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副教授被国际芯片行业老大“惦记”,本土核心技术人才难留住?

在先进制造、智能制造的今天,大到飞机、航母,小到汽车、芯片甚至鞋子,依靠设计师的手和笔来完成已是不可能之事;产品研发的反复迭代,每一步都离不开计算机辅助设计。但在工业设计、模拟辅助软件(CAD/CAE)领域,中国处于产业萎缩、投入不足、人才流失、学科凋零的困境,大量依赖国外产品。这已经对中国的国家安全、国民经济造成潜在危害。中国的工业软件,是否只剩下了缴械投降?中国应如何打破外国在工业设计上的垄断?请看《知识分子》与相关专家、学者对话后的深度报道。

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近来,福州大学副教授陈建利收到了一份邀请,有朋友问他,是否愿意加入Cadence。

在芯片设计自动化领域,Cadence是行业老大。它和另外两家美国公司Synopsys、MentorGraphics垄断了全球市场的95%。凡设计芯片都要用到它们的软件工具。

陈建利被“惦记”并不奇怪。在芯片电子设计自动化这行,他已然是一颗冉冉升起的新星——2017年6月的DAC(Design Automation Conference)最佳论文奖获得者、11月的ICCAD(International Conference on Computer-Aided Design)的CAD学术竞赛冠军,都是大陆学者首次。他还在今年1月起担任CEDA(The Council on Electronic Design Automation)设计自动化技术委员会委员,为7名委员中的唯一大陆学者。此外,他还有一篇论文获得ICCAD 2018最佳论文提名奖。

可问题是,这家Cadence公司——在4月时率先响应美商务部号召,对中兴实施禁运。没有它的授权,中国公司便很难设计芯片。外界大多关注了器件、知识产权模块的禁运,而少有人知道,软件工具的禁运照样一箭封喉。

如今中兴虽然已解禁,但卡脖子之痛尤在昨日,回过头看陈建利的这份邀约,多少有些别样的意味。

如此依赖

不过,陈建利想继续留在学界,并无进入工业界的打算。

他从事的研究称之为“物理设计”,属于芯片设计流程当中的一步。其中有两大关键问题:如何在指甲盖大小的芯片之上,将成百上千万的器件(几十亿个晶体管)摆放下去?又如何将这几千万的器件连接起来组成电子电路?当然,这些摆放和连线都要满足一系列苛刻条件。

将几千万的器件(几十亿个晶体管)排布到一块芯片上

当年,第一个集成电路处理器只有2200个晶体管,而今任何一部智能手机,芯片里都集成了三四十亿的晶体管。显然,如此大规模的器件摆放和绕线无法靠手工完成。

在去年获奖的这篇最佳论文中,陈建利和合作者提出了一种新的算法,可以将不同倍高的单元器件快速且接近最优的方式排布到芯片上,无论是理论证明还是实测程序,都表明其最佳性。

如果考虑到芯片设计软件工具的重要性、中国在这一领域缺乏原创性成果、中国企业长期依赖国外软件的现实,陈的研究就很有意义。有了新的算法突破和初步程序,商用工具的开发就迈出了第一步。

通常来说,设计方需要从上游的公司如ARM获得器件、知识产权模块授权,然后再从Cadence等公司获得设计软件授权,设计完成的芯片“图纸”再交给下游的晶圆厂如台积电完成量产流片。

“从整个芯片设计流程来说,百分之七八十的时间都是要跟芯片设计软件打交道的。可以说,在把最后方案交给晶圆厂制造之前,全部都是用这些工具进行反复迭代的过程。” 从事机器人芯片设计研究工作的中国科学院计算所研究员韩银和告诉《知识分子》。

长期以来,国内似乎已经习惯了花钱买授权,甚至是不花钱使用盗版,直到中兴事件,才如梦初醒,原来也有花钱也买不来的时候。

多位受访人士表示,不仅是芯片,从飞机、航母,到汽车、手机甚至鞋子,与各个行业紧密联系的工业设计、模拟仿真软件已经成为支撑先进制造的共性关键技术,中国基本处在“人有我无”的卡脖子状态。

“我们航空里面要做一个复杂的外形,不管是要做样件加工还是实际生产,还是要用CATIA这样的国外软件进行数字化设计,它能做高阶曲面,质量非常好。” 北京航空航天大学机械工程及自动化学院副教授王伟告诉《知识分子》,在代表先进制造的航空航天领域,即使是某些龙头企业,用的也是诸如CATIA这样的国外软件。

中国已经在丧失人口红利,之前简单的来料加工和代工也已难以维系。工欲善其事,必先利其器,离开了先进的设计模拟软件,就无法实现产品开发的快速迭代,也无法实现成本的控制,只能最终在激烈的市场竞争中落败。

拿设计一台飞机发动机来说,离开先进的数值模拟软件,几乎寸步难行。“一架F16和同等重量的黄金是等价的,而发动机的价值,黄金也不能与之匹配。其中一个零部件级的实验件就可能达到上千万、上亿的造价,如果纯粹依靠物理试验,估计需要做上千次零部件级实验,才能找到合适的设计参数区间,成本基本是不可控的。” 超算无锡中心先进制造部部长任虎说。

