本文來自半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫，作者/劉浩磊。
EDA軟件作為關(guān)鍵的芯片設(shè)計工具，是集成電路產(chǎn)業(yè)的一大基石，隨著國內(nèi)芯片產(chǎn)業(yè)鏈的不斷深入，大眾對于上游EDA的關(guān)注度也直線上升。
EDA（Electronic Design Automation，電子設(shè)計自動化）軟件作為關(guān)鍵的芯片設(shè)計工具，是集成電路產(chǎn)業(yè)的一大基石，隨著國內(nèi)芯片產(chǎn)業(yè)鏈的不斷深入，大眾對于上游EDA的關(guān)注度也直線上升。EDA技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展，產(chǎn)品功能及豐富度不斷提高，目前EDA工具已能對集成電路的設(shè)計、制造、封裝等環(huán)節(jié)實現(xiàn)全覆蓋。EDA對現(xiàn)代集成電路產(chǎn)業(yè)意義重大，它不僅極大地降低了芯片的設(shè)計成本，使大規(guī)模的復(fù)雜電路設(shè)計成為現(xiàn)實，同時也推動了IP生態(tài)的豐富，EDA技術(shù)與現(xiàn)代先進工藝的結(jié)合更是為集成電路性能提升、尺寸縮減帶來新的發(fā)展機遇。在未來，云和AI技術(shù)將在EDA領(lǐng)域持續(xù)滲透，目前海外EDA巨頭已開始布局有關(guān)產(chǎn)品，EDA在效率、性能上有望進一步提升。
四大發(fā)展歷程
EDA是指利用計算機輔助設(shè)計軟件完成超大規(guī)模集成電路芯片的功能設(shè)計、綜合、驗證等流程的設(shè)計方式。
隨著集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，設(shè)計規(guī)模越來越大，制造工藝越來越復(fù)雜，設(shè)計師依靠手工難以完成相關(guān)工作，必須依靠EDA工具完成電路設(shè)計、版圖設(shè)計、版圖驗證、性能分析等工作，EDA產(chǎn)業(yè)滲透率逐漸提高。隨著超大規(guī)模集成電路的持續(xù)發(fā)展，晶體管密度快速上升，芯片設(shè)計難度持續(xù)加大，加上工藝變革的加快，電子工程師更加需要利用EDA工具來提升邏輯綜合、布局布線、仿真驗證的效率，EDA作為集成電路上游設(shè)計的基礎(chǔ)工具，逐漸成為了剛需。
EDA作為芯片設(shè)計的基石，其發(fā)展大致經(jīng)歷了四個階段，目前已在計算機、通信、航天航空等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。
（1）計算機輔助設(shè)計（CAD）階段：在20世紀70年代以前，設(shè)計人員依靠手工完成電路圖的輸入、布局和布線。到了70年代中期，可編程邏輯技術(shù)出現(xiàn)，開發(fā)人員嘗試實現(xiàn)整個設(shè)計工程的自動化，而不僅僅滿足于自動完成掩膜草圖，這是EDA的雛形時期。
（2）計算機輔助工程（CAE）階段：隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，電子系統(tǒng)變得更為復(fù)雜，語言編程開始應(yīng)用于芯片設(shè)計。在80年代出現(xiàn)了硬件描述語言VHDL和Verilog，為EDA的商業(yè)化奠定了基礎(chǔ)。
