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《全球水电开发现状及未来发展》

  • 来源专题：可再生能源
  • 发布时间：2020-07-09

  • 作为一种资源使用率并不高的可再生能源,在今后相当长的一段时间内,水力资源仍将是我国乃至全球能源开发的重点领域。在中国电力建设集团(股份)有限公司总工程师周建平看来,今后全球水电发展不仅需要增强认知、获得更广泛的共识和政策支持,还要遵循"新发展理念",促进综合开发、利益分享。

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    《EDA产业现状及我国发展对策研究》
    • 来源专题：集成电路
    • 发布时间：2020-08-12
    • 集成电路(芯片)产业是信息技术产业的核心，是支撑经济社会发展和保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业。EDA软件是芯片设计的必备工具，因而是芯片产业的重要基石之一。虽然从商业角度看，EDA软件是研发难度大、要持续不断更新和投入、净利润率也不高的“苦逼”行业，但从重要性角度看，EDA软件作为IC设计和电路板设计最上游、最高端的产业，在行业内被称为“电子工业之母”，是一个“极其重要”的行业，需要政府高度重视、科学规划和大力支持，加快国产EDA软件行业发展。 一、EDA软件的技术内涵 EDA 软件 就是电子设计自动化(Electronics Design Automation)软件。它是设计集成电路(芯片)的必备工具，因此也叫 EDA工具。 设计人员在工作站上使用EDA软件，要把数十亿(甚至上百亿)个晶体管、存储单元、电阻、电容等安排在1cm²不到的硅片面积上，并连接成极其复杂的电路，例如CPU、SOC、Flash芯片等，而且要保证设计万无一失后，才能送到制造厂去加工。 EDA软件的任务流程一般包括： 1. 硬件描述语言(HDL)输入； 2. 逻辑编译、简化和分割； 3. 电路综合、优化、布局和布线； 4. 电路仿真模拟； 5. 生成制造数据。如果说设计芯片很难，那么设计EDA软件就更难。 可以说，没有EDA软件就没有各种复杂芯片，就没有各式各样的智能设备，因而就没有了我们今天的工业信息化、通信便利化、生活智能化的社会。 EDA软件是从上世纪70年代开始，逐步从计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助测试(CAT)和计算机辅助工程(CAE)等技术演变而来，已有50多年的发展史。它大致经历了三个发展阶段。 第一阶段 是CAD时代(二十世纪七十到八十年代)。这个时期的CAD主要功能是交互图形编辑，晶体管级布图设计、布局布线、设计规则检查，门级电路模拟和验证等。 第二阶段 是EDA软件走向商业化(九十年代)。这一阶段，硬件描述语言VHDL和Verilog产生了，这为EDA软件的商业化打下良好的基础。随着硬件描述语言的标准化和芯片设计方法的不断发展，推动了EDA软件的普及和发展。这个时期EDA软件的特征是高级语言描述、系统级仿真和综合技术、以及正向（Top Down）设计方法成为主流。 第三阶段 是EDA软件进入系统级设计阶段(本世纪开始)。这一时期在仿真验证和设计两个层面，支持标准硬件描述语言的EDA软件的功能更加强大，更大规模的可编程逻辑器件不断推出，系统级、行为级硬件描述语言趋于更加高效和简单，使更大规模的系统级芯片(SoC)设计成为可能。 经过最近三十年的市场博弈，不断兼并，强者恒强。