Huada Jiutian propose une suite complète d'outils pour les puces analogiques, ce qui explique sa forte notoriété sur le marché. » Lu Penghao a déclaré à Lei Feng.com : « Outre les progrès réalisés par les entreprises chinoises de CAO électronique dans le domaine des puces analogiques, certains outils du groupe Guowei et de Guolun Electronics ont également atteint un niveau de référence international. Des entreprises représentées par Xinhuazhang ont publié en open source certains de leurs outils de CAO internes et réalisé des avancées significatives. »

Lu Penghao estime qu'il est difficile de dépasser le seuil de 10 % de localisation dans le secteur de la CAO électronique et que nous sommes entrés dans une phase de stagnation. Deux raisons principales expliquent cela. D'une part, bien que la Chine compte 2 218 entreprises de conception de circuits intégrés, seules 200 environ réalisent un chiffre d'affaires supérieur à 100 millions de yuans. Indépendamment de leur niveau technique ou financier, la plupart des entreprises chinoises de conception de puces n'utilisent probablement pas de logiciels natifs, ce qui limite la croissance du marché.

En revanche, le marché chinois des outils de conception électronique (EDA) n'a pas encore pleinement intégré le processus de conception de puces numériques. Les entreprises chinoises de conception de puces réalisant un chiffre d'affaires supérieur à 100 millions de yuans privilégieront toujours les solutions EDA des trois géants du secteur.

En d'autres termes, le marché national de l'EDA connaît une croissance limitée et une concurrence féroce. Lu Penghao estime que « pour accroître davantage le taux de localisation de l'EDA, il est indispensable de numériser l'ensemble du processus. Une fois ce processus réalisé, une phase de forte croissance s'amorcera. Il faudra ensuite améliorer l'écosystème. »

Di Zhixiong, directeur adjoint du département de génie électronique de l'École d'information de l'Université Jiaotong du Sud-Ouest, estime lui aussi que le principal défi pour les entreprises chinoises d'outils de conception électronique (EDA) est leur survie, suivi des enjeux écologiques. « Pour assurer leur pérennité, ces entreprises doivent gagner la confiance des concepteurs de puces et des fonderies de semi-conducteurs », a-t-il déclaré.

« Dans le contexte international actuel, la plupart des entreprises de conception de puces sont conscientes de l'importance d'une CAO électronique maîtrisable. C'est la condition préalable à l'admission des CAO électroniques nationales. »

Wang Libin, qui possède plus de 20 ans d'expérience dans le développement technologique et la gestion opérationnelle d'entreprises leaders internationales du secteur de la CAO électronique, et qui a fondé Xinhuazhang en 2020, a déclaré à Lei Feng.com : « Auparavant, peu d'entreprises se consacraient à la CAO électronique en Chine, et elles développaient principalement des outils spécialisés. Aujourd'hui, la CAO électronique bénéficie d'une attention nationale et le marché est vaste. Les entreprises du secteur souhaitent donc proposer une offre plus complète, mais il est déconseillé de viser la taille et la perfection à tout prix. »

L'évolution de la situation internationale a contraint l'industrie chinoise des semi-conducteurs à tracer sa propre voie, et l'EDA nationale a également offert une excellente opportunité : l'EDA open source.

2. L'open source permet aux entreprises nationales de réaliser des percées technologiques majeures.

Excellente opportunité et obstacles commerciaux

Les technologies open source se développent depuis de nombreuses années, et le développement dynamique des logiciels libres est essentiel à la mise en œuvre rapide et économique des logiciels actuels. Linux, GNU, Android et divers frameworks d'IA open source peuvent souvent avoir un impact révolutionnaire. Aujourd'hui, l'outil EDA open source progresse lui aussi rapidement.

En 2018, la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) américaine a proposé deux nouveaux projets : IDEA (Intelligent Design of Electronic Assets) et POSH (Posh Open Source Hardware).

