余志平| 東方的曙光 ——《熊貓集成電路計算機輔助設計系統》催生記

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2022-03-09 03:03:48 13

【編者按】本文由余志平老師撰寫，初稿于2020年12月發布于《肩負使命再譜新章——清華大學微電子學研究所成立40周年紀念冊》。本文對中國EDA發展史上具有重要影響力和地位的“熊貓系統”的研制過程進行了深情回顧，相關校友和同行給予了高度評價并補充了一些重要信息，據此對初稿進行了一些補充修訂。修訂后的文稿現由“清華大學微納電子系”公眾號刊出。

題記

這篇文章的寫作有雙重目的：1）紀念我們一起走過來的清華微電子學研究所（簡稱微所）建所40周年；2）回顧1986-1992年那段難忘的歷史，中國*完整的集成電路計算機輔助設計（ICCAD: Integrated Circuit Computer-Aided Design）系統從立項、啟動到實施的全過程。

引文

2018年是集成電路發明60周年（1958年由美國TI的Jack Kilby所發明。他曾訪問過清華微電子所，1999年我在斯坦福大學兼任研究員期間也與他在TI位于德克薩斯州達拉斯公司總部共進過午餐）。我曾在幾個場合下，以《芯片撬動大時代》的題目作報告。我說的“大時代”自然指的是信息（IT）時代。具體就是指上世紀80年代的PC（IBM）、90年代的網絡（Cisco，Netscape：*上*個互聯網瀏覽器）、本世紀*個十年的移動通信（Apple/iPhone，2007）及第二個十年的AI/DL（Deep Learning）及Tesla。這些都是信息時代的標志性應用（及龍頭公司），而所有這些應用的實現都依賴于集成電路芯片。

那么芯片發展的支柱（pillar）又是什么呢？我的一貫看法是有兩個支柱，分別是晶圓片代工廠（foundry，包含IDM - Integrated Device Manufacturer 的制造部分）及EDA（Electronic Design Automation，電子設計自動化）工具。而芯片設計則是一個上層建筑。這篇回憶文章就專門討論EDA在中國，特別是在清華微所早期階段的發展。

EDA發展早期簡史

現在先回顧一下有關EDA（又常被稱為ICCAD）的早期簡史與它在中國落腳的那段歷史。

談到EDA早期簡史與它在中國的落腳，不得不提到清華大學微電子所于1984年在美國波士頓接收一個名為Applicon的ICCAD設計系統。現在大家都知道*上EDA工具供應廠家有三大巨頭（以大小排序）：Synopsys，Cadence，Mentor。但實際上，Synopsys于1986年才成立，Cadence是1988年掛牌的（盡管其兩個原始成分公司創建于1983年）。而早期的EDA工具供應商是Calma（確立GDS-II數據格式的公司，1964年在硅谷創建，下面還會談到這個數據格式）、Applicon與ComputerVision（以圖形編輯軟件*，1969在美國麻省成立）三巨頭和一個ECAD公司（是版圖設計驗證軟件Dracula，包括DRC/ERC，即Design/Electrical Rule Check的發明者和供應商，是后來組成Cadence的兩家公司之一）。這三家圖形編輯軟件公司都是在1980年前就成立了。

這個Applicon設計系統是由四位從MIT畢業的博士于1969年創辦的Applicon Graphics System 公司（Applicon源自英文Application）生產的，專門用于計算機輔助繪圖（如集成電路的版圖、印刷電路版的布線）及編輯。軟件系統可以在通用的小型計算機上運行，配有圖形終端。Applicon系統還有大型的繪圖儀，供版圖的圖形輸出之用。1984年清華微電子所同時還購買了美國波士頓的DEC（數字設備公司）的小型計算機PDP-11，當時在國內算是十分先進的。這個DEC公司也是幾個MIT（林肯實驗室）的研究人員在1957創立的。DEC在1980年代中后期是除IBM外最有影響力的計算機公司之一。可見美國*高校的存在對當地高科技產業興起起到十分關鍵的作用（當時美國東海岸的計算機與其它高科技公司許多位于被稱為“126公路走廊”的Boston西郊，這個走廊那時比加州硅谷名氣還要大）。在1980年代初，美國的EDA公司運行模式是既提供設計軟件，也提供軟件運行的計算機平臺（包括工作站）。