全球EDA市场仍然由Synopsys、Cadence和Mentor三家EDA厂商所垄断，大的格局并没有变化。 图1.全球最大的三家EDA软件供应商 2018年可以看作人工智能(AI)的元年，国际著名EDA厂商已经开始研发具有AI功能的EDA软件，试图在EDA软件中应用AI算法赋能芯片设计。今年3月12日，Synopsys推出业界首个用于芯片设计的自主AI应用程序DSO.AI(Design Space Optimization AI)，这是电子设计技术上所取得的重大突破。3月18日，Cadence发布了经过数百次先进工艺流片验证的数字全流程新版软件，采用了支持机器学习（ML）功能的布局布线和物理优化引擎，吞吐量最高提升3倍，功率、性能和面积(PPA)最高提升20%，助力设计更卓越的芯片。而Mentor的机器学习(ML)OPC可以将光学邻近效应修正(OPC)输出预测精度提升到纳米级，同时将执行时间缩短3倍(参考5)。 二、我国EDA行业发展现状 EDA软件而言，国内跟国外先进水平存在着巨大的差距。众所周知，目前全球EDA软件供应商主要是国际三巨头Synopsys、Cadence和Mentor Graphic，国产化率仅为5%。 从营收来看，去年全球EDA软件市场规模约为90亿美元左右，这三家公司就占了其中的70%左右，约为60多亿美元，由此可见，这三家在EDA软件业内的绝对垄断地位。“中兴事件”和“华为事件”，让中国半导体发展深受“卡脖子”之痛，也更突显出国产EDA的短板。 近日，中国工程院院士、中星微集团创建人邓中翰在两会的提案上也指出，国家要全力推进芯片等“卡脖子”领域的国产自主替代工作，加大“大基金”对半导体产业各领域的统筹协调和扶持力度。 三、国内EDA企业发展最新进展 EDA的重要性不言而喻，一旦EDA受制于人，整个芯片软件产业的发展都可能停摆，发展国产EDA迫在眉睫。不过，值得肯定的是，虽然国产EDA企业难以提供全流程产品，但在部分细分领域具有优势，个别工具功能强大。 例如，传统EDA公司在数据端，收集数据测试上通常没有布局，而本土EDA企业的优势定位在于：在良率优化端，广立微电子的软件和测试机；在数据端，博达微的快速参数测试方案；在仿真输入端，中国公司具有很强的主导性；在仿真端，华大九天和概伦电子实力强劲；在后端，芯禾具有完整的解决方案和竞争力。 北京华大九天：成立于2009年，是我国技术实力领先的EDA龙头企业。华大九天提供全流程数模混合信号芯片设计系统、SoC后端设计分析及优化解决方案、平板（FPD）全流程设计系统、IP以及面向晶圆制造企业的相关服务，客户包括中芯国际、华力微电子、华虹宏力等晶圆制造厂，华为海思、中兴微电子、紫光展锐等IC设计公司，飞腾、兆芯、龙芯等CPU设计公司。尤其是在液晶平板显示领域，华大九天是全球唯一可提供全流程EDA设计解决方案的提供商，客户包括京东方A、华星光电、维信诺、咸阳彩虹、熊猫电子和重庆惠科等大型平板制造企业。 2018年9月，华大九天获得国家大基金的投资。 北京芯愿景：成立于2002年，是一家专业从事集成电路知识产权分析及技术分析的高技术服务公司。集成电路技术分析能力始终紧跟半导体行业最先进工艺制程的发展步伐，目前已成功实现7nm FinFET芯片的工艺分析和电路分析，布局领域：IP核、EDA软件、集成电路分析设计平台。 芯愿景建立了专业的集成电路分析实验室，实验室配置有ZEISS、FEI、Olympus、Leica、Oxford等厂商的高端设备，可以提供包括产品拆解、集成电路工艺分析、竞争力分析、失效分析等技术服务，目前可以分析的最小工艺节点为7纳米。 北京博达微科技：成立于2012年04月，2020年3月被概伦电子收购，其以SPICE Model参数提取著称，现重点转向数据端，从加速仿真转为加速测试，测试主要以学习算法来驱动，竞争力在于测试速度比传统测试高一个数量级，布局领域：半导体参数测试、器件建模与验证。 