當地時間上周五，美國商務部工業(yè)與安全局（BIS）在聯邦公報上披露了一項出口限制加碼的臨時最終決定，將4項“新興和基礎技術”加入出口管制清單，包括寬禁帶半導體相關材料氧化鎵 (Ga2O3) 和金剛石；特別針對GAAFET晶體管結構的ECAD (Electronic Computer-Aided Design) 軟件；燃氣渦輪發(fā)動機使用的增壓燃燒 (Pressure Gain Combustion) 技術，其中三項涉及半導體。

規(guī)定生效時間為8月15日。這項出口限制規(guī)定并未特別指明針對中國，不過很顯然對美國競爭對手之外的國家和地區(qū)半導體技術發(fā)展起到了持續(xù)的抑制作用，是此前出口限制規(guī)定的進一步擴展。

美國商務部主管工業(yè)與安全的副部長Alan Estevez介紹稱，使半導體和發(fā)動機等技術能夠更快、更高效、更長時間，以及在更惡劣條件下運行的科技進步，可能會在商業(yè)和軍事環(huán)境中“改變游戲規(guī)則”。

GAAFET代表了半導體的未來

4項技術中比較惹人注目的是其中“特別針對GAAFET晶體管結構的ECAD軟件”。BIS發(fā)布新聞稿中明確提到，ECAD是用于設計、分析、優(yōu)化和驗證集成電路或印刷電路板性能的軟件工具；而GAAFET技術則是未來半導體尖端制造工藝向3nm及更先進節(jié)點邁進的基礎。

預計明年就會大規(guī)模上市的3nm工藝——其中三星（Samsung Foundry）將在3nm這代工藝節(jié)點上采用GAAFET結構的晶體管。

晶體管結構隨著半導體制造工藝的進步，也經過了多次迭代。20nm工藝以前，平面結構的Planar FET晶體管占據半導體制造技術的主流。但節(jié)點發(fā)展到20nm工藝之際，因為晶體管越來越小，短溝道效應開始凸顯，也就無法進行有效的靜電控制。

所以FinFET結構晶體管出現了，“Fin”（鰭）伸了出來，這種結構有效增大了溝道接觸面積。只要把Fin做得更高，就能達成更寬的有效寬度來提升輸出電流。

但在時代進入到3nm節(jié)點前后，FinFET結構也開始暴露出問題。首先是隨著gate length的進一步變短，FinFET結構也很難再提供有效的靜電控制。與此同時，要把單元（cell）結構進一步縮小，Fin的數量也要減，問題就變得更大了。

說到底都是在晶體管持續(xù)變小的過程里，性能越來越難以保證。于是GAAFET結構出現：相當于把原來FinFET的Fin水平橫置出來，以前叫做Fin，掉個方向就叫nanosheet（所以GAAFET也叫nanosheet FET）。由于nanosheet被gate（柵極）四面環(huán)抱，所以就叫gate-all-around FET（GAAFET），接觸面積自然也就更大了。

三星準備在很快要大規(guī)模量產的3nm工藝上采用GAAFET結構晶體管；而臺積電和Intel對于這種結構的采用會推遲到2nm——這兩家都認為FinFET在3nm節(jié)點上仍有性能挖掘的潛力。從臺積電的計劃表來看，2nm GAAFET晶體管的大規(guī)模量產大約是在2025年末。所以GAAFET可說是尖端制造工藝的未來。

對中國和更多國家地區(qū)會有哪些影響?

