如何解决困境? 芯片设计工具的尴尬

芯片禁令实施后，国产半导体一直卡在乌云里。从半导体芯片、光刻机、光刻胶乃至工业软件，一个又一个短板被提及，成为大众关注的焦点。这一次，随着华为入股EDA设计公司等事件的出现，以及国内“第一家EDA公司”争夺战的打响，被称为芯片之母的EDA开始走近人们视野的中心。

被称为芯片之母的埃达

EDA是什么？EDA是芯片之母，是芯片设计最上游、最高端的产业。而作为TMT产业发展重点的5G芯片和AI芯片，也是以芯片设计为核心，而芯片设计离不开设计软件EDA，可以说是芯片产业链上的“任督二脉”。

这种描述可能有些夸张，但EDA在整个芯片自控领域确实是极其重要的。EDA(Electronics Design Automation)，中文称为电子设计自动化，被誉为集成电路的摇篮和命门，可以说是芯片设计最重要的软件设计工具。工程师们利用EDA工具，将芯片电路设计、性能分析、IC版图设计的全过程交给了计算机。

芯片设计分为设计、仿真和验证，相应的EDA工具又分为设计工具、仿真工具和验证工具。设计工具解决的是建立模型的问题，即从0到1(从零开始)，而仿真验证工具解决的是确认模型的问题，即1是1还是0.9还是1.1。所以从EDA开发的角度来说，开发设计工具的难度更大。

另外，设计规模越大，对工艺节点的要求越高，EDA工具的开发难度也越大。随着5G、AI、汽车电子等领域的兴起，本土EDA市场也迎来快速发展的机遇。

成熟的EDA市场

全球EDA产业已经到了一个成熟的阶段，整体增速比较稳定。ESD联盟数据显示，2019年全球EDA产业市场规模已达105亿美元，2015-2019年CAGR为8%；与全球半导体行业整体相比，EDA行业的增速相对稳定，波动较大。2019年全球EDA产业价值约为全球半导体产业规模(市场销售额)的2.5%。

中国的EDA行业还没有迎来“爆发”。前瞻产业研究院数据显示，2019年中国EDA行业市场规模为5.4亿美元，2016-2019年CAGR为7.9%，在全球EDA市场中占比相对较小，增速基本处于同一水平。市场潜力还有很大的释放空。

尤其是中国的半导体产业本身正处于快速发展时期。在国内下游IC设计产品快速发展的带动下，国内EDA市场发展迅速。中国半导体行业协会数据显示，2019年中国大陆集成电路设计产业销售额已突破3000亿元，集成电路设计企业达到1780家。中国大陆已经拥有仅次于美国和台湾省的全球第三大集成电路设计产业。即使随着国际形势的变化，国内部分头部无晶圆厂受到一定冲击，但我们认为中国本土ic设计产业整体仍处于快速发展阶段，未来在全球产业链中的地位将继续提升，下游EDA软件需求将持续旺盛。

根据CCID智库给出的具体数据，2020年中国EDA行业市场规模将达到66.2亿元，同比增长20%，成为全球EDA行业增速较快的区域市场。

低话语权的局限

虽然中国国内EDA市场增长迅速，但令人尴尬的是，国内EDA企业的市场份额却相当低。

由于EDA行业的高门槛，现在全球EDA市场处于寡头垄断的竞争局面(“三巨头”占据70%的份额)。目前90%左右的市场份额仍然被新思科技、凯登科技、西门子达(原曼图)垄断。虽然本地制造商的市场份额在过去几年有所增加，但仍处于较低水平。“三巨头”在人才、技术、产品等多个维度建立了坚实的竞争壁垒，其他企业有许多困难需要克服。

EDA工具软件与芯片代工厂有很高的绑定关系，代工厂一般使用EDA软件厂商免费提供的ip库进行产业研发。有了基础IP的积累，代工厂发给客户的设计数据包PDK直接采用三大巨头的软件。

由于PDK更新频繁，尤其是新工艺，随着各种测试件的反馈不断迭代，代工厂采用最新版本的EDA软件，因此终端客户必须采用最新版本的EDA。尤其是它是每个SOC必不可少的接口IP，被三大巨头垄断。

据悉，在没有美国EDA的情况下，一些180nm/350nm以上的老工艺线可以用破解版或国产替代版延续。但亚微米级从130nm/90nm起步，很难摆脱EDA的正版授权。22nm工艺下，没有美国EDA是没有机会的。对于这样的情况，我们不禁好奇国内EDA企业到底怎么了。

EDA的全过程全领域短板

在全球范围内，EDA产业已经发展到了一个成熟的阶段，市场规模超过100亿美元，近年来增长速度也比较稳定。市场集中度高，近70%的市场被Synopsys、Cadence和Mentor Graphics占据。强大的RD实力，与先进技术的结合，完整的产品线，构筑了EDA行业“三巨头”的核心竞争壁垒。而中国本土的EDA产业目前还不能覆盖EDA的全过程和领域。整体来看，目前本土EDA厂商只能提供一些点工具。虽然国内厂商在一些点工具上有所突破，但在产品的完整性、集成度和整体服务能力上，尤其是在数字ic设计的关键环节上，与海外巨头还有较大差距。