我在這里回顧一下EDA早期簡史和在中國落腳的過程是想指出，時下經常聽人說起中國半導體/集成電路的落后（與先進*比）是因為起步晚，這其實是不準確的。本來各國的發展就有先后，在長達62年（如從1947年底晶體管發明算起就是73年）的時間跨度里，差幾年可以被視為同期起步。

購買美國Applicon設計系統，奠定了微電子所CAD室的發展基礎

清華微電子所的CAD學科就是以這個Applicon設計系統及PDP-11小型計算機正式起步的。這樣一套當時十分先進的ICCAD設計系統要花費相當可觀的外匯。楊之廉教授曾被當時的*科委（高新技術局）從清華借調一年（1982年9月4日至1983年9月1日）。借調結束回校后，他就開始籌建微所CAD室。這項引進經費是得到*科委高新技術局胡兆森局長的認可后報科委領導特批的。

1984年7月21日至9月7日，楊之廉教授率三位老師（王澤雨、張進與無線電系的汪蕙）到美國波士頓接收這套系統并接受相關的使用培訓。因當時我正在斯坦福大學電機系攻讀博士學位（1979年10月由教育部及清華聯合派出），時間又正值學校暑期，我也從美國西部飛到波士頓，參與了一段時間的接收工作。該系統在微所得到了廣泛使用，所內各項集成電路研發的版圖設計與驗證工作都在此系統上進行，經常都要預約排隊才能上機。直到Daisy系統（另一家硅谷與 Mentor及Valid在1980年代齊名的ICCAD公司，合起來戲稱DMV–美國車管局的縮寫）的引進才結束了它的歷史使命。眾多研究生也在PDP-11上進行自己的研究項目。

1984年之前，清華微所的CAD研究已初具規模，如應用電路模擬程序SPICE對所內研發的存儲器與微處理器等進行電路分析。1984年后的研究內容主要包括半導體器件模擬（我在斯坦福的研究課題就是這個方向），如開發了二維、三維器件模擬器，以及設計方法學的研究，如進行了標準單元法的布圖布線研究。1990年成功開發出半導體器件模型參數提取程序MODPEX，后與美國硅谷Symmetry公司合作將此軟件銷往了國外。

我國1980年代初的ICCAD工具發展態勢

中國ICCAD設計工具的自主開發，其實早就有所進行，只不過規模較小、布局零散，且主要集中在高校與研究單位。清華計算機系很早就開展了這方面的研究，在1970年代初成立了CAD研究室（洪先龍教授為負責人），從事CAD理論、算法及系統研究，并開發過一套版圖編輯系統。北京市、上海市的其它高校，也有集成電路版圖的研究。另外無錫華晶公司也開發有集成電路版圖設計系統。這些都為之后*重點項目熊貓設計系統的開展打下了基礎。

再往前回溯，1978年秋在桂林陽朔召開的ICCAD會議可謂中國EDA研究的起點。之后國內陸續開發出了被稱為集成電路CAD系統的一級（指具有由計算機控制的版圖繪圖儀與刻紅膜儀）與二級系統（指具有版圖圖形編輯系統及DRC、ERC、SvL即Schematic vs. Layout工具和版圖數據輸出功能。該系統的開發由清華計算機系洪先龍教授負責，于1984年啟動，后獲*科技進步二等獎）。但由于缺乏頂層設計和周密布局，各家所采用的數據庫格式與國際標準也不能兼容，基本是一些點工具的松散組合，不能滿足大規模集成電路的完整設計要求。在這個大背景下，電子工業部（當時稱四機部）逐漸有了組織全國力量開發一套完整的ICCAD系統的想法。在前期階段起主要推動作用的有北大的王陽元教授（后為中科院院士）、清華的楊之廉教授及大規模集成電路與計算機領導小組辦公室（簡稱“大辦”）集成電路組的吳征明。吳征明曾多次組織專家討論如何發展我國的CAD技術。接著由電子工業部負責集成電路的鄭敏政處長（鄭從“大辦”回電子部，他也是清華校友）作了很多前期的準備。

郵電療養院的小會成了啟動熊貓系統的契機

楊之廉教授在清華微電子所1980年建所以來一直就擔任所里主管科研的副所長，輔佐李志堅院士的工作。在完成了 Applicon 系統的引進后，他提出了開發一個當時他稱之為三級系統的 ICCAD 系統，以滿足規模日漸增大的集成電路設計的需求。

