余志平| 东方的曙光 ——《熊猫集成电路计算机辅助设计系统》催生记

2021-03-18 14:08:01 29


【编者按】本文由余志平老师撰写,初稿于2020年12月发布于《肩负使命 再谱新章——清华大学微电子学研究所成立40周年纪念册》。本文对中国EDA发展史上具有重要影响力和地位的“熊猫系统”的研制过程进行了深情回顾,相关校友和同行给予了高度评价并补充了一些重要信息,据此对初稿进行了一些补充修订。修订后的文稿现由“清华大学微纳电子系”公众号刊出。                 


题记

这篇文章的写作有双重目的:1)纪念我们一起走过来的清华微电子学研究所(简称微所)建所40周年;2)回顾1986-1992年那段难忘的历史,中国首个完整的集成电路计算机辅助设计(ICCAD: Integrated Circuit Computer-Aided Design)系统从立项、启动到实施的全过程。


引文

2018年是集成电路发明60周年(1958年由美国TI的Jack Kilby所发明。他曾访问过清华微电子所,1999年我在斯坦福大学兼任研究员期间也与他在TI位于德克萨斯州达拉斯公司总部共进过午餐)。我曾在几个场合下,以《芯片撬动大时代》的题目作报告。我说的“大时代”自然指的是信息(IT)时代。具体就是指上世纪80年代的PC(IBM)、90年代的网络(Cisco,Netscape:世界上第一个互联网浏览器)、本世纪第一个十年的移动通信(Apple/iPhone,2007)及第二个十年的AI/DL(Deep Learning)及Tesla。这些都是信息时代的标志性应用(及龙头公司),而所有这些应用的实现都依赖于集成电路芯片。

那么芯片发展的支柱(pillar)又是什么呢?我的一贯看法是有两个支柱,分别是晶圆片代工厂(foundry,包含IDM - Integrated Device Manufacturer 的制造部分)及EDA(Electronic Design Automation,电子设计自动化)工具。而芯片设计则是一个上层建筑。这篇回忆文章就专门讨论EDA在中国,特别是在清华微所早期阶段的发展。

01

EDA发展早期简史

现在先回顾一下有关EDA(又常被称为ICCAD)的早期简史与它在中国落脚的那段历史。

谈到EDA早期简史与它在中国的落脚,不得不提到清华大学微电子所于1984年在美国波士顿接收一个名为Applicon的ICCAD设计系统。现在大家都知道世界上EDA工具供应厂家有三大巨头(以大小排序):Synopsys,Cadence,Mentor。但实际上,Synopsys于1986年才成立,Cadence是1988年挂牌的(尽管其两个原始成分公司创建于1983年)。而早期的EDA工具供应商是Calma(确立GDS-II数据格式的公司,1964年在硅谷创建,下面还会谈到这个数据格式)、Applicon与ComputerVision(以图形编辑软件著名,1969在美国麻省成立)三巨头和一个ECAD公司(是版图设计验证软件Dracula,包括DRC/ERC,即Design/Electrical Rule Check的发明者和供应商,是后来组成Cadence的两家公司之一)。这三家图形编辑软件公司都是在1980年前就成立了。

这个Applicon设计系统是由四位从MIT毕业的博士于1969年创办的Applicon Graphics System 公司(Applicon源自英文Application)生产的,专门用于计算机辅助绘图(如集成电路的版图、印刷电路版的布线)及编辑。软件系统可以在通用的小型计算机上运行,配有图形终端。Applicon系统还有大型的绘图仪,供版图的图形输出之用。1984年清华微电子所同时还购买了美国波士顿的DEC(数字设备公司)的小型计算机PDP-11,当时在国内算是十分先进的。这个DEC公司也是几个MIT(林肯实验室)的研究人员在1957创立的。DEC在1980年代中后期是除IBM外最有影响力的计算机公司之一。可见美国著名高校的存在对当地高科技产业兴起起到十分关键的作用(当时美国东海岸的计算机与其它高科技公司许多位于被称为“126公路走廊”的Boston西郊,这个走廊那时比加州硅谷名气还要大)。在1980年代初,美国的EDA公司运行模式是既提供设计软件,也提供软件运行的计算机平台(包括工作站)。