（3）電子系統(tǒng)設(shè)計自動化（EDA）階段：硬件語言趨于標準化以及芯片設(shè)計技術(shù)在不斷豐富，EDA設(shè)計工具快速普及和發(fā)展，這一階段也是EDA發(fā)展的黃金期。設(shè)計手段包括全定制設(shè)計、半定制設(shè)計、ASIC設(shè)計、標準單元庫、門陣列、可編程邏輯陣列等。
（4）現(xiàn)代EDA技術(shù)：21世紀后，EDA技術(shù)快速發(fā)展，軟件效率顯著提升，仿真驗證和設(shè)計兩層面的EDA軟件工具功能更加強大，更大規(guī)模的可編程邏輯器件不斷推出，系統(tǒng)級、行為級硬件描述語言趨于更加高效和簡單。
被美國企業(yè)牢牢掌握的EDA話語權(quán)
經(jīng)過不斷的市場洗牌，EDA行業(yè)已經(jīng)成為一個高度壟斷的行業(yè)，國際三巨頭企業(yè)占據(jù)絕對主導(dǎo)地位。
經(jīng)過30余年的發(fā)展整合，全球EDA市場主要由新思科技（Synopsys）、鏗騰電子（Cadence）及西門子EDA（Mentor Graphics，2021年更名為Siemens EDA）壟斷，共占據(jù)了全球約78%的市場份額。三家公司均具有完整且優(yōu)勢突出的全流程產(chǎn)品線，并且在部分領(lǐng)域擁有絕對優(yōu)勢，如新思科技在邏輯綜合工具及時序分析工具上具有絕對優(yōu)勢，西門子EDA在各類布線工具上優(yōu)勢顯著。
在近年來全球集成電路產(chǎn)業(yè)基本保持穩(wěn)定向好的發(fā)展態(tài)勢下，近年全球EDA工具總銷售額保持穩(wěn)定上漲，2020年實現(xiàn)總銷售額72.3億美元，同比增長10.7%。根據(jù)賽迪智庫統(tǒng)計，在2020年全球各地區(qū)EDA市場銷售額方面，北美約占40.9%，亞太地區(qū)約占42.1%，歐洲地區(qū)約占17%。目前北美地區(qū)是EDA技術(shù)最為發(fā)達的地區(qū)，而中國大陸地區(qū)集成電路設(shè)計業(yè)的快速發(fā)展帶動了亞太地區(qū)EDA工具銷售額的增長。
國內(nèi)EDA產(chǎn)業(yè)發(fā)展之路與現(xiàn)狀
國內(nèi)EDA行業(yè)先后歷經(jīng)“封鎖、集中突破、國產(chǎn)遇冷、再啟動、發(fā)展提速”五個階段，當前與全球領(lǐng)先EDA軟件仍存在差距。
（1）封鎖：1950~1986年，20世紀70至80年代，由于巴黎統(tǒng)籌委員會對中國實施的禁運管制，西方全面封鎖技術(shù)，國外EDA無法進入國內(nèi)市場，在八十年代中后期，國內(nèi)開始投入EDA領(lǐng)域的研發(fā)；
（2）集中突破：1986~1994年，國家組織資源在北京成立研發(fā)中心開發(fā)EDA軟件，1993年了中國歷史上第一款具有自主知識產(chǎn)權(quán)的EDA工具國產(chǎn)“熊貓ICCAD系統(tǒng)”誕生，填補了我國在這一領(lǐng)域的空白，打破了西方封鎖；
（3）國產(chǎn)EDA遇冷：1994-2008年，由于國外解除了對我國EDA工具的封鎖，國內(nèi)大量購入成熟EDA軟件，Cadence、Synopsys等EDA企業(yè)進入中國，國產(chǎn)EDA遇冷，缺少政策和市場支持的國內(nèi)EDA工具研發(fā)和應(yīng)用陷入低谷，這種情形也導(dǎo)致了國內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)對國外EDA工具的重度依賴；
（4）再啟動：2008-2018年，EDA列入國家“核高基”重大科技專項，重新獲得了鼓勵和扶持；華大九天成立，承擔(dān)EDA核高基任務(wù)；
