美國(guó)從EDA下絆子，3nm工藝關(guān)鍵技術(shù)GAA將與中國(guó)無(wú)緣？

美國(guó)商務(wù)部工業(yè)安全局在近日宣布，將四項(xiàng)新技術(shù)納入出口管制，包括兩大寬帶隙半導(dǎo)體材料（氧化鎵和金剛石）、開(kāi)發(fā)GAAFET結(jié)構(gòu)集成電路的ECAD軟件、以及生產(chǎn)和開(kāi)發(fā)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)或系統(tǒng)的壓力增益燃燒技術(shù)。我們?cè)谏弦黄恼轮幸呀?jīng)對(duì)這四大技術(shù)的出口管制進(jìn)行了分析，本文我們來(lái)詳細(xì)講講GAA相關(guān)EDA軟件的限制有何影響。

在美國(guó)商業(yè)部工業(yè)安全局給出的這份決定文件中，關(guān)于GAA EDA的條例將直接被添加到“電子類”商業(yè)控制清單中的軟件出口控制中。我們可以通過(guò)對(duì)比一下位列其中的其他軟件來(lái)有個(gè)大致認(rèn)知，比如用于算力超過(guò)5GFLOPS、擁有32位及以上算數(shù)邏輯單元的信息安全微處理器的控制軟件；用于開(kāi)發(fā)EUV光刻機(jī)光掩膜或光罩的計(jì)算光刻模型；用于讓微處理器、微電路在EMP或ESD干擾后1ms內(nèi)完全恢復(fù)的軟件。

明眼人都能看出，美國(guó)對(duì)這類軟件的限制明顯是沖著在先進(jìn)技術(shù)和國(guó)防安全來(lái)的，而GAAFET恰好就是目前最先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)之一。而這類軟件出口管制給出的理由是國(guó)家安全和反恐怖主義，鑒于沒(méi)有哪個(gè)國(guó)家位于美國(guó)反恐怖主義的清單上，所以就只剩因?yàn)閲?guó)家安全而實(shí)施出口管控的國(guó)家了，除了北約成員、日韓與新西蘭、澳大利亞得以幸免外，其余國(guó)家都被列入了管制范圍內(nèi)。

EDA出口限制意欲為何

在美國(guó)《聯(lián)邦公報(bào)》刊登決定文件給出的細(xì)則中，對(duì)用GAAFET進(jìn)行IC設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的EDA軟件進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，美國(guó)商務(wù)部工業(yè)安全局指出EDA工具不僅僅用于商用IC的設(shè)計(jì)，同樣在軍用和航天航空用的FPGA和ASIC設(shè)計(jì)中起到不可或缺的作用。

針對(duì)四項(xiàng)新技術(shù)的出口管制文件 / 聯(lián)邦公報(bào)

自從EUV光刻機(jī)斷供以來(lái)，國(guó)內(nèi)雖然在突破7nm芯片制造上已經(jīng)受阻，但除了華為等被列入實(shí)體清單的公司外，仍然有設(shè)計(jì)7nm以下芯片并完成流片的能力，比如阿里巴巴的倚天710芯片。從國(guó)產(chǎn)GPU、AI芯片和服務(wù)器芯片的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，我們已經(jīng)走到了7nm、5nm的路口，未來(lái)要想繼續(xù)保持競(jìng)爭(zhēng)力，只能沿著這個(gè)單行道走下去。

3nm GAA EDA解決方案 / 三星

而GAAFET技術(shù)是突破3nm及以下工藝的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)于已經(jīng)開(kāi)始限制14nm半導(dǎo)體制造設(shè)備出口的美國(guó)來(lái)說(shuō)，此舉無(wú)疑是想從設(shè)計(jì)和制造兩頭來(lái)控制中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的突破。美國(guó)其實(shí)已經(jīng)在半導(dǎo)體設(shè)計(jì)上占據(jù)主導(dǎo)地位，但近年來(lái)自中國(guó)IC設(shè)計(jì)公司的挑戰(zhàn)不斷增加，所以美國(guó)開(kāi)始實(shí)施各種出口管制，加上最近簽署的芯片法案，為的就是奪回半導(dǎo)體生產(chǎn)制造的霸主地位，同時(shí)又穩(wěn)固自己在設(shè)計(jì)上的壟斷性優(yōu)勢(shì)。

GAA的重要性與國(guó)內(nèi)外EDA廠商差距

GAA作為FinFET結(jié)構(gòu)的繼任者，采用了柵極全環(huán)繞半導(dǎo)體電子導(dǎo)通通道的方式，提供了良好的柵極控制和極佳的擴(kuò)展性，有效抑制了短溝道效應(yīng)，為半導(dǎo)體供應(yīng)進(jìn)入埃米時(shí)代奠定了基礎(chǔ)。