我在美國斯坦福大學結束了博士后的研究工作，于1986年2月回清華大學報到成為正式教師（我1979年10月被派到斯坦福讀博時是清華的研究生）。在1985年6月獲斯坦福電機系博士學位后，我曾以斯坦福大學博士后的身份在意大利博洛尼亞大學（*上最古老的大學，至今已有900多年的歷史）及米蘭的SGS公司（后與法國的Thomson公司合并成為現在的STMicroelectronics公司）從事了半年的半導體器件與電路模擬的研究工作。

我回清華任教后不久，楊之廉教授與北大王陽元教授聯系，是否在小范圍內先討論一下，如何建議*對集成電路CAD設立一個重點攻關項目的問題（當時正值七五計劃的規劃時間）。這樣在1986年4月（具體日期已不記得）在清華西門外頤和園路南側的郵電部療養院（現稱北京郵電會議中心）舉行了一次由北大王陽元教授、吉利久教授、清華楊之廉教授與我組成的四人會議。會議進行了兩天，盡管這個會議地點離北大與清華都很近，我們依然住在郵電部療養院內，以便集中精力拿出*稿方案來。在那個小會上，形成了向*提議發展一個全新的集成電路CAD設計系統的建議。考慮到歷史的延續性，我們將這個新的ICCAD系統命名為三級系統，以表示是在一/二級系統積累的基礎上進行的。

三級系統的立項、啟動與實施（1987-1992，共五年）

郵電療養院小會之后，會議有關立項開發三級集成電路計算機輔助設計系統的意見被提交給四機部負責集成電路的鄭敏政處長。在同一時期，四機部部長由李鐵映擔任，他提名北大的王陽元教授借調到四機部擔任微電子局副局長。這樣啟動三級系統的立項動議就上了快車道。與此有關的一個發展是，同一年（1986年7月）四機部在北京酒仙橋（電子工業集聚區）設立了北京集成電路設計中心，更為三級系統的啟動提供了物質基礎。

三級系統于1986年11月正式立項（距離4月的郵電療養院北大/清華四人討論會剛過了半年，效率可謂相當高），隨即于1986年12月3日成立了全國ICCAD專家委員會，由王陽元教授（他當時還是四機部微電子局的負責人）任主任委員，清華楊之廉教授與洪先龍教授都是專家委員會成員。三級系統于1987年初啟動，依托于北京集成電路設計中心，由總體設計組負責實施?？傮w設計組組長是清華大學洪先龍教授（我也是總體設計組的成員）。隨即組織國內專家討論確定系統框架，調動國內開發隊伍，進行技術培訓?？紤]到三級系統的高起點，及與國際接軌的自主完整集成電路CAD系統的目標，四機部決定從美國聘請連永君博士為總設計師（他當時在美國德克薩斯州Austin一家計算機公司任職，對EDA系統相當熟悉，是臺灣大學本科畢業，在美國獲博士學位）。連博士于1988年3月到任，隨即成立新的總設計組，確定四位副總設計師，分別為王正華（北京設計中心）和清華的三位老師：計算機系的洪先龍與柳西玲，微電子所的余志平。

三級系統的攻關時間從1987年初至1992年中，歷時5年。期間，由連永君博士提議，在1990年將三級系統改稱熊貓系統。1993年*科學技術委員會授予熊貓系統*科技進步一等獎，在頒發的證書中，將該系統正式命名為“熊貓集成電路CAD系統”，這就是中國*套完整、自主的集成電路計算機輔助設計系統形成的完整過程。為今后中國EDA行業乃至整個集成電路工業的發展奠定了堅實的基礎，這篇文章的題目起名為“東方的曙光”，就是對中國集成電路事業的由衷寄托與期望。

下面再從技術層面，攻關隊伍的構成，及組織架構上對三級/熊貓系統進行介紹。

數據格式EDIF，三級系統的堅實基礎

三級系統之所以能有底氣作為一個獨立、完整的ICCAD系統是與當時出現不久的公用“設計數據交換格式”的國際標準EDIF（Electronic Design Interchange Format）分不開的。集成電路設計的電路層面（邏輯門級/電路的網表與原理圖）都要有一個統一的、在不同公司開發的設計系統之間可以交換的數據格式來表示。EDIF是1983年提出來的設計數據標準，是在公共領域的，因此是免費的，是與個別廠家無關的中性數據格式。連博士抓住這個時機，提出將三級系統建立在這個數據格式上，以確保系統的完整與自主可控性。這個決定顯然是十分正確的，為建立中國自己的ICCAD系統打下了很好的基礎（由于技術上的原因，現在的熊貓系統不再采用EDIF格式，其中的過程在此不再展開）。

