【編者按】本文由余志平老師撰寫，初稿于2020年12月發(fā)布于《肩負(fù)使命 再譜新章——清華大學(xué)微電子學(xué)研究所成立40周年紀(jì)念冊》。本文對中國EDA發(fā)展史上具有重要影響力和地位的“熊貓系統(tǒng)”的研制過程進(jìn)行了深情回顧，相關(guān)校友和同行給予了高度評價并補(bǔ)充了一些重要信息，據(jù)此對初稿進(jìn)行了一些補(bǔ)充修訂。修訂后的文稿現(xiàn)由“清華大學(xué)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(jì)念我們一起走過來的清華微電子學(xué)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[敏感詞]完整的集成電路計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（ICCAD: Integrated Circuit Computer-Aided Design）系統(tǒng)從立項(xiàng)、啟動到實(shí)施的全過程。

引文

2018年是集成電路發(fā)明60周年（1958年由美國TI的Jack Kilby所發(fā)明。他曾訪問過清華微電子所，1999年我在斯坦福大學(xué)兼任研究員期間也與他在TI位于德克薩斯州達(dá)拉斯公司總部共進(jìn)過午餐）。我曾在幾個場合下，以《芯片撬動大時代》的題目作報(bào)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(jì)80年代的PC（IBM）、90年代的網(wǎng)絡(luò)（Cisco，Netscape：世界上[敏感詞]個互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器）、本世紀(jì)[敏感詞]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(biāo)志性應(yīng)用（及龍頭公司），而所有這些應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)都依賴于集成電路芯片。

那么芯片發(fā)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(shè)計(jì)自動化）工具。而芯片設(shè)計(jì)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(fā)展。

01

EDA發(fā)展早期簡史

現(xiàn)在先回顧一下有關(guān)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(xué)微電子所于1984年在美國波士頓接收一個名為Applicon的ICCAD設(shè)計(jì)系統(tǒng)。現(xiàn)在大家都知道世界上EDA工具供應(yīng)廠家有三大巨頭（以大小排序）：Synopsys，Cadence，Mentor。但實(shí)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(chuàng)建于1983年）。而早期的EDA工具供應(yīng)商是Calma（確立GDS-II數(shù)據(jù)格式的公司，1964年在硅谷創(chuàng)建，下面還會談到這個數(shù)據(jù)格式）、Applicon與ComputerVision（以圖形編輯軟件[敏感詞]，1969在美國麻省成立）三巨頭和一個ECAD公司（是版圖設(shè)計(jì)驗(yàn)證軟件Dracula，包括DRC/ERC，即Design/Electrical Rule Check的發(fā)明者和供應(yīng)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(shè)計(jì)系統(tǒng)是由四位從MIT畢業(yè)的博士于1969年創(chuàng)辦的Applicon Graphics System 公司（Applicon源自英文Application）生產(chǎn)的，專門用于計(jì)算機(jī)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(tǒng)可以在通用的小型計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，配有圖形終端。Applicon系統(tǒng)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(shù)字設(shè)備公司）的小型計(jì)算機(jī)PDP-11，當(dāng)時在國內(nèi)算是十分先進(jìn)的。這個DEC公司也是幾個MIT（林肯實(shí)驗(yàn)室）的研究人員在1957創(chuàng)立的。DEC在1980年代中后期是除IBM外最有影響力的計(jì)算機(jī)公司之一。可見美國[敏感詞]高校的存在對當(dāng)?shù)馗呖萍籍a(chǎn)業(yè)興起起到十分關(guān)鍵的作用（當(dāng)時美國東海岸的計(jì)算機(jī)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(yùn)行模式是既提供設(shè)計(jì)軟件，也提供軟件運(yùn)行的計(jì)算機(jī)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(jīng)常聽人說起中國半導(dǎo)體/集成電路的落后（與先進(jìn)國家比）是因?yàn)槠鸩酵?，這其實(shí)是不準(zhǔn)確的。本來各國的發(fā)展就有先后，在長達(dá)62年（如從1947年底晶體管發(fā)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。

