As gigantes da indústria de semicondutores, lideradas pelos Estados Unidos, têm se concentrado na exportação de chips de alta tecnologia para a China. Embora esteja cada vez mais consciente da importância do controle independente sobre a produção nacional de chips de alta tecnologia, o papel fundamental das pequenas e sofisticadas ferramentas de EDA (Automação de Projeto Eletrônico) na cadeia produtiva de semicondutores também tem recebido atenção crescente.

Existem muitas etapas delicadas e complexas no projeto de chips. As ferramentas EDA desempenham um papel extremamente importante na melhoria da eficiência do projeto de chips, na otimização do projeto e na garantia da funcionalidade dos chips. Atualmente, as três principais empresas americanas de EDA (Synopsys, Cadence e Mentor) detêm mais de 60% do mercado global de EDA, e a maioria das empresas de projeto de chips exige ferramentas EDA dessas três gigantes. Portanto, os Estados Unidos podem facilmente dominar a indústria chinesa de chips utilizando EDA.

O setor de EDA (Automação de Projeto Eletrônico) nacional, com uma taxa de localização de apenas cerca de 10%, enfrenta as barreiras técnicas e comerciais das três gigantes do setor, que se desenvolveram ao longo de 20 a 30 anos. Aumentar ainda mais essa taxa de localização é um grande desafio. Felizmente, a tendência do código aberto e os avanços em IA (Inteligência Artificial) e tecnologia em nuvem proporcionaram ao setor de EDA nacional uma oportunidade única em um século para mudar de rumo e ultrapassar as outras empresas.

1. A taxa de localização da EDA é de cerca de 10%, e os avanços enfrentam gargalos.

A EDA (Automação Eletrônica de Projeto) está no início de toda a cadeia da indústria de semicondutores e se caracteriza por seu tamanho reduzido e precisão. De acordo com estatísticas preliminares da empresa de pesquisa de mercado e consultoria Gartner, divulgadas em janeiro deste ano, a receita global do setor de semicondutores totalizou US$ 449.8 bilhões em 2020, um aumento de 7.3% em relação a 2019.

Analisando apenas o mercado de EDA, Lu Penghao, analista sênior da CCID Consulting, divulgou dados no ano passado indicando que o mercado global de EDA atingiu US$ 10.25 bilhões em 2019. O mercado chinês de EDA representou aproximadamente US$ 580 milhões, correspondendo a 5.6% do mercado global. A receita total dos fabricantes nacionais de EDA foi inferior a 420 milhões de yuans, representando apenas 0.6% da participação no mercado global, e a taxa de nacionalização foi de apenas cerca de 10%.

"A Huada Jiutian contribui com a maior parte da taxa de localização, cerca de 10%. Como muitas empresas nacionais de EDA se concentram principalmente em ferramentas para pontos de venda, a Huada Jiutian possui um conjunto completo de ferramentas para chips analógicos, o que lhe confere maior reconhecimento no mercado", disse Lu Penghao ao Lei Feng.com. "Além do progresso da EDA nacional na área de chips analógicos, algumas ferramentas do Grupo Guowei e da Guolun Electronics também alcançaram o nível de liderança internacional. Empresas representadas pela Xinhuazhang disponibilizaram algumas ferramentas de EDA de desenvolvimento próprio em código aberto e obtiveram avanços significativos."

Lu Penghao believes that it is difficult to break through the 10% localization rate of EDA and has entered a bottleneck period. There are two main reasons. On the one hand, although there are 2,218 IC design companies in China, there are only more than 200 with revenue over 100 million. Regardless of technical or financial level, most Chinese chip design companies may not use genuine software, and the market growth is limited.

Por outro lado, o mercado nacional de EDA ainda não implementou todo o processo de ferramentas de projeto de chips digitais. Empresas nacionais de projeto de chips com faturamento superior a 100 milhões ainda priorizam os produtos de EDA das três gigantes.

Em outras palavras, o mercado doméstico de EDA apresenta crescimento incremental limitado e forte concorrência no mercado existente. Lu Penghao acredita que "para aumentar ainda mais a taxa de localização da EDA, todo o processo digital deve ser implementado. Uma vez que todo o processo seja implementado, um período de rápida expansão terá início. Então, o ecossistema precisa ser aprimorado."

