Tất tật về phần mềm thiết kế chip EDA, mặt trận mới trong cuộc đối đầu công nghệ Mỹ-Trung

Không được tiếp cận các phần mềm thiết kế chip EDA tiên tiến, ngành sản xuất chip Trung Quốc gần như không thể bắt kịp các đối thủ trên thế giới.

Thời các con chip máy tính được thiết kế bằng tay đã qua lâu rồi. Đó là lúc mỗi con chip chỉ chứa vài nghìn bóng bán dẫn trong những năm 70 của thế kỷ trước, giờ đây chúng có thể chứa đến hàng trăm tỷ bóng bán dẫn, khiến việc thiết kế chip bằng tay trở nên bất khả thi. Đó là lý do cần đến những phần mềm tự động hóa thiết kế điện tử (Electronic Design Automation hay EDA software).

Không chỉ là một phần mềm đơn thuần, nó là một tập hợp các công cụ giúp các kỹ sư thiết kế và phát triển các con chip ngày càng phức tạp hơn.

Giờ đây bộ phần mềm này đang trở thành mặt trận mới nhất trong cuộc chạy đua công nghệ giữa Trung Quốc và Mỹ. Ngày 12 tháng 8 vừa qua, Bộ Thương mại Mỹ công bố lệnh kiểm soát xuất khẩu đa phương đối với các công cụ phần mềm EDA, nhằm ngăn Trung Quốc và hơn 150 quốc gia khác được tiếp cận chúng mà không có các giấy phép đặc biệt.

Vào những năm 70, khi mỗi con chip chỉ chứa vài nghìn bóng bán dẫn, các kỹ sư vẫn có thể thiết kế chip bằng tay và phân tích nó trên các tấm phim chụp này. (Ảnh chụp năm 1979)

Chỉ chiếm một phần nhỏ trong chuỗi cung ứng, nhưng phần mềm EDA lại không thể thiếu để tạo nên các con chip ngày nay. Và hầu hết thị trường này được kiểm soát bởi 3 công ty Phương Tây. Điều đó mang lại cho Mỹ một lợi thế mạnh mẽ – tương tự như việc hạn chế tiếp cận đối với các máy quang khắc trong sản xuất chip.

Tại sao phần mềm EDA này lại quan trọng đến thế và liệu Trung Quốc có thể phát triển một giải pháp thay thế hay không?

Phần mềm EDA là gì?

Phần mềm tự động hóa thiết kế điện tử là một phần mềm chuyên dụng trong sản xuất chip. Nó giống như phần mềm CAD mà các nhà kiến trúc thường sử dụng – ngoại trừ việc nó phức tạp hơn, khi nó phải xử lý hàng tỷ bóng bán dẫn cực nhỏ trên một mạch tích hợp.

Không có một phần mềm đơn lẻ nào được xem như kẻ thống trị tốt nhất trên thị trường. Thay vào đó, một loạt các module phần mềm thường được sử dụng trong toàn bộ quy trình thiết kế: thiết kế logic, sửa lỗi, sắp xếp các thành phần, đi dây, tối ưu thời gian và tiêu thụ năng lượng, xác minh bản quyền và nhiều điều khác nữa. Vì các con chip ngày nay đã trở nên quá phức tạp, mỗi bước lại cần một công cụ phần mềm khác nhau.

Phần mềm EDA quan trọng như thế nào đối với việc sản xuất chip?

Cho dù thị trường phần mềm EDA toàn cầu chỉ có giá trị khoảng 10 tỷ USD trong năm 2021 – chiếm một phần rất nhỏ trong toàn bộ thị trường bán dẫn toàn cầu trị giá 595 tỷ USD hiện nay – nó lại đặc biệt quan trọng đối với toàn bộ chuỗi cung ứng.

Ảnh chụp màn hình phần mềm EDA MAX_3D dành cho thiết kế chip

Theo Mike Demler, người có hơn 40 năm làm việc trong lĩnh vực thiết kế chip và EDA cho biết, có thể xem toàn bộ hệ sinh thái ngành bán dẫn như tam giác khổng lồ. Một góc là các hãng đúc chip, những công ty như TSMC, một góc khác là các công ty sở hữu các bản quyền trí tuệ như ARM, làm ra và bán các thiết kế chip có thể tái sử dụng và góc cuối cùng là các công cụ EDA. Cả ba cùng nhau đảm bảo chuỗi cung ứng được vận hành trơn tru cho toàn ngành bán dẫn.

Tưởng chừng các phần mềm EDA chỉ quan trọng đối với những hãng thiết kế chip, nhưng ngay cả các nhà sản xuất chip cũng cần đến chúng để xác minh xem một thiết kế có thể sản xuất được hay không. Các hãng đúc chip không có cách nào chỉ sản xuất thử một hai con chip đơn lẻ làm mẫu được – họ phải đầu tư nhiều tháng cho việc sản xuất thử và mỗi lần hàng trăm con chip sẽ được chế tạo. Đó sẽ là một sự lãng phí khủng khiếp nếu trong thiết kế có lỗi nào đó. Vì vậy, các nhà sản xuất chip cũng cần một loại phần mềm EDA đặc biệt để xác thực các thiết kế này.

Sự thống trị của người Mỹ đối với phần mềm EDA

Hiện tại chỉ có một vài công ty bán phần mềm cho từng bước của quy trình sản xuất chip và họ đã thống trị thị trường này từ nhiều thập kỷ nay. Ba công ty hàng đầu trong lĩnh vực này – bao gồm Cadence (Mỹ), Synopsys (Mỹ) và Mentor Graphics (của Mỹ những đã được hãng Siemens của Đức mua lại năm 2017) – kiểm soát đến 70% thị trường EDA toàn cầu.