對于芯片設計企業(yè)而言，如果要用上GAAFET晶體管，自然也就需要對應的EDA工具來協助芯片設計。

一位從事CPU設計的工程師表示，“在沒有EDA工具之前，搞電路要靠人手工，對于大規(guī)模集成電路有上億晶體管的設計用手工簡直是不可為的......可以說有了EDA工具，才有了超大規(guī)模集成電路設計的可能”。

而EDA技術的核心暫時掌握在美國的幾個主要企業(yè)里：楷登電子（Cadence）、新思科技（Synopsys）和西門子旗下的明導國際（Mentor），做為開發(fā)芯片的重要設計工具，EDA能幫助工程師在設計成成品芯片之前確保沒有問題。

美國商務部BIS宣布對這一類EDA工具做出口限制，自然對于其他國家需要用到GAAFET晶體管來實施芯片方案的芯片設計企業(yè)，造成了很大的影響。那么近未來究竟哪些芯片會率先應用GAAFET結構的晶體管呢？

通常尖端制造工藝的成本非常高，所以需要巨大的量來攤薄制造和設計成本。像臺積電這樣的企業(yè)，2022年的CapEx成本投入預計就要達到440億美元——而且其2nm GAAFET工藝在這其中暫時還只占到很小一部分，未來幾年GAAFET晶體管制造技術的持續(xù)投入只會讓這個數字更夸張。

所以短期內用得起GAAFET晶體管的只會是那些量非常大的芯片，比如說PC與手機的CPU、數據中心的GPU和AI芯片、還有受眾與應用范圍很廣的FPGA大芯片。實際上，我們認為先期GAAFET剛剛大規(guī)模量產之際，汽車大芯片都暫時不大可能應用這種先進的晶體管，而至少需要等成本的下降。

現階段有能力造GAAFET晶體管的foundry廠暫時就只有三星、臺積電和英特爾。有關三星3nm GAAFET工藝技術，我們此前做過多次分析。預計三星的這一代工藝在性能表現上不會比臺積電3nm FinFET工藝強。

那么實則就短期來看（或者至少2026年以前），美國商務部BIS的這項暫行規(guī)定暫時不會表現出多大的威力。但基于芯片設計12-18個月的周期，未來1-2年內該出口限制規(guī)定就會事實上造成持續(xù)的影響。

在國際局勢和大環(huán)境如此多變的現實世界里，這項新規(guī)至少造成了行業(yè)更大的不確定性。

中國是Cadence、Synopsys等芯片設計軟件公司的重要客戶。

根據最近提交給美國證券交易委員會的文件顯示，Cadence第二財季有13%的收入來自中國。據Synopsys披露，公司第二財季17%的收入來自中國。

作為全球最大的電子元件產銷市場，EDA三巨頭的產品在國內占了近90%的市場份額，國產EDA軟件產銷占比僅不足10%。

數據顯示，國內市場份額僅次于「三巨頭」之后的「老四」 ，僅有6%的市場份額，而且在去年6月的IPO招股書中，該公司也坦言，公司既有模擬電路設計及驗證工具「尚不支持16nm及以下先進工藝設計」。

而據業(yè)內人士預計，未來十年內，三巨頭的EDA工具依然將占據市場主流，國內EDA在技術能跟上并實現「替代」的機會不大。

美國商務部的一位官員表示：“目前美國的目的是限制中國制造先進半導體的努力，以應對美國的重大國家安全風險?！?/p>

簡單來說，中國對美國EDA企業(yè)的嚴重依賴，讓這些禁令和措施有了實施的意義。

另外，向中國提供芯片制造設備的美國公司也可能受到影響，包括KLA公司和上文提到的Lam Research。不過，KLA首席執(zhí)行官Rick Wallace表示，預計新的措施不會對公司產生任何重大影響。

美國商務部工業(yè)和安全局（BIS）此前表示，目前正在更新限制中國的措施，尋求“最大限度地提高出口控制的有效性”。

其中包括收緊與中國生產先進半導體有關的現有政策，并利用BIS工具箱中的各種法律、監(jiān)管措施和執(zhí)法工具，發(fā)展和加強與盟友和伙伴的合作。

我國自研EDA軟件的進展如何了？

其實，早在上世紀80年代，由于巴統協議的禁令限制，中國無法買到芯片設計所需的最新EDA軟件，國家就動員了全國17個單位，200多名專家聚集北京集成電路設計中心開發(fā)自己的工具。