Di Zhixiong, vice-diretor do Departamento de Engenharia Eletrônica da Escola de Informação da Universidade Southwest Jiaotong, também acredita que o problema mais difícil para as empresas nacionais de EDA é a sobrevivência, seguido por questões ecológicas. "As empresas nacionais de EDA precisam conquistar a confiança das empresas de design de chips e das fundições de wafers para resolver seus problemas de sobrevivência", disse Di Zhixiong.

"No atual cenário internacional, a maioria das empresas de design de chips está ciente da importância do EDA controlável. Este é o pré-requisito para que o EDA nacional seja aceito."

Wang Libin, que possui mais de 20 anos de experiência em desenvolvimento tecnológico e gestão operacional de empresas líderes internacionais em EDA, e fundou a Xinhuazhang em 2020, disse ao Lei Feng.com: "No passado, não havia muitas empresas de EDA na China, e elas se concentravam principalmente em ferramentas de ponto único. Agora, a EDA recebeu atenção nacional e há muito espaço no mercado, então as empresas de EDA esperam ser mais completas, mas não é aconselhável ser ganancioso em busca de tamanho e perfeição."

As mudanças no cenário internacional forçaram a indústria de semicondutores da China a encontrar seu próprio caminho, e a EDA doméstica também abriu uma excelente oportunidade: a EDA de código aberto.

2. Open source enables domestic EDA to break through giant technology

Excelente oportunidade e barreiras comerciais

Open source technology has been developing for many years, and the vigorous development of open source software is a key to the rapid and low-cost implementation of current software. Linux, GNU, Android and various open source AI frameworks can often have a revolutionary impact. Today, EDA open source is also advancing rapidly.

In 2018, the U.S. Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) proposed two new projects, IDEA (Intelligent Design of Electronic Assets) and POSH (Posh Open Source Hardware).

O motivo, segundo Di Zhixiong, é o seguinte: "O ciclo de pesquisa e desenvolvimento de chips leva pelo menos um ou dois anos, o custo é muito alto e o nível de exigência técnica também é muito elevado, o que dificulta seriamente a inovação na área de design de chips. Esses dois projetos encurtam o processo de design de chips nas dimensões de IP e EDA, economizando tempo de pesquisa e desenvolvimento. Acredito que, desde o conjunto de instruções RISC-V até o POSH e o IDEA, temos, na verdade, um ecossistema de código aberto que pode promover conjuntamente a prosperidade da indústria de chips."

Relevant statistics show that through the implementation of the two open source projects IDEA/POSH, the number of available open source EDA has nearly doubled.

"A situação atual da indústria nacional de ferramentas EDA é marcada por altas barreiras de entrada tecnológica e escassez de professores e cursos qualificados. O código aberto pode romper essas barreiras técnicas e comerciais, integrar e otimizar a alocação de recursos científicos e tecnológicos, estimular e acelerar a inovação de forma eficiente e construir rapidamente um ecossistema nacional de projeto de circuitos integrados", acredita Wang Libin.

Então, será que o EDA de código aberto pode ajudar a indústria nacional de EDA a alcançar rapidamente o processo totalmente digital? Wang Libin disse: "Acho que depende da orientação tecnológica e do investimento em recursos. A Xinhuazhang tem uma ideia sistemática, mas isso se tornará cada vez mais difícil, pois o investimento também aumentará. Deve-se notar também que diferentes projetos de EDA envolvem diferentes etapas, a dificuldade do código aberto e o efeito de promoção ecológica que ele pode trazer."

Di Zhixiong analisou, sob uma perspectiva técnica, que se as ferramentas pontuais de código aberto não possuírem uma interface unificada, será difícil interconectá-las. Além disso, a maioria das ferramentas EDA pontuais de código aberto existentes não foi validada por meio de tape-out comercial. Ao mesmo tempo, as ferramentas EDA para projeto de chips analógicos e implementação física de chips digitais requerem, em particular, bibliotecas de processos de código aberto e suporte a PDK.

Lu Penghao destacou que o código aberto é uma forma de a EDA nacional concretizar todo o processo digital, mas que, no momento, todos estão na fase inicial. Com o acúmulo de conhecimento, a implementação completa do processo será mais rápida.

Nesse caso, por que você ainda afirma que o código aberto é uma excelente oportunidade para a EDA nacional? Embora o código aberto para EDA não permita que a indústria nacional de EDA compense suas deficiências no curto prazo, ele pode resolver a escassez de talentos no desenvolvimento da EDA nacional desde a sua origem. Há um consenso na indústria de que a falta de profissionais altamente qualificados é o maior desafio para o desenvolvimento da indústria nacional de circuitos integrados, especialmente para o setor de EDA de pequeno e grande porte e alta complexidade.