Intel 20A RibbonFET結(jié)構(gòu) / 英特爾

業(yè)界也已經(jīng)達(dá)成了共識(shí)，GAA技術(shù)用于3nm及后續(xù)工藝已經(jīng)成了定局，確定的廠商有三星、臺(tái)積電和英特爾。三星率先在3nm上開(kāi)始使用GAA技術(shù)，而且已經(jīng)正式開(kāi)始生產(chǎn)，臺(tái)積電將在2nm節(jié)點(diǎn)上跟上這個(gè)潮流，英特爾則要等到Intel 20A這個(gè)節(jié)點(diǎn)才會(huì)使用。雖然其結(jié)構(gòu)叫法可能有所不同，比如納米線、納米片或納米帶等等，但歸根結(jié)底都是GAA技術(shù)，考慮到目前仍在推進(jìn)先進(jìn)工藝的也就這么三家，要想繞過(guò)這一技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)3nm以下的芯片基本不可能了。

鑒于目前國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的芯片設(shè)計(jì)流程中，美國(guó)EDA廠商的設(shè)計(jì)工具依然占據(jù)主導(dǎo)地位，尤其是先進(jìn)工藝的芯片設(shè)計(jì)，所以這一出口管制帶來(lái)的影響才不可忽視。我們以率先使用GAA技術(shù)的三星為例，三星在今年六月底正式宣布了運(yùn)用GAA技術(shù)的3nm芯片開(kāi)始生產(chǎn)，三星先進(jìn)代工廠聯(lián)盟的EDA合作伙伴們也紛紛發(fā)來(lái)祝賀，包括Ansys、Cadence、西門子EDA和新思，他們已經(jīng)從仿真、驗(yàn)證、布局上和三星的GAA技術(shù)展開(kāi)了合作，全面涵蓋了模擬、數(shù)字和混合信號(hào)的IC設(shè)計(jì)。

早在2020年10月，新思就發(fā)布了3nm GAA的AMS（模擬與混合信號(hào)）設(shè)計(jì)參考流程，新思和三星對(duì)其進(jìn)行合作優(yōu)化，可為使用三星3nm GAA工藝技術(shù)的工程師在先進(jìn)的5G、HPC、AI和IoT應(yīng)用上提供最大化的設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)周期。該流程包括設(shè)計(jì)時(shí)電遷移分析、實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)規(guī)則檢查和新思的IC Validator物理驗(yàn)證方案。

根據(jù)EDA廠商的看法，從FinFET到GAAFET，其實(shí)并不如從平面結(jié)構(gòu)到FinFET那樣翻天覆地的變化，但每個(gè)流程節(jié)點(diǎn)都需要進(jìn)行大量的“方法調(diào)整”?？扇缃馟AA相關(guān)的出口管制砸下后，國(guó)內(nèi)IC設(shè)計(jì)公司要想用上GAA工藝節(jié)點(diǎn)下的全流程EDA軟件工具也就難了，而國(guó)內(nèi)EDA廠商目前最多只完成了數(shù)字或模擬一個(gè)方向的全流程電路設(shè)計(jì)，至于工藝上的進(jìn)展我們可以從招股書中看出。

從華大九天的招股書來(lái)看，也只有電路仿真工具支持到了5nm，其他的模擬電路EDA設(shè)計(jì)工具還在28nm的水平。從國(guó)微思爾芯的招股書來(lái)看，其承接的國(guó)家級(jí)專項(xiàng)研究項(xiàng)目中，目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一套數(shù)字芯片全流程EDA系統(tǒng)，包括布局布線、時(shí)序分析、物理驗(yàn)證、邏輯綜合等工具，且支持16nm工藝，并對(duì)10nm工藝有一定支持，根據(jù)招股書中說(shuō)明的實(shí)際執(zhí)行情況來(lái)看，主要研究目標(biāo)已經(jīng)完成，正在后續(xù)驗(yàn)收工作階段。

概倫電子在其招股書中表示其制造類與設(shè)計(jì)類EDA工具，均能支持到3nm的先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)和FinFET、FD-SOI半導(dǎo)體工藝，從其技術(shù)水平與特點(diǎn)一欄來(lái)看，這里指的主要是器件建模與驗(yàn)證和電路仿真及驗(yàn)證EDA工具。廣立微的招股書中也提到，其EDA解決方案已經(jīng)成功應(yīng)用于180nm到3nm的工藝技術(shù)節(jié)點(diǎn)，也已經(jīng)進(jìn)入三星電子的供應(yīng)體系。

