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    沒有這些EDA軟件,我們中國傳感器企業恐怕連一顆MEMS傳感器也不能設計

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    沒有這些EDA軟件,我們中國傳感器企業恐怕連一顆MEMS傳感器也不能設計

    8月15日開始,美國商務部工業安全局BIS最新禁令生效,正式對中國EDA軟件斷供!

     

    與此同時提到的技術有兩種超寬禁帶半導體材料——金剛石和氧化鎵,還有一種燃氣輪機的壓力增強燃燒技術——壓力增益燃燒(PGC)技術。

     

    半導體和發動機,是美國看守最嚴的兩項技術!受此禁令影響,80%以上國產企業使用的MEMS EDA軟件的母公司已向中國禁售半導體制造設備!

     

    我國芯片、傳感器等半導體產業長期以來極度依賴美國企業的EDA設計軟件,傳感器EDA設計軟件市場幾乎100%無國產!一旦禁用,中國傳感器企業還能設計出傳感器嗎?我們有替代的國產MEMS CAD軟件嗎?

     

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    已經生效!禁用這個EDA軟件模塊!美國誓要斬斷中國先進芯片之路!

     

    美國的EDA電子設計自動化軟件對中國企業的斷供,已經是第三次了。

     

    第一次是2018年對付中興;第二次是2019年斷供華為;而這一次,干脆是對中國整個芯片企業。

     

    而這次斷供的,并不是全部EDA軟件,而是一個EDA軟件模塊——該模塊用于設計GaaFET結構芯片所必須。

     

    這就像“打蛇打七寸”般致命的中國半導體產業的關鍵點,將影響半導體未來10年的格局,甚至可能斬斷中國先進芯片制造升級之路!

     

    ▲先進芯片制造工藝發展歷程:PlanarFET、FinFET、GAAFET

     

    為什么美國一定要禁用GAAFET結構芯片所必須的EDA軟件模塊?

     

    因為半導體制程已經進入3納米后工藝,摩爾定律面臨著失效的局面,而半導體界正在采用一種全新的全柵場效應晶體管GaaFET來應對更先進的制程,以替代之前一直使用的鰭式場效應晶體管FinFET。

     

    目前,全球3大主流先進芯片制造商,三星已經在其3nm工藝里使用GAA晶體管,而臺積電和英特爾則計劃在2024年將GAA技術用于其2nm工藝。

     

    因此,GAAFET工藝是進入2納米制程之后的主流工藝架構。在摩爾定律下,集成電路上可容納的晶體管數量大約每18個月就會增加一倍,針對不同制程階段,有不同的主流工藝架構,也就有不同的EDA工具。

    在此之前,主流的工藝架構一直是FinFET,即鰭式場效應晶體管,FinFET工藝在22納米制程之后成為半導體的主流工藝架構,一直延續到5納米制程。包括中芯國際目前14nm晶圓使用的,也都是FinFET工藝。

     

    如果中芯國際等中國廠商想向更高制程的芯片進發,那么就繞不開GAAFET工藝。

     

    美國不僅要我們造不了芯片——不讓買最先進的EUV光刻機,更要我們不能設計最先進的芯片——禁用設計GAAFET的EDA模塊。

     

    這四項技術的禁用,早在2021年11月,以美國為主導的42國參與的《瓦森納協定》的修訂中,已經寫入。美國的出口管制涵蓋了比國際協議更廣泛的技術,包括用于生產半導體的額外設備、軟件和技術。相關情況可參看《40頁141次!這42個國家對中國封鎖最嚴重的高科技竟是傳感器!》內容。

     

    ▲2021年11月修訂《瓦森納協定》新增對GAAFET的表述。

     

    短期內,這項禁令對中國半導體產業的影響不大,因為中國公司還在突破5nm和7nm制程中。但是未來10年,中國向2nm、3nm制程進發,中國需要用到先進制程芯片的公司,如AI芯片公司、挖礦芯片公司等,都將受到極大影響。

     

    因為這意味著,中國所有半導體公司都不能用2nm、3nm等更高制程工藝設計最先進的芯片!那么到時,中國的一堆Fabless公司還有什么競爭力?

     

    狠嗎?狠!許多半導體行業專家都認為,這一規則對中國芯片設計公司來說影響最大,美國想斬斷中國所有半導體產業的未來!