国微集团：国微集团旗下目前有多家EDA厂商，其中上海思尔芯公司(“S2C”)是基于FPGA大阵列超大规模快速原型验证及仿真系统的EDA工具研发、销售及设计服务提供商，目前有超过400家客户以及2000多套原型验证系统应用于客户的设计中，基于云服务的420颗FPGA阵列的仿真验证系统正服务于头部企业；上海国微芯芯半导体有限公司专注于EDA的研发和设计服务；此外，成立于2018年的深圳鸿芯微纳技术有限公司，是国微集团参股并管理的EDA后端设计软件研发的公司，主要研发布局布线工具，完成数字集成电路EDA平台关键节点的技术部署。未来，国微集团将致力于打造全流程国产EDA平台。 概伦电子：成立于2010年，提供业界领先的新一代大规模高精度电路仿真及设计验证平台，和针对先进半导体工艺节点的器件建模库平台及噪声测试系统等，其一百多家客户覆盖了全球绝大多数领先的集成电路设计与制造公司。 2020年3月，概伦电子收购博达微，博达微是业界领先的器件模型、PDK 相关 EDA 工具及 AI 驱动半导体参数测试解决方案供应商，也是全球唯一提供包含高精密参数化测试、器件建模仿真、PDK 开发与验证的完整软硬件工程服务体系。 2020年4月2日，概伦电子宣布已完成数亿元人民币的A轮融资。本轮融资是由兴橙资本和英特尔资本共同领投，新的资金将助力概伦电子快速发展，加速推动集成电路设计和制造环节的深度联动，增强产业实力。 芯华章：成立于2020年3月，注册地在南京，致力于EDA智能软件和系统的国产化，为半导体、5G、人工智能、云计算多领域的合作伙伴提供自主可控、安全可靠的解决方案与服务。 芯华章的目标是在十年内逐步建立完整的高端芯片综合性仿真验证EDA平台，彻底填补国内验证EDA工具的空白。 天津蓝海微科技：成立于2009年08月， 从事专业化的EDA软件服务与EDA工具定制化开发业务。在PcellQA工具领域技术实力雄厚，具有自动化程度高、检查项全面、准确性高和支持先进工艺特殊处理等多项优势，布局领域：集成电路工艺设计包。 杭州广立微：成立于2003年08月， 是一家专为半导体业界提供性能分析和良率提升方案的领先供应商。广立微为晶圆代工厂的新工艺制程研发提供整合性的技术服务：从早期设计、中后期量产时的可寻址测试结构，直到 yield ramp阶段基于产品版图的测试芯片。为设计公司提供定制化的测试芯片工具和服务：帮助提高IC设计的可制造性、性能、成品率并缩短产品上市时间。 2018年10月，杭州广立微测试机研发中心成立，专注晶圆级电性测试技术创新。 2018年11月，杭州广立微顺利完成了第一台量产用WAT测试机Semitronix Tester T4000的出口和交付。 杭州行芯科技：成立于2018年，行芯科技是一家集成电路芯片及IP开发商，致力于为用户提供人工智能时代算力与能耗、芯片性能与研发能力的解决方案，帮助芯片设计公司研发高性能低功耗的量产芯片。 行芯的EDA产品聚焦在芯片功耗效率，电源完整性，噪声，电迁移和高性能可靠性等方面的设计分析与智能优化。 目前，行芯科技研发的核心技术已经被成功地运用在了多款大数据服务器CPU的设计和量产。 苏州芯禾科技：成立于2010年11月，专注仿真工具、集成无源器件IPD和系统级封装SiP微系统的研发，布局领域：设计仿真工具、集成无源器件。 2019年10月9日，苏州芯禾在上海张江成立“芯和半导体科技（上海）有限公司”，并将芯禾科技纳入芯和半导体旗下，同时正式启用全新的EDA软件品牌名称“芯和”。 2020年4月，芯和半导体与中芯宁波联合发布——首款国内自主开发高频体声波滤波器产品。 