Selon Di Zhixiong, la raison est la suivante : « Le cycle de recherche et développement des puces dure au moins un ou deux ans, les coûts sont très élevés et le niveau technique requis est également très important, ce qui freine considérablement l’innovation dans le domaine de la conception de puces. Ces deux projets raccourcissent le processus de conception de puces en agissant sur les deux dimensions de la propriété intellectuelle (IP) et de la conception assistée par ordinateur (CAO), ce qui permet de gagner du temps en recherche et développement. Je pense que, de l’ensemble d’instructions RISC-V à POSH en passant par IDEA, il s’agit en réalité d’un écosystème open source qui peut contribuer conjointement à la prospérité de l’industrie des semi-conducteurs. »

Les statistiques pertinentes montrent que grâce à la mise en œuvre des deux projets open source IDEA/POSH, le nombre de logiciels EDA open source disponibles a presque doublé.

« Actuellement, le secteur chinois des outils de CAO électronique souffre de barrières à l'entrée technologiques élevées et d'une pénurie de formateurs et de formations. L'open source peut lever les obstacles techniques et commerciaux, intégrer et optimiser l'allocation des ressources scientifiques et technologiques, stimuler et accélérer l'innovation, et permettre la mise en place rapide d'un écosystème de conception de circuits intégrés en Chine », estime Wang Libin.

L'EDA open source peut-elle donc aider l'industrie chinoise de l'EDA à parvenir rapidement à une numérisation complète ? Wang Libin a déclaré : « Je pense que cela dépend de l'orientation technologique et des ressources investies. Xinhuazhang a une vision systémique, mais cela deviendra de plus en plus difficile à mesure que les investissements augmenteront. Il faut également noter que chaque type d'EDA implique des liens différents, ce qui complexifie l'utilisation de l'open source et présente un intérêt certain pour l'écosystème numérique. »

Di Zhixiong a analysé d'un point de vue technique que, sans interface unifiée, l'interconnexion des outils open source spécialisés s'avérera difficile. De plus, la plupart des outils EDA open source existants n'ont pas été validés par une production commerciale. Par ailleurs, les outils EDA dédiés à la conception de puces analogiques et à l'implémentation physique de puces numériques nécessitent tout particulièrement des bibliothèques de processus open source et la prise en charge des PDK.

Lu Penghao a souligné que l'open source est un moyen pour le secteur de la CAO électronique en Chine de parvenir à une numérisation complète, mais que pour l'instant, tout le monde n'en est qu'à ses débuts. Avec l'accumulation des connaissances, la numérisation complète sera plus rapide.

Dans ce cas, pourquoi persistez-vous à affirmer que l'open source représente une excellente opportunité pour l'EDA en Chine ? Bien que l'open source ne permette pas à l'industrie chinoise de l'EDA de combler ses lacunes à court terme, il peut résoudre le problème de la pénurie de talents à la source. Il est communément admis que le manque de talents hautement qualifiés constitue le principal défi pour le développement de l'industrie chinoise des circuits intégrés, et plus particulièrement pour le secteur de l'EDA, un secteur de petite taille et de haute précision.

« Dans le système éducatif chinois, les enseignants en conception électronique sont généralement issus des filières de microélectronique ou d'informatique. Quelle que soit leur discipline, la conception électronique reste un domaine de niche. Très peu d'établissements en Chine proposent des cours de conception électronique. Les ressources pédagogiques sont rares et peu d'étudiants s'y intéressent », a déclaré Di Zhixiong.

« Avec les logiciels libres de conception électronique (EDA), on trouve tout d'abord des exemples concrets qui permettent de mieux accompagner les cours théoriques et pratiques. De plus, ils permettent aux étudiants de comprendre le fonctionnement interne des algorithmes. Par ailleurs, les logiciels libres de conception électronique ne nécessitent pas l'achat d'outils commerciaux coûteux. Enfin, les circuits intégrés sont désormais considérés comme une matière fondamentale. Forts de ces atouts, je pense qu'il serait judicieux d'ouvrir des cours sur la conception électronique et de publier des manuels. »