我在这里回顾一下EDA早期简史和在中国落脚的过程是想指出,时下经常听人说起中国半导体/集成电路的落后(与先进国家比)是因为起步晚,这其实是不准确的。本来各国的发展就有先后,在长达62年(如从1947年底晶体管发明算起就是73年)的时间跨度里,差几年可以被视为同期起步。

02

购买美国Applicon设计系统,奠定了微电子所CAD室的发展基础

清华微电子所的CAD学科就是以这个Applicon设计系统及PDP-11小型计算机正式起步的。这样一套当时十分先进的ICCAD设计系统要花费相当可观的外汇。杨之廉教授曾被当时的国家科委(高新技术局)从清华借调一年(1982年9月4日至1983年9月1日)。借调结束回校后,他就开始筹建微所CAD室。这项引进经费是得到国家科委高新技术局胡兆森局长的认可后报科委领导特批的。

1984年7月21日至9月7日,杨之廉教授率三位老师(王泽雨、张进与无线电系的汪蕙)到美国波士顿接收这套系统并接受相关的使用培训。因当时我正在斯坦福大学电机系攻读博士学位(1979年10月由教育部及清华联合派出),时间又正值学校暑期,我也从美国西部飞到波士顿,参与了一段时间的接收工作。该系统在微所得到了广泛使用,所内各项集成电路研发的版图设计与验证工作都在此系统上进行,经常都要预约排队才能上机。直到Daisy系统(另一家硅谷与 Mentor及Valid在1980年代齐名的ICCAD公司,合起来戏称DMV–美国车管局的缩写)的引进才结束了它的历史使命。众多研究生也在PDP-11上进行自己的研究项目。

1984年之前,清华微所的CAD研究已初具规模,如应用电路模拟程序SPICE对所内研发的存储器与微处理器等进行电路分析。1984年后的研究内容主要包括半导体器件模拟(我在斯坦福的研究课题就是这个方向),如开发了二维、三维器件模拟器,以及设计方法学的研究,如进行了标准单元法的布图布线研究。1990年成功开发出半导体器件模型参数提取程序MODPEX,后与美国硅谷Symmetry公司合作将此软件销往了国外。

03

我国1980年代初的ICCAD工具发展态势

中国ICCAD设计工具的自主开发,其实早就有所进行,只不过规模较小、布局零散,且主要集中在高校与研究单位。清华计算机系很早就开展了这方面的研究,在1970年代初成立了CAD研究室(洪先龙教授为负责人),从事CAD理论、算法及系统研究,并开发过一套版图编辑系统。北京市、上海市的其它高校,也有集成电路版图的研究。另外无锡华晶公司也开发有集成电路版图设计系统。这些都为之后国家重点项目熊猫设计系统的开展打下了基础。

再往前回溯,1978年秋在桂林阳朔召开的ICCAD会议可谓中国EDA研究的起点。之后国内陆续开发出了被称为集成电路CAD系统的一级(指具有由计算机控制的版图绘图仪与刻红膜仪)与二级系统(指具有版图图形编辑系统及DRC、ERC、SvL即Schematic vs. Layout工具和版图数据输出功能。该系统的开发由清华计算机系洪先龙教授负责,于1984年启动,后获国家科技进步二等奖)。但由于缺乏顶层设计和周密布局,各家所采用的数据库格式与国际标准也不能兼容,基本是一些点工具的松散组合,不能满足大规模集成电路的完整设计要求。在这个大背景下,电子工业部(当时称四机部)逐渐有了组织全国力量开发一套完整的ICCAD系统的想法。在前期阶段起主要推动作用的有北大的王阳元教授(后为中科院院士)、清华的杨之廉教授及大规模集成电路与计算机领导小组办公室(简称“大办”)集成电路组的吴征明。吴征明曾多次组织专家讨论如何发展我国的CAD技术。接着由电子工业部负责集成电路的郑敏政处长(郑从“大办”回电子部,他也是清华校友)作了很多前期的准备。

04

邮电疗养院的小会成了启动熊猫系统的契机

杨之廉教授在清华微电子所1980年建所以来一直就担任所里主管科研的副所长,辅佐李志坚院士的工作。在完成了 Applicon 系统的引进后,他提出了开发一个当时他称之为三级系统的 ICCAD 系统,以满足规模日渐增大的集成电路设计的需求。