苏州珂晶达：成立于2011年，从事科学计算软件开发，集成电路辅助设计软件开发和相关的技术服务。主要产品包括半导体器件和工艺仿真（TCAD）软件；辐射环境、输运和效应仿真分析软件；多物理数值仿真软件；三维网格划分和数据可视化软件等专业软件。 主要服务于半导体Foundry和Fabless厂商，航天、国防行业元器件厂商，大专院校和研究院所，客户已遍及国内、欧美和亚太区域。公司在2013年被认定为高新技术企业。 成都奥卡思微电：2016年创立于美国硅谷，芯片设计自动化（EDA）行业，已开发 四、我国EDA产业发展存在的问题 目前中国市场EDA销售额的95%由国际三巨头Synopsys、Cadence和Mentor Graphic瓜分，剩余的5%还有部分被Ansys等其它外国公司占据，给华大九天、芯禾科技等国产EDA公司留下了极少的份额，且后者在工具的完整性方面与三强相比，有明显的差距。 而在局部取得突破的领域，国内厂商与三巨头也存在着相当的差距，比如在物理验证、综合实力等方面，国内EDA厂商还“没有能力全面支撑产业发展”，总体上还是很难离开三大巨头公司的平台。 究其根本，主要原因就在于两点：一是国内的EDA工具不全，EDA软件要覆盖 IC 设计、布线、验证和仿真等所有方面，而国产EDA很多只涉及到其中的一部分环节；另一个是国产EDA软件和先进工艺的结合较差，毕竟国内制造水平不强，14nm也只是刚刚量产，而华为7nm甚至5nm的芯片已在路上了，自然国产EDA在先进工艺方面是差于国外的。 整体上EDA软件开发还存在以下特点： 1.EDA 软件开发很难，并且需要不断更新开发，不断研发投入。 EDA软件要 处理 数十亿(甚至上百亿)个电路元件，并把它们 连接 成理想功能的芯片。处理和连接的难度犹如把面积仅1cm²的芯片放大25万倍后，看到在半个深圳湾高新区的面积上，用最窄5毫米的线条(多晶硅、氧化层、外延层、离子注入区、上下层过孔、铝连线等) 纵横交织 构成一个“ 电路森林 ”，这种纵横交织有10～20层之多。EDA软件既要保证这种处理、连接、纵横交织完全不会出错，又要满足电路参数、速度、功能、面积、功耗等约束条件。所以，由事难想到做事的工具之难，设计EDA软件的难度可想而知。 另外，一般软件开发完成后，基本可以定型并大量销售，未来的维护只是在发现错误(Bug)后，打个补丁或者更新一个版本。但是，EDA软件首先不能出现Bug,另外随着半导体工艺的进步(或者革命性变革)，EDA软件都要随着开发升级版本(或者革命性新版本)，并且它的销售数量非常有限。因此，大的研发投入和较少的销售数量，决定了EDA软件价格不菲。  2. 人才培养难度较大，人才紧缺，薪水较高，EDA软件是一个真正的高技术行业。 EDA软件开发不同于一般软件开发，它交叉在软件工程学、半导体和微电子学两个领域之间。目前高校还没有这样二合一的学科设置，既要学软件专业，又要学半导体和微电子专业。目前从业者可以是工作中半路转行，恶补另外一个学科的知识；也可以是两个专业的人配合工作，各取所长。笔者专业是计算机硬件兼顾软件工程，读研时学了超大规模集成电路和半导体工艺课程，所以对EDA软件开发有一定了解。但是，如果是学半导体和微电子专业的人，工作中转向从事EDA软件编程，要掌握软件工程的知识难度较大。目前EDA软件人才紧缺，资深高级人才更缺，需要国家有计划地在高校中定向培养。 3. 用户数量非常有限，市场不大，EDA软件是一个净利润率不高的行业。 市场容量不大可以理解，中国纯芯片设计公司也就1000多家，其中大多是中小企业，很难做到按需购买正版国产EDA软件。即便每家都买，假如 平均 每年每家购买100万元的国产EDA软件（国外EDA软件另当别论），则国产EDA软件市场容量为10亿多元。