Les outils d'analyse exploratoire de données (EDA) open source auront également un impact positif sur la recherche dans ce domaine. De nombreux articles scientifiques s'appuient sur des EDA open source, mais ces derniers deviennent souvent propriétaires après leur acquisition. « Si les EDA open source offrent des environnements et des processus relativement complets, il est possible de disposer d'un modèle de référence permettant de vérifier l'efficacité des algorithmes ou des modèles. Par conséquent, que ce soit pour la recherche scientifique ou l'enseignement, l'adoption des EDA open source est cruciale. »

L'utilisation de logiciels libres pour la conception assistée par ordinateur (CAO) permet non seulement de faciliter la formation des professionnels dans les établissements scolaires, mais aussi d'attirer davantage de personnes vers ce secteur et d'accélérer l'innovation. Wang Libin a déclaré : « La CAO est une discipline interdisciplinaire qui englobe l'informatique, le logiciel et les circuits intégrés. L'utilisation de logiciels libres équivaut à fournir une version finale du produit, ce qui abaisse les barrières à la recherche et au développement. Elle peut également stimuler et accélérer l'innovation dans les instituts de recherche, les universités, les entreprises et auprès des passionnés, optimiser l'allocation des ressources et former de nombreux talents en CAO grâce à la pratique des logiciels libres. »

« Lorsque l’industrie disposera de meilleurs produits open source, l’utilisation des logiciels de CAO open source se généralisera et s’intensifiera. Ces applications à grande échelle fourniront davantage de données de test pour les logiciels de CAO open source, accéléreront leur développement et leur innovation, et contribueront à la création d’un écosystème open source de CAO bénéficiant d’un retour d’information positif », a souligné Wang Libin.

Les entreprises nationales de CAO électronique ne se contentent pas de saisir l'opportunité offerte par les logiciels libres, mais utilisent également de nouvelles technologies telles que l'IA et le cloud computing pour changer de cap et prendre de l'avance.

3. Les conducteurs de véhicules électriques nationaux changeront de voie pour dépasser.

Pionnière de l'EDA open source, Xinhuazhang a lancé EDAGit, la première communauté technologique EDA open source de Chine, en septembre 2020, et a rendu publics deux outils EDA. Wang Libin a déclaré qu'actuellement, les fabricants de semi-conducteurs investissent massivement dans la vérification de leurs puces, car les pertes dues à une défaillance peuvent aller de centaines de millions de yuans de coûts de production initiaux à des retards de commercialisation ou à une atteinte à la réputation de l'entreprise, pouvant entraîner la perte de clients et s'avérer fatales. Par conséquent, la vérification, et notamment la vérification matérielle, constitue un atout majeur pour le leadership technologique.

Les deux outils EDA open source proposés par Xinhuazhang concernent la vérification. EpicSim est un outil de simulation open source amélioré et innovant, basé sur la méthodologie EDA classique. Le simulateur est un élément essentiel de la vérification fonctionnelle. L'autre outil open source est la vérification formelle « Effectiveness ». L'avantage de la vérification formelle réside dans son exhaustivité. Elle ne nécessite pas la mise en place d'un environnement complexe et offre une convergence de conception rapide. Elle est particulièrement adaptée à la vérification précoce des modules.

processus de simulation numérique

« Le domaine de la vérification numérique sur lequel Xinhuazhang se concentre n'est pas directement lié aux usines de fabrication de plaquettes et aux procédés avancés. Par conséquent, pour nous, la clé des percées technologiques réside dans les talents. Concernant l'agencement et le câblage des systèmes de traitement du signal et des usines de fabrication de plaquettes, nous devons envisager d'ouvrir l'utilisation de produits open source sur différentes technologies de gravure », a déclaré Wang Libin.