02

購買美國Applicon設(shè)計(jì)系統(tǒng)，奠定了微電子所CAD室的發(fā)展基礎(chǔ)

清華微電子所的CAD學(xué)科就是以這個Applicon設(shè)計(jì)系統(tǒng)及PDP-11小型計(jì)算機(jī)正式起步的。這樣一套當(dāng)時十分先進(jìn)的ICCAD設(shè)計(jì)系統(tǒng)要花費(fèi)相當(dāng)可觀的外匯。楊之廉教授曾被當(dāng)時的國家科委（高新技術(shù)局）從清華借調(diào)一年（1982年9月4日至1983年9月1日）。借調(diào)結(jié)束回校后，他就開始籌建微所CAD室。這項(xiàng)引進(jìn)經(jīng)費(fèi)是得到國家科委高新技術(shù)局胡兆森局長的認(rèn)可后報(bào)科委領(lǐng)導(dǎo)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(jìn)與無線電系的汪蕙）到美國波士頓接收這套系統(tǒng)并接受相關(guān)的使用培訓(xùn)。因當(dāng)時我正在斯坦福大學(xué)電機(jī)系攻讀博士學(xué)位（1979年10月由教育部及清華聯(lián)合派出），時間又正值學(xué)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(tǒng)在微所得到了廣泛使用，所內(nèi)各項(xiàng)集成電路研發(fā)的版圖設(shè)計(jì)與驗(yàn)證工作都在此系統(tǒng)上進(jìn)行，經(jīng)常都要預(yù)約排隊(duì)才能上機(jī)。直到Daisy系統(tǒng)（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(jìn)才結(jié)束了它的歷史使命。眾多研究生也在PDP-11上進(jìn)行自己的研究項(xiàng)目。

1984年之前，清華微所的CAD研究已初具規(guī)模，如應(yīng)用電路模擬程序SPICE對所內(nèi)研發(fā)的存儲器與微處理器等進(jìn)行電路分析。1984年后的研究內(nèi)容主要包括半導(dǎo)體器件模擬（我在斯坦福的研究課題就是這個方向），如開發(fā)了二維、三維器件模擬器，以及設(shè)計(jì)方法學(xué)的研究，如進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)單元法的布圖布線研究。1990年成功開發(fā)出半導(dǎo)體器件模型參數(shù)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。

03

我國1980年代初的ICCAD工具發(fā)展態(tài)勢

中國ICCAD設(shè)計(jì)工具的自主開發(fā)，其實(shí)早就有所進(jìn)行，只不過規(guī)模較小、布局零散，且主要集中在高校與研究單位。清華計(jì)算機(jī)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(fù)責(zé)人），從事CAD理論、算法及系統(tǒng)研究，并開發(fā)過一套版圖編輯系統(tǒng)。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(fā)有集成電路版圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)。這些都為之后國家重點(diǎn)項(xiàng)目熊貓?jiān)O(shè)計(jì)系統(tǒng)的開展打下了基礎(chǔ)。

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(diǎn)。之后國內(nèi)陸續(xù)開發(fā)出了被稱為集成電路CAD系統(tǒng)的一級（指具有由計(jì)算機(jī)控制的版圖繪圖儀與刻紅膜儀）與二級系統(tǒng)（指具有版圖圖形編輯系統(tǒng)及DRC、ERC、SvL即Schematic vs. Layout工具和版圖數(shù)據(jù)輸出功能。該系統(tǒng)的開發(fā)由清華計(jì)算機(jī)系洪先龍教授負(fù)責(zé)，于1984年啟動，后獲國家科技進(jìn)步二等獎）。但由于缺乏頂層設(shè)計(jì)和周密布局，各家所采用的數(shù)據(jù)庫格式與國際標(biāo)準(zhǔn)也不能兼容，基本是一些點(diǎn)工具的松散組合，不能滿足大規(guī)模集成電路的完整設(shè)計(jì)要求。在這個大背景下，電子工業(yè)部（當(dāng)時稱四機(jī)部）逐漸有了組織全國力量開發(fā)一套完整的ICCAD系統(tǒng)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(guī)模集成電路與計(jì)算機(jī)領(lǐng)導(dǎo)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(fā)展我國的CAD技術(shù)。接著由電子工業(yè)部負(fù)責(zé)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(zhǔn)備。