（5）發(fā)展提速：2018年至今，國產(chǎn)EDA處于發(fā)展提速期，大基金領(lǐng)頭投資國產(chǎn)EDA龍頭企業(yè)華大九天；此外華為受到美國制裁，EDA受限，國內(nèi)對其重視程度提升；“國發(fā)8號文”將設(shè)計工具作為突破重點。
歷經(jīng)幾十年的發(fā)展，目前國產(chǎn)EDA企業(yè)代表包括華大九天、國微集團、芯華章、廣立微、概倫電子、芯和半導(dǎo)體等。而國內(nèi)外EDA軟件多年累積的技術(shù)差距難以在短時間內(nèi)抹平，在全流程的EDA平臺、產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)等方面，國內(nèi)企業(yè)和海外廠商還有著一定的差距。
由于我國EDA行業(yè)發(fā)展過程曲折，當前海外EDA巨頭在全球范圍能仍全面領(lǐng)先本土EDA企業(yè)，差距主要體現(xiàn)在研發(fā)及技術(shù)、渠道及產(chǎn)品、生態(tài)及客戶關(guān)系這三方面。
EDA作為高技術(shù)壁壘的行業(yè)，企業(yè)唯有投入大量的研發(fā)資源并獲取頂尖人才的貢獻才能保持競爭力。當前，中外廠商在研發(fā)投入方面差距巨大，以華大九天和新思科技為例對比，新思科技2018-2020年三年累計研發(fā)投入228億元人民幣，是華大九天近60倍。此外，海外三巨頭在發(fā)展過程中累計并購各類公司200次以上，其中Synopsys次數(shù)高達80次。正是通過不斷地兼并和收購，三家公司不斷擴張自身的業(yè)務(wù)和產(chǎn)品線邊界，規(guī)模快速擴大。國內(nèi)EDA企業(yè)難以效仿。
海外企業(yè)經(jīng)年累月的大量研發(fā)投入使得其在產(chǎn)品線豐富度、渠道多樣性上領(lǐng)先于國內(nèi)EDA企業(yè)。目前我國EDA企業(yè)在局部環(huán)節(jié)具有優(yōu)勢，如華大九天的模擬電路仿真、概倫電子的SPICE建模領(lǐng)域等，但在產(chǎn)品豐富度上仍遜色于海外巨頭。
相比于國內(nèi)EDA企業(yè)，海外EDA巨頭擁有完整的EDA產(chǎn)品線、工具鏈以及豐富的IP庫，通過為客戶提供豐富多樣、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的IP核，而IP授權(quán)對于Fabless客戶的研發(fā)是不可或缺的，進一步提升了客戶黏性，從而構(gòu)建具有深度護城河的生態(tài)圈。此外國內(nèi)廠商缺乏與頭部Foundry的深度合作，國產(chǎn)EDA產(chǎn)品難以匹配最先進的工藝，這也導(dǎo)致本土企業(yè)難以進入高端芯片設(shè)計領(lǐng)域。
2019年以來，美國對我國國內(nèi)高科技企業(yè)的制裁力度不斷加大，數(shù)次提高對國內(nèi)部分高科技企業(yè)的限制級別，尤其在集成電路和EDA工具領(lǐng)域體現(xiàn)的較為明顯。例如，2019年EDA三巨頭終止了與華為海思的合作，為國產(chǎn)芯片的發(fā)展蒙上了一層陰影。國內(nèi)集成電路設(shè)計及制造企業(yè)開始尋求實現(xiàn)EDA工具軟件的進口替代。對于國內(nèi)EDA廠商而言，這是一個化危為機的重要時刻。
EDA未來發(fā)展趨勢
隨著晶圓制造工藝接近物理極限，摩爾定律正逐步放緩，集成電路產(chǎn)業(yè)開始注重從更多維度提升電子系統(tǒng)性能和功能復(fù)雜度。在后摩爾時代技術(shù)從單芯片的集成規(guī)模、功能集成、工藝、材料等方面的演進驅(qū)動著EDA技術(shù)的進步和其應(yīng)用的延伸拓展。
EDA+云