« Nos outils EDA open source peuvent être utilisés efficacement pour la vérification préliminaire des projets de puces et dans l'enseignement. Nous espérons ainsi favoriser l'intégration et l'optimisation des ressources, afin que les concepteurs de puces et les développeurs d'outils EDA puissent exploiter les outils open source de Xinhuazhang. Ceci permettra de constituer rapidement un nouvel écosystème technologique, de stimuler l'innovation de ces deux groupes, de lever les obstacles techniques et commerciaux liés à l'EDA et d'améliorer l'efficacité globale de la chaîne d'innovation des circuits intégrés. »

Di Zhixiong a déclaré : « Les outils de vérification numérique de Xinhuazhang ont permis une avancée majeure en Chine, et son outil de CAO formel open source « EpicFV » est une première mondiale. Les ventes d'outils de vérification représentent environ 30 % du total des ventes d'outils de CAO, avec une forte demande et une valeur marchande élevée. »

Lei Feng.com a appris que l'outil EpicSim de Xinhuazhang a été adopté par des sociétés de conception de puces commerciales et a également atteint l'objectif de doubler la vitesse de simulation dans les conceptions réelles.

« Adopter la voie de l’open source est assurément un excellent moyen de localiser l’EDA », a déclaré Lu Penghao.

Outre les logiciels libres, les technologies de pointe telles que l'IA et le cloud computing peuvent également aider le secteur chinois de la CAO électronique à se moderniser et à prendre l'avantage. Wang Libin affirme : « Les géants étrangers de la CAO électronique se développent depuis des décennies. Si nous utilisons des méthodes et des structures traditionnelles, il nous faudra certainement de nombreuses années pour les rattraper. Mais les nouvelles technologies et les nouvelles structures nous permettent de repartir sur de nouvelles bases et de développer des outils de CAO électronique plus performants sans recourir aux méthodes précédentes. »

Par exemple, la technologie LLVM utilisée par Xinhuazhang. Les outils EDA traditionnels ne prennent en charge que les serveurs d'architecture x86. Leur application aux serveurs d'architecture ARM ou RISC-V nécessiterait un temps de migration considérable. L'architecture LLVM, quant à elle, prend en charge d'emblée différentes architectures, évitant ainsi les migrations ultérieures et facilitant les changements et les dépassements de capacités.

Concernant le rôle de l'intelligence artificielle, Di Zhixiong estime qu'elle ne peut pas fondamentalement favoriser le développement des outils d'analyse exploratoire des données (EDA), mais qu'elle peut être considérée comme une boîte noire, à l'instar des outils de prédiction, permettant de résoudre des problèmes plus complexes.

Selon Lu Penghao, le monde étudie la combinaison des technologies d'IA et de CAO, et la Chine est à la pointe en matière d'IA. Cet avantage nous permettra d'accélérer notre rattrapage. Il ne faut pas négliger non plus le potentiel du cloud computing. Avec son développement, la conception de puces dans le cloud permet de réduire considérablement le temps de vérification, une étape cruciale du processus de conception.

4. Résumé

En tant que maillon essentiel de la chaîne industrielle, la technologie EDA doit être modernisée afin d'améliorer l'efficacité globale de cette chaîne. 2021 marque le début du 14e plan quinquennal, et pour la première fois, il est clairement affirmé que des avancées majeures dans les outils de conception de circuits intégrés sont nécessaires.

Face à un faible taux de localisation des outils de conception électronique (EDA) et à d'importantes barrières techniques et commerciales imposées aux géants du secteur, l'open source représente une solution efficace pour permettre aux acteurs chinois de l'EDA de se démarquer et de prendre l'ascendant. Le 14e plan quinquennal a d'ailleurs hissé les technologies open source au rang de priorité nationale. Xinhuazhang a été pionnière en lançant une communauté open source en Chine et en publiant gratuitement deux outils de vérification numérique pour l'EDA. Cette initiative a contribué à faciliter l'accès au secteur, à former les talents et à accélérer l'innovation.

Les avancées technologiques majeures telles que l'open source, l'IA et le cloud computing offrent à l'industrie chinoise de la CAO une opportunité unique en un siècle de se réinventer et de prendre une longueur d'avance. Lu Penghao estime que, compte tenu des progrès actuels, des tendances et des informations du marché, ainsi que du soutien financier et politique national, la mise en œuvre complète du processus de CAO en Chine devrait pouvoir être réalisée sans difficulté d'ici cinq ans.

Briser les barrières des géants de l'EDA est un défi, mais il y a des raisons d'être optimiste.

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