04

郵電療養(yǎng)院的小會成了啟動熊貓系統(tǒng)的契機(jī)

楊之廉教授在清華微電子所1980年建所以來一直就擔(dān)任所里主管科研的副所長，輔佐李志堅(jiān)院士的工作。在完成了 Applicon 系統(tǒng)的引進(jìn)后，他提出了開發(fā)一個當(dāng)時他稱之為三級系統(tǒng)的 ICCAD 系統(tǒng)，以滿足規(guī)模日漸增大的集成電路設(shè)計(jì)的需求。

我在美國斯坦福大學(xué)結(jié)束了博士后的研究工作，于1986年2月回清華大學(xué)報(bào)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(jī)系博士學(xué)位后，我曾以斯坦福大學(xué)博士后的身份在意大利博洛尼亞大學(xué)（世界上最古老的大學(xué)，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(xiàn)在的STMicroelectronics公司）從事了半年的半導(dǎo)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(lián)系，是否在小范圍內(nèi)先討論一下，如何建議國家對集成電路CAD設(shè)立一個重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目的問題（當(dāng)時正值七五計(jì)劃的規(guī)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(cè)的郵電部療養(yǎng)院（現(xiàn)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(jìn)行了兩天，盡管這個會議地點(diǎn)離北大與清華都很近，我們依然住在郵電部療養(yǎng)院內(nèi)，以便集中精力拿出[敏感詞]稿方案來。在那個小會上，形成了向國家提議發(fā)展一個全新的集成電路CAD設(shè)計(jì)系統(tǒng)的建議。考慮到歷史的延續(xù)性，我們將這個新的ICCAD系統(tǒng)命名為三級系統(tǒng)，以表示是在一/二級系統(tǒng)積累的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。

05

三級系統(tǒng)的立項(xiàng)、啟動與實(shí)施（1987-1992，共五年）

郵電療養(yǎng)院小會之后，會議有關(guān)立項(xiàng)開發(fā)三級集成電路計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的意見被提交給四機(jī)部負(fù)責(zé)集成電路的鄭敏政處長。在同一時期，四機(jī)部部長由李鐵映擔(dān)任，他提名北大的王陽元教授借調(diào)到四機(jī)部擔(dān)任微電子局副局長。這樣啟動三級系統(tǒng)的立項(xiàng)動議就上了快車道。與此有關(guān)的一個發(fā)展是，同一年（1986年7月）四機(jī)部在北京酒仙橋（電子工業(yè)集聚區(qū)）設(shè)立了北京集成電路設(shè)計(jì)中心，更為三級系統(tǒng)的啟動提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