我在美国斯坦福大学结束了博士后的研究工作,于1986年2月回清华大学报到成为正式教师(我1979年10月被派到斯坦福读博时是清华的研究生)。在1985年6月获斯坦福电机系博士学位后,我曾以斯坦福大学博士后的身份在意大利博洛尼亚大学(世界上最古老的大学,至今已有900多年的历史)及米兰的SGS公司(后与法国的Thomson公司合并成为现在的STMicroelectronics公司)从事了半年的半导体器件与电路模拟的研究工作。

我回清华任教后不久,杨之廉教授与北大王阳元教授联系,是否在小范围内先讨论一下,如何建议国家对集成电路CAD设立一个重点攻关项目的问题(当时正值七五计划的规划时间)。这样在1986年4月(具体日期已不记得)在清华西门外颐和园路南侧的邮电部疗养院(现称北京邮电会议中心)举行了一次由北大王阳元教授、吉利久教授、清华杨之廉教授与我组成的四人会议。会议进行了两天,尽管这个会议地点离北大与清华都很近,我们依然住在邮电部疗养院内,以便集中精力拿出第一稿方案来。在那个小会上,形成了向国家提议发展一个全新的集成电路CAD设计系统的建议。考虑到历史的延续性,我们将这个新的ICCAD系统命名为三级系统,以表示是在一/二级系统积累的基础上进行的。

05

三级系统的立项、启动与实施(1987-1992,共五年)

邮电疗养院小会之后,会议有关立项开发三级集成电路计算机辅助设计系统的意见被提交给四机部负责集成电路的郑敏政处长。在同一时期,四机部部长由李铁映担任,他提名北大的王阳元教授借调到四机部担任微电子局副局长。这样启动三级系统的立项动议就上了快车道。与此有关的一个发展是,同一年(1986年7月)四机部在北京酒仙桥(电子工业集聚区)设立了北京集成电路设计中心,更为三级系统的启动提供了物质基础。

三级系统于1986年11月正式立项(距离4月的邮电疗养院北大/清华四人讨论会刚过了半年,效率可谓相当高),随即于1986年12月3日成立了全国ICCAD专家委员会,由王阳元教授(他当时还是四机部微电子局的负责人)任主任委员,清华杨之廉教授与洪先龙教授都是专家委员会成员。三级系统于1987年初启动,依托于北京集成电路设计中心,由总体设计组负责实施。总体设计组组长是清华大学洪先龙教授(我也是总体设计组的成员)。随即组织国内专家讨论确定系统框架,调动国内开发队伍,进行技术培训。考虑到三级系统的高起点,及与国际接轨的自主完整集成电路CAD系统的目标,四机部决定从美国聘请连永君博士为总设计师(他当时在美国德克萨斯州Austin一家计算机公司任职,对EDA系统相当熟悉,是台湾大学本科毕业,在美国获博士学位)。连博士于1988年3月到任,随即成立新的总设计组,确定四位副总设计师,分别为王正华(北京设计中心)和清华的三位老师:计算机系的洪先龙与柳西玲,微电子所的余志平。

三级系统的攻关时间从1987年初至1992年中,历时5年。期间,由连永君博士提议,在1990年将三级系统改称熊猫系统。1993年国家科学技术委员会授予熊猫系统国家科技进步一等奖,在颁发的证书中,将该系统正式命名为“熊猫集成电路CAD系统”,这就是中国第一套完整、自主的集成电路计算机辅助设计系统形成的完整过程。为今后中国EDA行业乃至整个集成电路工业的发展奠定了坚实的基础,这篇文章的题目起名为“东方的曙光”,就是对中国集成电路事业的由衷寄托与期望。

下面再从技术层面,攻关队伍的构成,及组织架构上对三级/熊猫系统进行介绍。

06

数据格式EDIF,三级系统的坚实基础

三级系统之所以能有底气作为一个独立、完整的ICCAD系统是与当时出现不久的公用“设计数据交换格式”的国际标准EDIF(Electronic Design Interchange Format)分不开的。集成电路设计的电路层面(逻辑门级/电路的网表与原理图)都要有一个统一的、在不同公司开发的设计系统之间可以交换的数据格式来表示。EDIF是1983年提出来的设计数据标准,是在公共领域的,因此是免费的,是与个别厂家无关的中性数据格式。连博士抓住这个时机,提出将三级系统建立在这个数据格式上,以确保系统的完整与自主可控性。这个决定显然是十分正确的,为建立中国自己的ICCAD系统打下了很好的基础(由于技术上的原因,现在的熊猫系统不再采用EDIF格式,其中的过程在此不再展开)。