"No sistema de ensino nacional, os professores de EDA geralmente pertencem às áreas de microeletrônica ou computação. Independentemente da área de atuação, EDA é um nicho. Há pouquíssimas escolas na China que oferecem cursos de EDA. Há escassez de materiais didáticos de EDA e também poucos alunos interessados ​​na área", disse Di Zhixiong.

"Com o EDA de código aberto, em primeiro lugar, há casos que podem fornecer um suporte melhor para cursos teóricos e experimentais. Além disso, também permite que os alunos compreendam os algoritmos internos do EDA. Ademais, o EDA de código aberto não exige a compra de ferramentas comerciais caras. Além disso, os circuitos integrados foram promovidos a uma disciplina de primeiro nível. Com esses recursos, acredito que será benéfico abrirmos cursos de EDA e começarmos a publicar livros didáticos."

A EDA de código aberto também terá um efeito positivo em pesquisas relacionadas. Há relatos de que muitos artigos de pesquisadores são baseados em EDA de código aberto, mas essa tecnologia frequentemente se torna proprietária após ser adquirida. "Se a EDA de código aberto puder fornecer ambientes e processos de EDA relativamente completos, você poderá ter um modelo de referência para verificar a eficácia do algoritmo ou modelo. Portanto, seja na pesquisa científica ou no ensino, a urgência da EDA de código aberto é muito grande."

Open source EDA can not only reduce the difficulty of talent training in schools, but also attract more people to join the EDA industry and accelerate innovation. Wang Libin said: "EDA is an interdisciplinary subject spanning computers, software, and integrated circuits. Open source is equivalent to giving a master version of a product, which lowers the threshold for research and development. It can also stimulate and accelerate innovation in scientific research institutes, universities, enterprises, and enthusiasts, optimize resource allocation, and cultivate many EDA talents through the practice of open source."

"When the industry gets better open source products, it will increase the frequency and breadth of use of open source EDA software. Such large-scale applications will provide more test data for open source EDA, further accelerate the development and innovation of open source EDA tools, and finally form an EDA open source ecosystem with positive feedback." Wang Libin further pointed out.

As empresas nacionais de EDA não apenas aproveitam a oportunidade do EDA de código aberto, mas também utilizam novas tecnologias, como IA e computação em nuvem, para mudar de rumo e ultrapassar os concorrentes.

3. O motorista doméstico mudará de faixa para ultrapassar.

Como pioneira em EDA de código aberto, a Xinhuazhang lançou a EDAGit, a primeira comunidade de tecnologia EDA de código aberto da China, em setembro de 2020, e disponibilizou duas ferramentas EDA em código aberto. Wang Libin afirmou que, atualmente, as empresas de semicondutores investem muita energia na verificação de seus projetos, pois as perdas causadas por falhas em chips podem variar desde o desperdício de centenas de milhões de yuans em custos de produção únicos até o impacto no tempo de lançamento do produto no mercado ou na reputação da empresa, levando à perda de clientes e, consequentemente, a um golpe fatal. Portanto, a verificação, especialmente a verificação de hardware, é um dos pontos-chave para a liderança tecnológica.

As duas ferramentas EDA que a Xinhuazhang disponibilizou como código aberto estão ambas relacionadas à verificação. O EpicSim é uma ferramenta de simulação de código aberto aprimorada e inovadora, baseada na metodologia EDA clássica. O simulador é a parte mais indispensável da verificação funcional. Outra ferramenta de código aberto é a verificação formal "Effectiveness". A vantagem da verificação formal é a verificação completa e exaustiva. Ela não requer a construção de um ambiente complexo e possui alta eficiência de convergência do projeto. É adequada para a verificação inicial de módulos.

Digital simulator process

"O campo da verificação digital em que a Xinhuazhang se concentra não está direta e intimamente relacionado com fábricas de wafers e processos avançados. Portanto, para nós, a chave para os avanços tecnológicos reside nos talentos. Para o layout e a fiação do back-end e das fábricas de wafers, devemos considerar a abertura da aplicação de produtos de código aberto em diferentes nós de processo", disse Wang Libin.