三級系統(tǒng)于1986年11月正式立項(xiàng)（距離4月的郵電療養(yǎng)院北大/清華四人討論會剛過了半年，效率可謂相當(dāng)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(dāng)時還是四機(jī)部微電子局的負(fù)責(zé)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(tǒng)于1987年初啟動，依托于北京集成電路設(shè)計(jì)中心，由總體設(shè)計(jì)組負(fù)責(zé)實(shí)施。總體設(shè)計(jì)組組長是清華大學(xué)洪先龍教授（我也是總體設(shè)計(jì)組的成員）。隨即組織國內(nèi)專家討論確定系統(tǒng)框架，調(diào)動國內(nèi)開發(fā)隊(duì)伍，進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)?？紤]到三級系統(tǒng)的高起點(diǎn)，及與國際接軌的自主完整集成電路CAD系統(tǒng)的目標(biāo)，四機(jī)部決定從美國聘請連永君博士為總設(shè)計(jì)師（他當(dāng)時在美國德克薩斯州Austin一家計(jì)算機(jī)公司任職，對EDA系統(tǒng)相當(dāng)熟悉，是臺灣大學(xué)本科畢業(yè)，在美國獲博士學(xué)位）。連博士于1988年3月到任，隨即成立新的總設(shè)計(jì)組，確定四位副總設(shè)計(jì)師，分別為王正華（北京設(shè)計(jì)中心）和清華的三位老師：計(jì)算機(jī)系的洪先龍與柳西玲，微電子所的余志平。

三級系統(tǒng)的攻關(guān)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(tǒng)改稱熊貓系統(tǒng)。1993年國家科學(xué)技術(shù)委員會授予熊貓系統(tǒng)國家科技進(jìn)步一等獎，在頒發(fā)的證書中，將該系統(tǒng)正式命名為“熊貓集成電路CAD系統(tǒng)”，這就是中國[敏感詞]套完整、自主的集成電路計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)形成的完整過程。為今后中國EDA行業(yè)乃至整個集成電路工業(yè)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，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(yè)的由衷寄托與期望。

下面再從技術(shù)層面，攻關(guān)隊(duì)伍的構(gòu)成，及組織架構(gòu)上對三級/熊貓系統(tǒng)進(jìn)行介紹。

06

數(shù)據(jù)格式EDIF，三級系統(tǒng)的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)

三級系統(tǒng)之所以能有底氣作為一個獨(dú)立、完整的ICCAD系統(tǒng)是與當(dāng)時出現(xiàn)不久的公用“設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)交換格式”的國際標(biāo)準(zhǔn)EDIF（Electronic Design Interchange Format）分不開的。集成電路設(shè)計(jì)的電路層面（邏輯門級/電路的網(wǎng)表與原理圖）都要有一個統(tǒng)一的、在不同公司開發(fā)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)之間可以交換的數(shù)據(jù)格式來表示。EDIF是1983年提出來的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，是在公共領(lǐng)域的，因此是免費(fèi)的，是與個別廠家無關(guān)的中性數(shù)據(jù)格式。連博士抓住這個時機(jī)，提出將三級系統(tǒng)建立在這個數(shù)據(jù)格式上，以確保系統(tǒng)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(tǒng)打下了很好的基礎(chǔ)（由于技術(shù)上的原因，現(xiàn)在的熊貓系統(tǒng)不再采用EDIF格式，其中的過程在此不再展開）。

07

攻關(guān)隊(duì)伍組成

三級系統(tǒng)的開發(fā)隊(duì)伍主要由高校組成，依托在北京集成電路設(shè)計(jì)中心（他們也有自己的技術(shù)隊(duì)伍）。據(jù)報(bào)道最多時有16個單位近120人參與，學(xué)校有10所：北大、清華（計(jì)算機(jī)系與微電子所）、北京工學(xué)院（現(xiàn)北京理工大學(xué)）、北京郵電學(xué)院（現(xiàn)北京郵電大學(xué)）、北京工業(yè)大學(xué)、復(fù)旦、上海交大、浙江大學(xué)、杭州電子工業(yè)學(xué)院（現(xiàn)杭州電子科技大學(xué)，簡稱杭電）及哈爾濱工業(yè)大學(xué)；科研單位有4個：機(jī)電部北京自動化所，中科院計(jì)算機(jī)所軟件實(shí)驗(yàn)室、微電子中心（現(xiàn)中科院微電子所）與上海冶金所（現(xiàn)中科院上海微系統(tǒng)所）；產(chǎn)業(yè)研究單位2所：中國華晶電子集團(tuán)中央研究所及北京集成電路設(shè)計(jì)中心。