由于正版高端软件相对昂贵,国内不少企业靠盗版过活,而一些高级的模块无法直接购买,还需要走第三方渠道,比如在国外注册公司再去购买。

“为什么我们做出来的东西不如别人漂亮,或者不如别人快,一个原因就是这些工具软件关键的模块不卖给你,只给你一级二级的技术,不会给你高级的技术。而随着软件工具转向云端服务,盗版也将难以为继。” 华航唯实机器人科技股份有限公司技术总监宋智广介绍说,如果不自主的话,可能今天不会感到痛,但再过几年,“会突然发现竞争对手,比如国外企业每隔两个月就推出新品,而国内企业半年甚至一年才能推出新品,从效率上就大大落后了” 。

“没有先进的芯片设计工具,肯定设计不出先进的芯片,这是大家的共识。” 具体到芯片设计,韩银和这样说。不过,真要做一款先进设计工具,谈何容易。

垄断之苦

芯片设计工具的研发基于核心算法,可对陈建利来说,过去的甘苦,一言难道尽。

2013年,是陈建利人生中的低潮。从读硕士开始算起,他对布局这个问题的探究已经过了6年,可依然没有大的突破。这一年,他想去外边看看,离开福州,去一衣带水的宝岛台湾。

赴台背后还有一个残酷的现实。由于中国半导体业的落后,陈建利无法接触到工业界真正的需求,而台湾地区在集成电路方面,无论是制造、封装、测试都已经是仅次于美国的力量。在那里,通过参加各样的研讨会,接触学术界、产业界的人士,对于在先进制造过程下业界的需求有了更多的认识。

“像我们获奖的论文,是在多倍高的器件(指的是器件的高度不一样,但是整数倍,比如最小的器件是1的话,有的器件是2倍高,3倍高等等)下,引入了很多新的约束,新的设计规则,这是在先进制程的东西。你要知道别人在做什么,业界需要的是什么,我觉得这个蛮关键。” 陈建利说。通过和台湾大学教授张耀文合作,3年之后,布局的难题就被攻克了。

国内的芯片设计企业某种程度也有和陈建利一样的困境。由于国外企业建立的垄断优势,下游的制造厂如台积电、三星会优先与Cadence等公司交流,将最先进的库给他们使用,一步步磨合,去解决先进制程下的设计需求。

“我们国内的芯片设计公司得不到这种细致的沟通,没有大规模流片的测试,只能做一些保守的设计,把冗余尽量放大一点,这样保证芯片是对的,但性能肯定不行。” 韩银和说。

芯片设计软件的研发难度已然不小,可另外一重尴尬是,虽然全球的集成电路市场有几千亿美元的规模,但是芯片设计软件的市场不到百亿美元,再加上全球市场已被三大公司瓜分,只剩下区区不到10%的市场,很少有新公司有动力去研发新产品。

在过去的“七五””、“八五”、“九五”三个五年计划中,中国国内也曾集合了几百人做了一个名为“熊猫”的芯片设计软件,但一面世,美国各大公司便立即降价,将其扼杀在摇篮之中。迄今为止,包括芯片设计软件在内的工业软件,中国大多购自国外或依赖于盗版。

不过,即使是像陈建利这样,考虑了先进制程,在核心算法上作出了突破,写成了四十多万行代码的程序,可离推出一款成熟的布局工具还有很长的路要走。

“在学术上,我们可以做一些理想化的假设,比如只优化两个目标,但要真正做成供大家使用的工具,温度、功耗等各个方面都要考虑。” 除此之外,陈建利告诉《知识分子》,这几家大公司覆盖了芯片软件设计的各个环节,形成了一个全方位的产品线,一个点工具的突破已经很难撼动大公司的地位。

人才凋零

陈建利(右二)与合作者在第54届设计自动会议上获得最佳论文奖,也是该会议54年来第一次有中国大陆学者获得该奖

陈建利和导师朱文兴是偶然进入芯片设计领域的,他们所在的福大离散数学与理论计算机科学中心,本来专注于图论与组合数学的纯数学研究。2006年6月,中心主任范更华从《超大规模集成电路布图理论及算法》一书得到启发,申请了一个973项目的课题“大规模集成电路设计中的图论与代数方法”。自那之后,读硕士的陈建利与导师一干就是十几年。

起初,外界并不看好他们,进入一个新的领域需要较长时间的学习和积累,问题本身也极具挑战。“说实话,我们做这个太累了,太难了,每天加班加点,周末也不休息,对建利我从来没说过放弃,总是说要坚持,但其实我自己也有过放弃的想法。” 朱文兴感叹道。

这中间也有不少人选择了退出。刚起步时,中心曾用973的经费派遣一位老师到美国学习芯片设计,但不想,这位老师最后还是做回了本行。而最近刚毕业的一位博士,也选择了一所小学校,原因是对方给了高额安家费。