"Nossas ferramentas EDA de código aberto podem ser muito úteis na verificação inicial de projetos de chips e no ensino escolar. Esperamos inspirar a integração e otimização de recursos, para que tanto os projetistas de chips quanto os desenvolvedores de ferramentas EDA possam usar as ferramentas EDA de código aberto da Xinhuazhang. Isso formará rapidamente um novo ecossistema tecnológico, estimulará a vitalidade inovadora desses dois grupos, permitirá superar barreiras técnicas e comerciais na área de EDA e melhorará a eficiência geral da cadeia de inovação de circuitos integrados."

Di Zhixiong afirmou: "As ferramentas de verificação digital da Xinhuazhang representaram um avanço significativo na China, partindo do zero, e seu software EDA de verificação formal de código aberto 'EpicFV' também é o primeiro do mundo. As vendas de ferramentas de verificação representam cerca de 30% de todas as vendas de ferramentas EDA, com grande demanda e alto valor de mercado."

O site Lei Feng.com apurou que a ferramenta EpicSim da Xinhuazhang foi adotada por empresas comerciais de design de chips e alcançou o objetivo de dobrar a velocidade de simulação em projetos reais.

"Adhering to the path of open source is definitely a very good way to localize EDA." Lu Penghao said.

Além do código aberto, tecnologias de ponta como IA e computação em nuvem também podem ajudar a EDA nacional a mudar de rumo e ultrapassar a concorrência. Wang Libin acredita: "As gigantes estrangeiras da EDA vêm se desenvolvendo há décadas. Se usarmos métodos e estruturas tradicionais, certamente levaremos muitos anos para alcançá-las. Mas novas tecnologias e novas estruturas podem nos permitir começar de um novo ponto de partida e desenvolver ferramentas de EDA mais avançadas sem usar os métodos anteriores."

Por exemplo, a tecnologia LLVM usada pela Xinhuazhang. As ferramentas EDA tradicionais suportam apenas servidores com arquitetura x86. Se essa tecnologia for aplicada a servidores com arquitetura ARM ou RISC-V, a adaptação levará muito tempo. A arquitetura LLVM, por sua vez, permite o suporte a diferentes arquiteturas desde o início, eliminando a necessidade de adaptações posteriores e possibilitando mudanças e ultrapassagens rápidas.

Quanto ao papel da tecnologia de IA, Di Zhixiong acredita que a IA não pode promover fundamentalmente o desenvolvimento de ferramentas EDA, mas pode ser considerada uma caixa preta semelhante à previsão para resolver alguns problemas mais complexos.

O ponto de vista de Lu Penghao é que o mundo está estudando a combinação de tecnologia de IA e tecnologia EDA, e a tecnologia de IA nacional lidera o cenário mundial. Essa vantagem nos ajudará a acelerar o ritmo de convergência até certo ponto. Há também a tecnologia em nuvem que não pode ser ignorada. Com o desenvolvimento da computação em nuvem, o projeto de chips na nuvem pode reduzir o tempo de verificação do projeto, que consome muito tempo no processo de desenvolvimento de chips.

4. Resumo

Como fonte da cadeia industrial, a tecnologia EDA deve ser inovada para que a eficiência geral da cadeia industrial possa ser aprimorada. 2021 é o primeiro ano do "14º Plano Quinquenal", e pela primeira vez é declarado claramente que são necessários avanços nas ferramentas de projeto de circuitos integrados.

Quando a taxa de localização da EDA (Automação Eletrônica de Projeto) não é alta e as grandes empresas enfrentam fortes barreiras técnicas e comerciais, o código aberto surge como uma boa alternativa para que a EDA nacional mude de rumo e ultrapasse a concorrência. O 14º Plano Quinquenal também elevou a tecnologia de código aberto ao nível nacional. A Xinhuazhang liderou o lançamento de uma comunidade de código aberto na China e disponibilizou gratuitamente duas ferramentas de verificação digital para EDA, o que teve um efeito positivo na redução das barreiras de entrada no setor de EDA, na formação de talentos e na aceleração da inovação.

Os avanços em tecnologias de ponta, como código aberto, IA e computação em nuvem, proporcionaram à indústria de EDA da China uma oportunidade única em um século para mudar de rumo e se consolidar como líder. Lu Penghao prevê que, com base no progresso atual, nas tendências e nas informações de mercado, bem como no apoio de fundos e políticas nacionais, não deverá haver problemas para a implementação completa do desenvolvimento de EDA no país dentro de cinco anos.

Superar as barreiras dos gigantes da EDA é um desafio, mas há motivos para otimismo.

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