我們清華微電子所先后參加三級系統(tǒng)攻關(guān)的老師有申明、夏淳、王志華（當(dāng)時還屬于無線電系）及我。學(xué)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(jì)算機(jī)系則有吳啟明與邊計(jì)年等老師，及該系相當(dāng)數(shù)量的博士生及碩士生。

三級系統(tǒng)的一大成就是培養(yǎng)了一大批EDA領(lǐng)域的優(yōu)秀人才，至今仍在[敏感詞]線起領(lǐng)頭作用。如微所畢業(yè)的劉渝（以北京設(shè)計(jì)中心成員的身份參加三級系統(tǒng)攻關(guān)），他在美國硅谷參與創(chuàng)辦的Apache Design Solutions公司（2011年為世界[敏感詞]的EDA公司Ansys收購），開發(fā)的IC功耗分析軟件在業(yè)界被公認(rèn)是可以與Mentor的版圖驗(yàn)證軟件Calibre媲美的殺手锏ICCAD工具，享有極高的聲譽(yù)。

08

項(xiàng)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(xiàn)代化水平很高。整個三級系統(tǒng)，據(jù)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(shù)據(jù)庫）：清華計(jì)算機(jī)系柳西玲老師負(fù)責(zé)

• 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(fù)責(zé)，清華無線電系王志華老師參加，學(xué)生有趙維健（清華微所）、郭妙泉（浙大）、史傳進(jìn)（復(fù)旦）及顧世華（杭電）等

• UI（user interface）：上海交大學(xué)生參加

• Testing（測試）：上海交大負(fù)責(zé)

• GDS-II版圖數(shù)據(jù)輸出

• Design Verification（設(shè)計(jì)驗(yàn)證，包括 DRC/ERC）

09

熊貓系統(tǒng)的后續(xù)發(fā)展動態(tài)與影響

三級系統(tǒng)的[敏感詞]階段歷時5年多，以連永君博士于1992年離任為階段終結(jié)的標(biāo)志。他對中國EDA事業(yè)的貢獻(xiàn)，我們都不能忘卻，在此致以敬慕之意。

熊貓系統(tǒng)在1992年攻關(guān)結(jié)束后，就由北京集成電路設(shè)計(jì)公司接收，繼續(xù)發(fā)展與推廣應(yīng)用。盡管期間的艱難歷程與中國的集成電路工業(yè)的整體發(fā)展相似，但這些年來已以其驕人的業(yè)績無可置疑成為國內(nèi)EDA業(yè)界的中流砥柱，確立了領(lǐng)先地位。尤其可喜的是其SPICE電路模擬程序ALPS已在世界同類型的工具中居[敏感詞]梯隊(duì)，得到廣泛的認(rèn)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(chǎn)的 EDA 工具擺脫國外限制的一個杰出范例。

后記：三級系統(tǒng)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(jié)尾，我舉一個我曾參與過的將熊貓系統(tǒng)的軟件引入美國市場的成功案例。熊貓系統(tǒng)中當(dāng)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(xué)任電機(jī)工程（EE）系研究員時，與硅谷的胡承敏博士及華大的總經(jīng)理劉偉平（是復(fù)旦當(dāng)年派來參加三級系統(tǒng)攻關(guān)的主力，后留在北京設(shè)計(jì)中心，全面掌管熊貓系統(tǒng)，現(xiàn)在是華大九天的董事長）一起創(chuàng)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(fā)。這家公司以版圖編輯工具為主，很快打開了服務(wù)于硅谷集成電路設(shè)計(jì)公司的市場，因?yàn)樵摦a(chǎn)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(dāng)然不乏遺憾的成分。但當(dāng)時給了我們諸多的信心：中國的EDA工具一定可以走入世界的前列，現(xiàn)在我們已經(jīng)看到旭日東升了。

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