攻關隊伍組成

三級系統的開發隊伍主要由高校組成，依托在北京集成電路設計中心（他們也有自己的技術隊伍）。據報道最多時有16個單位近120人參與，學校有10所：北大、清華（計算機系與微電子所）、北京工學院（現北京理工大學）、北京郵電學院（現北京郵電大學）、北京工業大學、復旦、上海交大、浙江大學、杭州電子工業學院（現杭州電子科技大學，簡稱杭電）及哈爾濱工業大學；科研單位有4個：機電部北京自動化所，中科院計算機所軟件實驗室、微電子中心（現中科院微電子所）與上海冶金所（現中科院上海微系統所）；產業研究單位2所：中國華晶電子集團中央研究所及北京集成電路設計中心。

我們清華微電子所先后參加三級系統攻關的老師有申明、夏淳、王志華（當時還屬于無線電系）及我。學生有何新平、趙維建與邵位之等人，其他的記不起具體的名字來了。清華計算機系則有吳啟明與邊計年等老師，及該系相當數量的博士生及碩士生。

三級系統的一大成就是培養了一大批EDA領域的優秀人才，至今仍在*線起領頭作用。如微所畢業的劉渝（以北京設計中心成員的身份參加三級系統攻關），他在美國硅谷參與創辦的Apache Design Solutions公司（2011年為**的EDA公司Ansys收購），開發的IC功耗分析軟件在業界被公認是可以與Mentor的版圖驗證軟件Calibre媲美的殺手锏ICCAD工具，享有極高的聲譽。

項目分解的課題組

連博士在美國的大公司工作過，因而他的管理現代化水平很高。整個三級系統，據我們微所的同事回憶，共分解成下列課題組（不一定全），在此作一記錄供有興趣的人參考用：

DB（data base，數據庫）：清華計算機系柳西玲老師負責
LE（layout editor，版圖編輯器）：清華微所夏淳老師參加，這是一個主要的課題
SE（schematic editor，原理圖編輯器）
SIM（simulation，電路模擬）：微所余志平負責，清華無線電系王志華老師參加，學生有趙維?。ㄇ迦A微所）、郭妙泉（浙大）、史傳進（復旦）及顧世華（杭電）等
UI（user interface）：上海交大學生參加
Testing（測試）：上海交大負責
GDS-II版圖數據輸出
Design Verification（設計驗證，包括 DRC/ERC）

熊貓系統的后續發展動態與影響

三級系統的*階段歷時5年多，以連永君博士于1992年離任為階段終結的標志。他對中國EDA事業的貢獻，我們都不能忘卻，在此致以敬慕之意。

熊貓系統在1992年攻關結束后，就由北京集成電路設計公司接收，繼續發展與推廣應用。盡管期間的艱難歷程與中國的集成電路工業的整體發展相似，但這些年來已以其驕人的業績無可置疑成為國內EDA業界的中流砥柱，確立了*地位。尤其可喜的是其SPICE電路模擬程序ALPS已在*同類型的工具中居*梯隊，得到廣泛的認可，包括華為的海思與美國的nVIDIA都大量使用該程序。這是國產的 EDA 工具擺脫國外限制的一個杰出范例。

后記：三級系統的版圖編輯軟件在1990年代后期走入國際市場

作為本文的結尾，我舉一個我曾參與過的將熊貓系統的軟件引入美國市場的成功案例。熊貓系統中當時比較有競爭力的軟件是版圖編輯部分。1996年我在斯坦福大學任電機工程（EE）系研究員時，與硅谷的胡承敏博士及華大的總經理劉偉平（是復旦當年派來參加三級系統攻關的主力，后留在北京設計中心，*掌管熊貓系統，現在是華大九天的董事長）一起創建了一家EDA公司，取名Stanza。清華微電子所由申明老師來美參與開發。這家公司以版圖編輯工具為主，很快打開了服務于硅谷集成電路設計公司的市場，因為該產品有其特色，引起了Synopsys的注意，并于1999年被其收購。從目前的角度來看當然不乏遺憾的成分。但當時給了我們諸多的信心：中國的EDA工具一定可以走入*的前列，現在我們已經看到旭日東升了。

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