     

    中國MEMS產業在鐮刀的邊緣:80%以上國產企業使用的MEMS EDA軟件母公司已禁售設備!

     

    這次禁令帶來最直接影響,就是美國最大的幾家半導體設備制造商,如泛林LAM和科磊KLA,已經在這兩天相繼宣布不再向中國出售14納米制造的設備。

     

    其中,對中國傳感器產業來說,更值得關注的是泛林LAM。2017年,泛林LAM收購了MEMS傳感器EDA設計軟件公司Conventor,這是一個全球傳感器產業無人不知的軟件。

     

    Conventor在我國傳感器行業內有多普遍?小編舉兩個具體的例子。

     

    ConventorWare作為全球市場占有率最高的傳感器設計軟件,我國80%以上的企業都在用它。

     

    在2016年結束的“國家高技術研究發展計劃”(863計劃)里,承擔MEMS傳感器研究項目的30個研究小組,100%全部使用Conventor。

     

    除了Conventor外,IntelliSuite、ANSYS等傳感器EDA軟件,這些軟件幾乎都是美國公司的產品。

    目前我國在中高端傳感器芯片上的進口率大約在80%左右,而傳感器設計軟件則幾乎100%使用國外,尤其是美國的產品。

     

    更可怕的是,目前還沒有什么國產軟件能夠代替這些傳感器設計軟件的使用。

     

    現在,Conventor母公司泛林LAM已受令禁止向中國出售半導體制造設備。所以你猜,隨著沖突日益加劇,美國會不會一筆直接禁止Conventorware、IntelliSuite等軟件授權中國企業使用?

     

    沒有這些EDA軟件,我們中國傳感器企業恐怕連一顆MEMS傳感器也不能設計!

     

    傳感器EDA設計軟件影響重大

     

    正如我們所知:MEMS技術是傳感器的重要發展技術,目前已經占據1/3左右的傳感器市場,隨著集成化、智能化、低功耗等趨勢愈發明顯,MEMS技術也將越來越重要。

     

    這些年傳感器在手機、汽車、自動化等應用越來越多,MEMS技術功不可沒??梢哉f,沒有MEMS技術的傳感器未來,將黯然失色。

     

    傳感器設計軟件主要是指以MEMS CAD(計算機輔助設計軟件)為首的工業軟件,是MEMS傳感器設計實現電子設計自動化(EDA)的關鍵。

     

    MEMS技術已經被國家列為“十四五規劃”和2035年遠景目標綱要的科技前沿領域攻關技術之一!

     

    MEMS器件為什么一定要用到CAD設計軟件?

     

    一個原因是MEMS器件小,MEMS技術基于微納加工技術,器件尺寸非常小,一般從1毫米到1微米不等,未來納米級NEMS技術也將逐漸發力。人工設計及許多傳統設計方式在如此小的器件上著力,很不現實。

     

    同時,MEMS技術是涉及力學、電學、電磁學、流體力學等多學科交叉的新興技術,對MEMS器件的設計上包含了許多新工作原理和器件結構的研究、開發,需要結合多學科理論進行分析,這樣就大大增加了設計參數的選擇難度,以過往常規分析計算方法已經遠無法滿足設計需求。

     

    2D和3D計算機繪圖技術的發展使我們能夠對復雜的MEMS結構及版圖進行計算機設計。有限元技術的應用使得人們可以用精確的計算機數值求解方法來分析和預測器件的性能,對器件工作的靜態、準靜態和動態模擬成為可能,從而能夠對MEMS器件結構和工藝進行計算機模擬和設計優化。

     

    因此傳感器CAD設計軟件對現代傳感器,尤其是MEMS傳感器的設計、研發,有著非常重要的地位。

     

    國外傳感器EDA設計軟件發展現狀與主要軟件對比

     

    與國內長期只注重對傳感器技術的開發,而忽視相關CAD系統研究不同。國外在開始MEMS研究早期,就已經開始著手CAD軟件的設計,到了上世紀1980年代,已經有一些比較完整的CAD系統面世。

     

    同時,這些CAD軟件對MEMS的研究有著巨大的促進作用,加快了MEMS器件的設計和仿真,讓MEMS從實驗室走向工業量產起了不可替代的作用。

     