坚持到今天,陈建利可谓“十年苦研无人问”。即使在今天,他的成果已经获得了国际同行的认可,但由于学校当初设计奖励制度时没有考虑到这方面的成果,也没法获得学校奖励。一位本土培养的博士又是本校,十年来虽然解决了重要问题,发了重头文章,但文章的数量总还是少;文章虽已是本领域的顶尖会议最佳论文,但不是发表在外界认为的名刊ScienceNature

“我觉得,芯片发展最缺乏的就是人才。集成电路的研究不一定要放在市中心,它最需要的其实是人才,但是这方面的待遇好像不是太好。”陈建利告诉《知识分子》。

在这一点上,韩银和也深有体会,他介绍说,自己培养的博士生从事集成电路的不到三分之一人,从事学术研究的更少,而硕士则基本没有继续从事集成电路的工作,他们都奔去了红火的互联网、AI、大数据区块链

“我们国内的人才太少了,有些数据说,Synopsys公司全球员工1万多人,我们国家做芯片设计工具的连工程师加学生不超过1000人,这些人还大部分在外企,留在国内公司的不过三四百人。” 他说。

产业凋敝、市场萎缩,就像是一个无法阻止的链式反应,直接导致毕业生需求减少,科研人员流失,人才培养停滞、学科凋零。如果说,工业软件的缺失是一场灾难,人才和学科的濒死则是釜底抽薪。

转型中的希望尚存

中国的工业软件,是否只剩下了缴械投降?

工业软件某种程度是整个工业知识、先进理论和工业实践的具体体现,目的是辅助工程师去做设计和研发,中国的工业基础薄弱,落后国外也属正常。不过,随着基础研究的推进,新的认识和方法不断涌现,设计仿真和模拟的工具软件也有新陈代谢。

“可以说,新的理论、方法、新的软件技术、新的计算平台,一切都在革新中,没有任何东西是一成不变的,任何人都不可能躺在过去的功劳簿上睡大觉而自动领先。”任虎说。

从现实看,工业软件也处于转型的风口,变局中蕴藏着机遇。

在芯片设计领域,受阿尔法狗(AlphaGo)打败世界围棋冠军的启发,科研人员正在试着用AI打败电路设计师。国内外的不少研究团队已经将人工智能用于芯片的设计验证、架构探索和优化,并取得了不错的效果。

“如果把智能和自动化结合起来,将来做一个芯片,可以基于开源的知识产权核组合起来,用工具自动生成,可能一个芯片做出来只要三个月时间,而不是过去的两年。那传统的设计软件是完全做不到的,这里面就有机会。” 韩银和认为,开源芯片结合智能化会带来芯片设计流程的重构,必然带来工具的变革。在商业模式上,工业软件也将一改过去的授权,转为云端的服务,由卖改为租,这都为国产软件的崛起提供了机会。

不过,完全依靠市场,可能缺乏足够动力。“这就像波音、空客已经垄断了市场,即使是马云也不敢轻易投资造大飞机。” 任虎半开玩笑地说,要破局恐怕还得由政府出面加大投入,而且还要选准团队,投对人:“国家投资也是有担忧,到底会不会有效果,别像光伏一样出现骗钱的情况,也别像新能源汽车一样出现骗补,还是要认真看一下,谁是在真正做这个事。”

宋智广了解到,深耕一些细分的行业,如机器人,也有成功的可能。他还建议,即使是国家扶植也要以企业为主,作出的东西要有市场检验,不能像传统的项目制,验收通过就束之高阁。

在陈建利看来,大陆可以学习台湾半导体发展的经验。他希望:大陆也建立类似的集成电路设计联盟,在产业界和学术界之间搭一座桥梁,加强交流与合作;国家应该更加重视微电子学科建设,让学校可以教好课,留住人;也可以资助办一些集成电路方面的竞赛和暑期班,培养年轻人才。 

好在一些改变让人看到了希望。中国计算机学会CCF为了鼓励更多的年轻人从事集成电路方向的研究,从2018年开始,设立CCF集成电路Early Career Award,专门奖励从事集成电路方向研究、博士毕业6年以内的青年学者,陈建利是从一大堆国内名校和科研院所候选人脱颖而出的首届唯一获奖人。韩银和即是推动设立该奖的CCF容错计算专业委员会的秘书长。

十年苦研无人知。如果没有这次的中兴事件,恐怕少有人关注芯片背后的核心技术缺失,也不会关注像陈建利这样非著名高校的土博“青椒”,也不会知道他所在的芯片设计领域,长期处在市场萎缩、投入不足、人才流失、学科凋零的窘境。

有业内人士注意到,与Cadence并驾齐驱的Synopsys,2016年一年的研发投入为3.5亿美元,相当于中国政府三个五年计划在三维CAD/CAE研发投入总和的10倍。

今年,用陈建利的话来说,可能是“人品爆发”——芯片设计顶会ICCAD共接受了他的多篇论文,并有一篇论文获得最佳论文提名奖。不过眼下他正为招不到合适的学生发愁,同时,像许多中国年轻科研人一样,为微薄的工资和高昂的房价而一筹莫展。 

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