假如每家购买500万元，则国产EDA软件市场容量也仅50亿元的规模。 再来看看国外三家龙头EDA厂商的情况。根据股票市场的公开信息，2019年，三家EDA软件公司的总收入合计不超过80亿美元，估计全球EDA软件市场规模不超过100亿美元。2019年Synopsys和Cadence的总收入分别是33.61亿美元和23.36亿美元，净利润分别为5.324亿美元和9.89亿美元，净利润率分别是15.8%和42.3%。从历年的情况可以看出，EDA软件行业的发展呈现小幅平稳增长态势，难有爆发式增长的情形，净利润率基本在10%～15%之间变化。所以说EDA软件行业是一个高投入、净利润率不高的行业。  四、我国EDA产业发展对策建议 我国发展国产EDA软件要高度关注4个问题。难度较大，要正确面对；避免无序，要顶层设计；配合重要，要规范当先；市场有限，要避免盲从。 1. 成立联盟 ：建议成立由政府主管部门或研究机构牵头，由国内龙头EDA企业、晶圆厂、高校和研究机构、重点IC设计企业组成的“国家EDA软件开发产学研联盟”，共商良策，共促国产EDA软件发展。 2. 起草规范： 在联盟中成立专家组，以现有国产EDA软件为基础，制定国产EDA软件的开发规范。包括 功能模块 规范、 数据库 规范、 数据交换接口 规范、用 户交互界面 规范等。避免遍地开花、无序开发、软件工具之间不能协同、低层次竞争等情况发生，避免造成宝贵的时间和资源浪费。 3. 上云架构： 除了传统 云下架构 外，考虑增加基于超算平台和云平台的国产EDA软件的 云上架构 ，二种总体架构并列考虑，开发者同时研发两个版本的EDA软件。目前国外EDA软件还未普及云上模式。国产EDA软件最好能以云服务的形式向IC企业、高校师生、甚至系统企业提供服务，便于国产EDA软件普及。 4. 应用AI技术： 在构建国产EDA软件总体架构时，要把人工智能(AI)技术的应用放在重要位置。否则，我们在起点就已落后于国外EDA软件了。 5. 认领开发： EDA软件的功能模块可由龙头EDA软件企业认领开发、悬赏揭榜开发，政府给予大力资助。一个功能模块可由1～3家EDA软件企业承担，可冠名自己的品牌，进行市场自由竞争。政府动态监管和支持，优胜劣汰。 6. 推广平台： 适时依托国家IC基地，在全国布局成立国产EDA软件推广平台，政府大力支持国产EDA软件的推广及应用。 结语： EDA软件的研发投入很大，需要长期的知识和经验积累，而且即使有了产品上市，今后还要跟随芯片技术进步而不断投入升级研发。所以，EDA软件行业是个十分艰苦的行业。同时，EDA软件市场十分有限，净利润率也不高，不能养活太多公司。所以，EDA软件虽然处在补短板、强弱项的风口上，还请那些没有思想准备、准备炒概念、想赚快钱、想拿政府资助的企业绕道吧，避免轰轰烈烈过后一地鸡毛。希望把机会留给那些对EDA行业有深刻了解，有技术积累，有报国情怀的企业家们，让他们的资金投入和辛勤劳动获得更多回报，让国产EDA软件的短板补齐，支持芯片行业健康发展。   参考文献： 1. 浅谈国产EDA软件开发。http://news.moore.ren/industry/229797.htm 2. 国产化份额仅仅5%，EDA产业我国占不到半点优势？http://news.moore.ren/industry/227634.htm
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    《中国沼气产业发展研究》
    • 来源专题：可再生能源
    • 发布时间：2018-06-08