終于在1993年，我國第一款具有自主知識產權的EDA工具問世。它的名字叫“熊貓”，寓意著EDA的珍貴且稀有。

“熊貓”獲得了國家科學技術進步一等獎，并在20家設計公司和研究機構得到應用，由于價格僅為同類產品的1/10，美國芯片廠商也一度選擇過“熊貓”，在市場中反響很不錯。

有觀點稱，“熊貓”的出現讓當時我國EDA產業(yè)與國際的差距只有五年。

不過，隨著1994年“巴統”禁令取消，美國EDA三巨頭大舉進入中國市場，憑借著技術成熟、價格便宜、免費贈送、多方合作等優(yōu)勢和策略，快速收割國內市場份額。

再加上中國彼此也在推廣全球化，國內EDA產業(yè)由此漸漸失去市場和政策上的雙重支持，進入停滯狀態(tài)。

沒想到這一停，就是約十五年之久。

直到2008年，國家開始實施的“核高基”（核心電子器件、高端通用芯片及基礎軟件產品）重大科技專項才再次開始扶植國產EDA的發(fā)展，一批國產EDA公司從此時才開始紛紛冒頭。

目前，國內大約有50+EDA企業(yè)，包括華大九天、國微集團、芯愿景、芯華章、廣立微、概倫電子、思爾芯、芯和半導等等，近幾年已將EDA的市場份額從6%提升至11%。

其中規(guī)模最大的是華大九天，其董事長劉偉平正好就參與過“熊貓”的開發(fā)。

上個月，華大九天在創(chuàng)業(yè)板上市，發(fā)行市值約177億元（估值處于較高水平），并成為繼概倫電子之后，A股又一支EDA股。

除了華大九天和概倫電子，國微思爾芯（科創(chuàng)板）、廣立微（創(chuàng)業(yè)板）也在申請上市的路上。

不過，眼看國內EDA產業(yè)正在慢慢復蘇，但由于起步時間較晚，國產EDA還有很長一段路要走。

就拿EDA工具鏈來說，三巨頭已實現了40個細分領域的全產業(yè)鏈覆蓋；國產最大的華大九天目前只覆蓋了40%，其他國產廠商的產品則多為點工具，特定領域的全流程產品都還無法提供。

再看先進工藝，國內廠商中，華大九天是唯一能夠提供模擬電路設計全流程EDA工具系統的本土企業(yè)。

其電路仿真工具支持5nm量產工藝制程，其他模擬電路設計EDA工具支持28nm制程。

思爾芯主要聚焦數字芯片的前端驗證，其相關EDA產品能做到支持10nm。

相較之下，國外三巨頭已經達到2nm。

由此種種，這幾年，國家對EDA的重視只增無減，就比如在十四五規(guī)劃和2035年遠景目標綱要中，對EDA的攻關就被列為了集成電路技術之首。

由于本次管制僅對3nm以下的芯片設計有影響，國內大多數廠商還停留在20nm制程左右，很多網友都表示短期內問題不大，反而會進一步鞭策國產EDA軟件的發(fā)展。

倒是有觀點犀利地指出，美國這個操作是為了賺錢和制裁兩不誤。

此外，也有觀點表示擔憂，此次斷供若未能對中國半導體形成實質上的打擊，不排除美國繼續(xù)加碼的可能。

雖然如大部分人所說“EDA比光刻機有希望多了”，但中國芯片行業(yè)，仍然任重道遠。

而對于現階段國產EDA產業(yè)來說，有人指出，我們目前面臨的最大困難其實是缺乏市場需求的引導。

因為工業(yè)設計軟件是和市場需求緊密相連的，只有設計需求增多帶來更多的工程反饋，EDA的發(fā)展才能提起速度來。