過去安全隱患是阻礙IC設(shè)計上云的關(guān)鍵問題，近些年來，伴隨著彈性算力、安全等相關(guān)技術(shù)的逐漸成熟，市場參與者準備就緒、用戶使用習(xí)慣改善，IC設(shè)計上云不再像多年前那樣只是個簡單的口號，“云計算+EDA工具”的模式開始逐漸得到認可。此外國際貿(mào)易大環(huán)境，令半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)向中國國內(nèi)偏移，芯片設(shè)計市場競爭加劇，這些因素進一步促成IC設(shè)計上云。
早在2020年微軟就與Mentor Graphics、臺積電、AMD多方合作，在微軟云Azure上驗證了7nm的芯片設(shè)計，其中，在同Mentor的合作過程中，Mentor的AMS使用了微軟云Azure專門針對HPC開發(fā)的虛擬機類型HC44rs，每個核心有8GB的內(nèi)存來調(diào)用，大幅度縮短EDA的過程，提升效率加速產(chǎn)品上市。
此外，Synopsys與三星合作推出了SAFE云設(shè)計平臺，共同為Samsung Foundry的客戶提供可拓展的安全的云端設(shè)計環(huán)境，在該環(huán)境中可實現(xiàn)IC設(shè)計和驗證、全數(shù)字和模擬流程。
而中國目前的芯片設(shè)計企業(yè)，多數(shù)是規(guī)模在100人以下的小型企業(yè)。這些中小企業(yè)的痛點在于人才、設(shè)計能力缺乏，以及基礎(chǔ)設(shè)施跟不上。與此同時由于競爭的加劇，要求企業(yè)以更快的速度將芯片產(chǎn)品推向市場。EDA上云恰好能夠解決這些問題，包括算力的充沛及彈性供給，IT基礎(chǔ)設(shè)施、CAD皆準備就緒，加上更多EDA、IP、Foundry相關(guān)資源的整合，為中小型芯片設(shè)計企業(yè)提供了天然解決固有痛點的平臺，時間與成本都得到極大程度的降低。
EDA+人工智能
近年來芯片復(fù)雜度持續(xù)提升使得設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)規(guī)模不斷增加，其對系統(tǒng)運算能力需求有躍遷式提升，AI將更好地實現(xiàn)EDA設(shè)計中算力、資源的分配，因此人工智能賦能EDA技術(shù)勢在必行。
具備AI特性的EDA工具可以大幅提高設(shè)計效率，縮短芯片設(shè)計周期，廠商借助AI算法可實現(xiàn)EDA數(shù)據(jù)訓(xùn)練以提升產(chǎn)品質(zhì)量。
例如，2020年3月11日Synopsys推出了業(yè)界首個用于芯片設(shè)計的自主人工智能應(yīng)用程序DSO.aiTM（設(shè)計空間優(yōu)化AI），通過搜索大規(guī)模擴展設(shè)計空間優(yōu)化解決方案，利用強化學(xué)習(xí)來提高功率、性能和面積，縮短交付時間，并通過自動化降低總體開銷。
Cadence于2021年7月推出基于機器學(xué)習(xí)的設(shè)計工具Cerebrus，與人工方法相比，將工程生產(chǎn)力提高多達10倍，同時最多可將功耗、性能和面積結(jié)果改善20%，以快速滿足包括消費電子、超大規(guī)模計算、5G通信、汽車和移動等廣泛市場的設(shè)計要求。該產(chǎn)品已被瑞薩電子和三星使用。
后摩爾時代下日益繁復(fù)的芯片設(shè)計給EDA產(chǎn)品帶來挑戰(zhàn)的同時，也為技術(shù)迭代打開了一扇全新的機遇之窗。隨著我國相關(guān)利好政策的推進，新興技術(shù)的逐漸成熟，國內(nèi)EDA企業(yè)迎來新的發(fā)展機會。盡管打破海外EDA企業(yè)的壁壘困難重重，但仍值得期待。