Sự thống trị của họ lớn đến mức các startup về EDA khi nổi lên nhắm vào một thị trường ngách nào đó sẽ thường bán mình cho một trong ba công ty lớn này, củng cố hơn nữa vị thế độc quyền của họ.

Sự thống trị của các công ty Mỹ khiến chính phủ Mỹ dễ dàng siết chặt quyền tiếp cận của các công ty Trung Quốc. Những phần mềm bị hạn chế là các công cụ được sử dụng cho thiết kế chip kiến trúc GAAFET (gate-all-around field-effect transistor: bóng bán dẫn với cực cổng bao quanh). Đây được xem là kiến trúc mạch tiên tiến nhất hiện nay, đặc biệt quan trọng đối với việc tạo ra các chip mới nhất hiện nay cũng như trong tương lai.

Mới đây nhất, chính phủ Anh cũng vừa chặn một thương vụ thâu tóm hãng cung cấp phần mềm EDA của Anh có tên Pulsic, khi phát hiện ra người mua là công ty phần mềm thiết kế bán dẫn Super Orange HK Holding hóa ra lại có quan hệ với quỹ Phát triển Công nghệ Bán dẫn của Trung Quốc.

Trung Quốc sẽ bị ảnh hưởng như thế nào?

Trong ngắn hạn, Trung Quốc sẽ không bị tác động nặng nề bởi lệnh cấm này bởi vì các hãng đúc chip Trung Quốc cũng không đủ tiên tiến để tạo ra các con chip hiện đại dùng cấu trúc GAAFET. Nhưng trong dài hạn, điều này cũng có nghĩa các công ty thiết kế chip Trung Quốc không thể tiếp cận được các công cụ tiên tiến nhất và theo thời gian, rất có thể họ sẽ bị tụt lại phía sau.

Ngoài ra không giống như đối với lệnh cấm xuất khẩu máy quang khắc, việc chặn xuất khẩu phần mềm khó khăn hơn nhiều khi chúng được phân phối trực tuyến và có thể bị vi phạm bản quyền. Ngoài ra các công ty Trung Quốc cũng có thể tiếp tục sử dụng phần mềm EDA mà họ đã mua hoặc mua lại chúng thông qua các tổ chức trung gian. Điều đó khiến khó dự đoán mức độ hiệu quả của lệnh cấm vận này.

Hình ảnh kiết xuất 3D của một cell tiêu chuẩn trong con chip với 3 lớp kim loại được kết nối với nhau.

Trung Quốc có đang phát triển công cụ EDA?

Trung Quốc cũng đã nhận ra sự cần thiết phải phát triển giải pháp thay thế. Trong kế hoạch 5 năm lần thứ nhất gần đây. EDA được xem như công nghệ tiên tiến hàng đầu trong lĩnh vực bán dẫn mà Trung Quốc phải tạo đột phá. Điều này có nghĩa những công ty phát triển EDA của Trung Quốc như Huada Empyrean sẽ nhận được nhiều vốn đầu tư hơn từ chính phủ.

Bắt đầu nghiên cứu về EDA từ những năm 1980, Huada Empyrean là công ty hàng đầu Trung Quốc về phần mềm EDA, nhưng hiện họ chỉ chiếm khoảng 6% thị phần nội địa. Công ty cũng chưa thể phát triển toàn bộ quy trình thiết kế, nghĩa là sản phẩm của họ chỉ có thể thay thế một phần nhỏ trong số các công cụ của công ty Mỹ.

Nhiều startup khác của Trung Quốc cũng đang cố gắng lấp đầy khoảng trống này, hầu hết là do các cựu nhân viên người Trung Quốc của Candence hoặc Synopsys lãnh đạo – ví dụ như X-Epic và Hẹian Industrial Software. Theo giáo sư Douglas Fuller của Trường Kinh doanh Copenhagen, các startup này, với nhiều kinh nghiệm quốc tế hơn có thể trở thành sự thay thế tốt hơn cho Huada Empyrean.

Khi kiến trúc GAAFET được áp dụng cho các chip từ 3nm trở xuống, các phần mềm EDA là thành phần không thể thiếu để thiết kế nên các con chip này.

Trung Quốc có gặp khó khăn khi muốn thay thế phần mềm EDA?

Trung Quốc có một ngành công nghiệp phần mềm sôi động, nơi sản sinh ra các ứng dụng internet nổi tiếng thé giới như WeChat của Tencent và Alipay của Alibaba. Nhưng theo Xiaomeng Lu, nhà phân tích của hãng Eurasia Group: ” Nhưng đối với phần mềm dành cho doanh nghiệp, sử dụng trong công nghiệp ư? Đây là nhược điểm của Trung Quốc. Trong một thời gian dài, các nhà hoạch định chính sách công nghiệp của Trung Quốc không nhận ra rằng (phần mềm EDA) chính là nút thắt thực sự.”

Đó là lĩnh vực cần hàng chục năm phát triển và hàng tỷ USD đầu tư để đạt được các tiến bộ đáng kể. Vì vậy ngay cả khi các công ty Trung Quốc muốn bắt kịp đối thủ Mỹ, sẽ mất một thời gian dài trước khi họ đạt được tiến bộ nào.

Một vấn đề quan trọng là các tài năng. Phát triển công cụ phần mềm EDA là một lĩnh vực rất hẹp và các công ty Trung Quốc thường phải vật lộn trong việc thu hút các kỹ sư được đào tạo về EDA, thường chỉ chiếm một số lượng rất nhỏ