07

攻关队伍组成

三级系统的开发队伍主要由高校组成,依托在北京集成电路设计中心(他们也有自己的技术队伍)。据报道最多时有16个单位近120人参与,学校有10所:北大、清华(计算机系与微电子所)、北京工学院(现北京理工大学)、北京邮电学院(现北京邮电大学)、北京工业大学、复旦、上海交大、浙江大学、杭州电子工业学院(现杭州电子科技大学,简称杭电)及哈尔滨工业大学;科研单位有4个:机电部北京自动化所,中科院计算机所软件实验室、微电子中心(现中科院微电子所)与上海冶金所(现中科院上海微系统所);产业研究单位2所:中国华晶电子集团中央研究所及北京集成电路设计中心。

我们清华微电子所先后参加三级系统攻关的老师有申明、夏淳、王志华(当时还属于无线电系)及我。学生有何新平、赵维建与邵位之等人,其他的记不起具体的名字来了。清华计算机系则有吴启明与边计年等老师,及该系相当数量的博士生及硕士生。

三级系统的一大成就是培养了一大批EDA领域的优秀人才,至今仍在第一线起领头作用。如微所毕业的刘渝(以北京设计中心成员的身份参加三级系统攻关),他在美国硅谷参与创办的Apache Design Solutions公司(2011年为世界著名的EDA公司Ansys收购),开发的IC功耗分析软件在业界被公认是可以与Mentor的版图验证软件Calibre媲美的杀手锏ICCAD工具,享有极高的声誉。

08

项目分解的课题组

连博士在美国的大公司工作过,因而他的管理现代化水平很高。整个三级系统,据我们微所的同事回忆,共分解成下列课题组(不一定全),在此作一记录供有兴趣的人参考用:

  • DB(data base,数据库):清华计算机系柳西玲老师负责

  • LE(layout editor,版图编辑器):清华微所夏淳老师参加,这是一个主要的课题

  • SE(schematic editor,原理图编辑器)

  • SIM(simulation,电路模拟):微所余志平负责,清华无线电系王志华老师参加,学生有赵维健(清华微所)、郭妙泉(浙大)、史传进(复旦)及顾世华(杭电)等

  • UI(user interface):上海交大学生参加

  • Testing(测试):上海交大负责

  • GDS-II版图数据输出

  • Design Verification(设计验证,包括 DRC/ERC)

09

熊猫系统的后续发展动态与影响

三级系统的第一阶段历时5年多,以连永君博士于1992年离任为阶段终结的标志。他对中国EDA事业的贡献,我们都不能忘却,在此致以敬慕之意。

熊猫系统在1992年攻关结束后,就由北京集成电路设计公司接收,继续发展与推广应用。尽管期间的艰难历程与中国的集成电路工业的整体发展相似,但这些年来已以其骄人的业绩无可置疑成为国内EDA业界的中流砥柱,确立了领先地位。尤其可喜的是其SPICE电路模拟程序ALPS已在世界同类型的工具中居第一梯队,得到广泛的认可,包括华为的海思与美国的nVIDIA都大量使用该程序。这是国产的 EDA 工具摆脱国外限制的一个杰出范例。

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后记:三级系统的版图编辑软件在1990年代后期走入国际市场

作为本文的结尾,我举一个我曾参与过的将熊猫系统的软件引入美国市场的成功案例。熊猫系统中当时比较有竞争力的软件是版图编辑部分。1996年我在斯坦福大学任电机工程(EE)系研究员时,与硅谷的胡承敏博士及华大的总经理刘伟平(是复旦当年派来参加三级系统攻关的主力,后留在北京设计中心,全面掌管熊猫系统,现在是华大九天的董事长)一起创建了一家EDA公司,取名Stanza。清华微电子所由申明老师来美参与开发。这家公司以版图编辑工具为主,很快打开了服务于硅谷集成电路设计公司的市场,因为该产品有其特色,引起了Synopsys的注意,并于1999年被其收购。从目前的角度来看当然不乏遗憾的成分。但当时给了我们诸多的信心:中国的EDA工具一定可以走入世界的前列,现在我们已经看到旭日东升了。


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