    在1990年代初,美國就研究出了用在硅壓力傳感器設計的MEMS CAD軟件(CAE MEMS)。到了中期,以Coventor、IntelliSense 、Microcosm等公司為代表,基于MEMS的工藝模擬、器件建模、分析模擬以及設計優化等方面,提供較為成熟的專業商業設計軟件IntelliSense、MEMCAD、Coventor等,對3D MEMS的工藝和器件模擬及設計優化有很大幫助。

     

    目前,主流MEMS設計仿真軟件主要有Coventorware、IntelliSuite、COMSOL、ANSYS等,

    其中Coventor成立于1996年,總部位于美國北卡羅來納州。COVENTOR提供的主要產品是SEMulator3D和CoventorMP。SEMulator3D提供虛擬制造環境,而CoventorMP包括Coventorware和MEMS+。Coventorware是MEMS設計和器件級仿真中最廣泛使用的軟件。

     

    Teledyne DALSA、X-FAB等MEMS制造廠使用SEMulator3D進行工藝開發、物理設計驗證、客戶支持和故障分析。Conventor被研究人員和工業界廣泛使用,主要客戶有德州儀器、IBM、索尼、飛兆半導體、豐田、現代、霍尼韋爾等。

     

    IntelliSense成立于1991年,總部位于波士頓。Intellisuite的第一個版本于1995年發布。它為MEMS工藝模擬應用和耦合場有限元分析提供了端到端工具。一些使用該軟件的公司有日立、尼康、斯坦福大學、杜克大學、蘋果、本田、濱松等。

     

     

    ▲COMSOL、ANSYS、Coventorware、IntelliSuite等四款主要MEMS仿真軟件的對比

     

    可以看到,國外相關企業對MEMS CAD設計軟件的重視程度高、起步早,目前已經遠遠拋離了我國。

     

    到今天,我國從事MEMS設計軟件研發的機構依然很少,主要以大學等科研院所為主,而民營企業還沒有公司去涉足。

     

    除了傳感器設計軟件,國內其他工業產業設計軟件怎樣?

     

    從細分領域來說,傳感器設計軟件是最慘的——連一個可替代的國產MEMS CAD設計軟件都沒有。

     

    而其他工業設計軟件則好一點,但也好的有限,以EDA軟件為例:

     

    在中國市場,國產EDA軟件所占份額大概在10%左右,剩下的90%全部都被美國的Synopsys、Cadence和Mentor Graphics三巨頭所壟斷。而目前國產EDA軟件市場份額最大的是華大九天,擠進了TOP4。華大九天在10%的國產軟件份額中占了一般有多,可以說是國產EDA軟件的絕對龍頭了。

     

    在工業CAD領域,全球工業CAD設計軟四大巨頭分別是法國的達索系統、德國的西門子軟件、美國的PTC還有美國的歐特克,根據IDC在2016年公布的數據,這四家公司占據了全球CAD市場的72%的份額,傳統CAD巨頭在全球領域擁有絕對的話語權。

     

    而在中國市場上,這四家企業更是占到了超過90%的份額,國內的中望軟件、數碼大方等公司只占據了不到10%的市場。

     

    綜合來看,在整個中國工業設計軟件領域,90%以上都被國外軟件——尤其是美國公司所壟斷。

     

    但相對而言,傳感器領域是最慘的,一家能上市場的MEMS設計公司都沒有。至少,在EDA、CAD工業軟件領域,我們還有華大九天、廣州中望等公司的工業設計軟件產品可以用。

     

    結語

     

    技術制裁,是美國等發達國家的常用伎倆,簡單粗暴卻很實用。當他們處于技術高地,就會用各種理由抽掉身后的梯子,斬斷中國等后發追趕國家的技術追趕之路。

     

    芯片、傳感器等現代制造對EDA軟件的需求,體現在方方面面。

     

    以MEMS/NEMS技術為代表的現代傳感器,設計復雜,生產難度高,設計、研究人員希望能夠在計算機上首先進行虛擬樣機的結構設計,可以對MEMS的各種參數進行優化,在設計階段就能夠對設計方案進行分析、比較和驗證。

     

    這樣,能夠大幅提高設計效率,提升設計質量,降低量產成本,縮短研發周期,CAD等工業設計軟件,是MEMS傳感器等現代先進制造必不可少的手段。

     

    期待早日擁有屬于我們自己的傳感器設計軟件!

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