    • 该报告是中丹可再生能源发展项目中生物质能发展战略研究的重要组成部分，由轻工业环境保护研究所承担完成。 该报告对国内外沼气产业现状的系统分析，对沼气领域的原料、技术、市场、政策、制约因素做出了客观全面的阐述，针对中国的工业沼气和农业沼气未来的发展方向，特别是在沼气工程的规模化开发、装备制造标准化和系列化、沼气技术关键工艺设备的国产化、沼气原料利用的多样化以及沼气作为天然气未来替代品开发等方面，提出中国沼气产业发展路线图。 1. 沼气资源状况： 中国大中型沼气工程的原料主要来自工农业排放的废水、废渣和城市生活污水、生活垃圾。该报告对国内可转化为沼气的主要原料的资源量进行了分析调研。 工业有机废水中，轻工企业排放的废水（废渣）可转化为沼气的资源量为154.23亿m3。非轻工企业排放的废水（废渣）可转化为沼气的资源量为126.6亿m3。全国工业企业排放的（可转化为沼气）有机废水为43.67亿吨，废渣为9.4558亿吨，可转化为沼气的资源量为280.83亿m3。 农业沼气资源主要来自于集约化畜禽养殖场的粪便，我国畜牧业近几年一直保持8%以上的增长速度。目前全国畜禽养殖年排放粪便总量约为148732.592万吨，如果采取全部厌氧消化方式处理，可产沼气819.5亿m3/年。大中型畜禽养殖场量占全国养殖总量的8.11%，大中型畜禽养殖场年排放粪便总量为12062.2万吨，可产沼气资源量66.46亿m3。 在城市生活垃圾领域，生物沼气主要涉及两个方面，一个方面是填埋场沼气，另一方面是有机垃圾厌氧消化，目前我国有机垃圾厌氧消化处于起步阶段，沼气利用主要集中在填埋气体利用。全国生活垃圾产沼气的理论资源量为157亿m3，目前我国生活垃圾产沼气量约为9亿m3。 生活污泥，2009年我国排放干污泥约为594万吨，生活污泥沼气资源量约为11.88亿m3。 秸秆沼气，若考虑2.0亿吨/年秸秆作为开发沼气的资源量，则2010年可利用秸秆转化为沼气的资源量为800亿m3。 2. 沼气开发的主要障碍： 报告对我国大中型沼气工程产业化发展的障碍因素进行了分析，并提出相应解决问题的政策和技术等方面的建议。特别是在沼气工程的标准检测认证方面亟待加强。 对于畜禽沼气工程，主要障碍因素包括：工程缺乏规模效益，工程初始投资大，沼气工程市场混乱、监管不力，沼气用途单一，缺少技术、信息等的服务等； 对于城市生活垃圾沼气（填埋）工程，主要障碍因素包括：填埋场建设成本高，填埋场气体收集率低 对于城市污泥处理沼气工程，主要障碍因素包括：投资高，工艺复杂，运维难度高，经济效益不佳。 3. 本路线图的主要目标： 到2020年全国大中型沼气工程达到14800座（不包括中型畜禽沼气工程），沼气总产量达211.32亿m3，相当于标准煤1508.82万吨。届时每年可减排400万吨二氧化碳。到2020年大中型沼气工程将做到年处理工业废水（废渣）15亿m3，畜禽粪便2.4亿吨、城市生活垃圾1.9亿吨、生活污水厂干污泥640万吨。随着激励政策的加强和障碍的克服，预计2020年前，可实现220万KW以上的装机容量。 实现上述目标，2010年到2020年期间需要投资1180亿元（近200亿美元），到2020年，沼气发电装机容量至少能达到220万KW，年发电132亿kWh以上。创造的年产值达200亿元以上，增加约10万个就业机会。 4. 本路线图的主要建议： 制定沼气工程的相关标准对沼气产业发展至关重要。在2～5年内，应尽快制订国家级沼气产业相关标准，规范市场；加强沼气科技攻关和创新能力建设；加快沼气产业专业化队伍建设；设置国家级专管机构，规范沼气产业管理，该建议主要考虑到构建国家可再生能源中国心框架的问题。
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