由此來(lái)看，國(guó)內(nèi)EDA廠商在GAA技術(shù)上的積累還是有所缺失的，這也是因?yàn)閷?duì)于三星和臺(tái)積電這類先進(jìn)晶圓廠來(lái)說(shuō)，他們?cè)陂_(kāi)發(fā)GAA工藝節(jié)點(diǎn)的過(guò)程中就與新思、Cadence、西門子EDA這三大EDA廠商緊密合作了，而國(guó)內(nèi)EDA廠商往往只能在工藝節(jié)點(diǎn)開(kāi)發(fā)完成后才能拿到數(shù)據(jù)，然后才能開(kāi)始PDK相關(guān)的合作與開(kāi)發(fā)。所以國(guó)內(nèi)在這方面的落后，大部分要?dú)w結(jié)于沒(méi)有長(zhǎng)時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)與合作積累。

管制的后續(xù)影響

GAA相關(guān)EDA的出口管制其實(shí)和此前對(duì)華為、中芯國(guó)際的限制在性質(zhì)上并不一樣，這次針對(duì)的不再是特定的公司，而是直接從產(chǎn)業(yè)鏈上出發(fā)，對(duì)國(guó)家進(jìn)行限制。這對(duì)于EDA廠商、晶圓廠未來(lái)的營(yíng)收都是一次沉重的打擊，以新思為例，今年第二季度來(lái)自中國(guó)的營(yíng)收占比約16.8%，但仍處于一個(gè)上漲的趨勢(shì)。

顯而易見(jiàn)的是，這一連串的出口管制確實(shí)對(duì)中國(guó)3nm及之后的芯片設(shè)計(jì)造成了一定影響，但并沒(méi)有封堵所有的可能性。對(duì)于GAAFET結(jié)構(gòu)的芯片制造來(lái)說(shuō)，EDA工具只是其中一環(huán)，美國(guó)并沒(méi)有對(duì)三星或臺(tái)積電的GAA PDK做出限制，像華大九天、概倫電子、廣立微和鴻芯微納等廠商又是三星和臺(tái)積電的EDA合作伙伴。

這樣一來(lái)，國(guó)內(nèi)EDA廠商若是也開(kāi)始布局GAAFET的話，依然不會(huì)受此限制。而現(xiàn)有的美國(guó)EDA廠商在GAA節(jié)點(diǎn)之外的軟件工具，也可以繼續(xù)用下去，當(dāng)然，如果能拿到美國(guó)商業(yè)部的許可的話，還是可以繼續(xù)供應(yīng)GAA相關(guān)EDA工具的，但這種可能性幾近微乎其微了。

此外，這一規(guī)定中也提到，EDA軟件常常以模塊和功能授權(quán)的形式來(lái)提供，像GAA這樣的特定技術(shù)也必須得通過(guò)“專門設(shè)計(jì)”來(lái)實(shí)現(xiàn)。這也是另外三項(xiàng)出口管制即刻生效，而針對(duì)EDA的出口管制還要到10月份才會(huì)實(shí)施的原因，在此之前美國(guó)商務(wù)部將征求公眾和行業(yè)意見(jiàn)，確定有哪些特定的軟件特性或功能可以用于設(shè)計(jì)GAAFET架構(gòu)的芯片，計(jì)劃探討出一個(gè)合理的出口管控方式，所以具體如何實(shí)施尚未確定下來(lái)，但管制是逃不掉了。

這就和EUV光刻機(jī)和華為5G芯片的處境一樣，固然國(guó)內(nèi)依然可以購(gòu)置ASML的DUV光刻機(jī)，但與EUV光刻機(jī)徹底無(wú)緣了，而華為也只是可以用上高通的4G移動(dòng)芯片而已。美國(guó)政府并不打算斬?cái)啾緡?guó)公司在中國(guó)的所有盈利來(lái)源，但同時(shí)也決心隔絕中國(guó)有任何在先進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù)上做出突破的契機(jī)。

國(guó)產(chǎn)EDA的下一個(gè)目標(biāo)

其實(shí)大家對(duì)于GAA相關(guān)EDA的出口管制也不必太悲觀，首先模擬電路這塊的迭代速度相對(duì)較慢，還沒(méi)有那么快用上GAA技術(shù)，所以這項(xiàng)舉措影響的主要還是2024年之后的數(shù)字電路設(shè)計(jì)。

而國(guó)內(nèi)的數(shù)字EDA廠商也已經(jīng)開(kāi)始行動(dòng)，支持7nm/5nm的邏輯綜合、仿真驗(yàn)證技術(shù)均已經(jīng)在研發(fā)階段，再下一步肯定就是3nm之后的節(jié)點(diǎn)了。美國(guó)實(shí)施的出口管制目前看來(lái)還是在“戰(zhàn)未來(lái)”，但無(wú)疑也為國(guó)內(nèi)EDA廠商定下了一個(gè)不小的目標(biāo)。