本质上，芯片是以芯片管芯的形式提供的一个ip，而不是以前的软件形式，这个过程需要EDA工具的全力支持。整体来看，本土EDA厂商主要能提供一些点工具，但在产品的完整性、集成性和整体服务能力上还有较大差距。在高端市场，中国本土头部无晶圆厂基本完全依赖国外巨头工具；但在长尾市场，盗版影响下留给本土EDA厂商的市场相对有限。

然而，IC领域需要EDA工具来涵盖完全定制和半定制IC设计的所有方面。全定制集成电路设计和半定制集成电路设计需要不同类型的EDA工具。全定制集成电路设计主要包括电路原理图设计、电路仿真、掩模设计、版图验证和流片。而半定制IC设计在流程上更加细致和规范，主要可以分为前端设计(从规范制定到门级网表生成)和后端设计(版图、版图生成)。无法实现全流程、全领域覆盖的国内EDA行业，很难满足市场需求。

急需突破的三大难点

海外EDA巨头的三大突出竞争壁垒是人才壁垒(RD实力强)、工艺壁垒(与先进技术结合)和产品壁垒(产品线齐全)。相应的，在追赶的过程中，中国本土EDA产业也面临着人才、技术、产品短缺三大困境。

EDA是一个智力密集型行业，EDA专业人才是EDA发展的关键因素。在ed a软件工具领域，国威集团联席董事长兼总裁帅宏宇发表了主题为“国威EDA之路”的演讲。他认为EDA行业技术壁垒高，人才短缺。全球约有25000名员工，中国只有1500人左右。国内所有公司从事EDA工作的大概有1500人，真正参与研发的可能就更少了，相比国外几万家大型EDA公司，差距明显。这里值得注意的是，中国所有EDA公司的RD人员不到1500人。

数字Soc是现代信息技术的核心，没有曲线可绕。这种生产数字集成电路的核心技术非常复杂，价格昂贵，而且很容易卡死。深圳洪欣微纳股份有限公司CTO王宇成博士表示，鉴于目前的国际形势，国内EDA技术在未来很长一段时间内都难以达到国际先进的生产工艺能力，因此提升本土EDA核心技术势在必行。

此外，EDA还具有RD投资大、投资周期长、技术产品更新极快的特点。要解决EDA的问题，他说EDA发展的必要条件是行业必须抱团发展，采取市场化运作的手段，齐头并进，这样才能建立国内的EDA产业平台。

EDA绝不是简单的设计工具。

在半导体领域各个产业环节联系日益紧密的今天，EDA绝不是简单的设计工具。需要结合先进技术，经过代工厂验证。由于EDA的最终输出布局会交给Foundry代工，所以EDA工具与先进技术(尤其是后端工具)密切相关。EDA厂商需要向无晶圆厂客户证明，自己产品设计的版图能够通过代工厂的验证，并投入量产。而Fabless只有购买那些经过验证的EDA工具，才有可能获得机头的代工名额。

同时，EDA企业需要为集成电路企业提供专业服务甚至直接的技术支持。EDA在为客户提供工具的同时，也会向他们输出专业的咨询和培训服务，甚至直接参与IC设计。同时，由于EDA厂商本身积累了对I C设计和工艺技术的深刻理解，客户往往对厂商提供的专业服务有很大的需求，甚至希望在技术知识上得到支持。

EDA厂商也会直接向客户提供芯片ip授权，分为软IP(RTL编码功能块)、固定IP(逻辑综合后的门级网表)和硬IP(掩膜版图)。EDA厂商主要提供软IP和固定IP，通常的做法是将软IP集成到EDA软件中；收费方式包括单次许可费和连续使用费。大多数Fabless/IDM都会采购一些IP核来提高芯片开发效率。

近年来，EDA厂商在知识产权授权市场的话语权也有所增强。近年来，EDA巨头的IP授权业务发展迅速，EDA厂商通过销售软IP嵌入式EDA软件受到了客户的欢迎。2019年，新思科技和Cadence已经成为仅次于ARM的全球第二和第三大芯片ip授权公司。中下游企业对整体解决方案的需求驱动EDA企业不断扩张。

从局部到核心的突围战

虽然困难重重，但不代表国内EDA企业没有机会。中国本土EDA行业曾经有过辉煌的过去。中国本土EDA产业起步于20世纪90年代。1993年，我国第一个自主研发的EDA系统“熊猫”问世，国内单位踊跃使用。短时间内，熊猫EDA在近20家设计公司投入使用，完成近200个芯片品种。当时中国和世界领先水平差距没那么大；但在随后的几年里，海外EDA巨头纷纷来到中国，凭借更完善的产品和更成熟的商业策略，迅速占领了本土EDA厂商的存在。[/k0/]熊猫EDA被迫出海“求生”，中外EDA产业差距逐渐拉大。

中国本土EDA厂商的崛起是必要的，也是必然的。就大环境而言，过去几年国际形势发生了很大变化，EDA成为制约中国半导体产业进一步发展的问题之一。我国政府在过去几年也出台了相关政策，鼓励本土EDA产业的发展。从另一个角度来看，海外EDA龙头的“停供”，实际上为本土EDA产业的发展腾出了空间。近年来华为海思负责人Fabless等。，也加大了对本土EDA厂商的支持。

中国半导体行业协会数据显示，2019年中国大陆集成电路设计产业销售额已突破3000亿元，集成电路设计企业达到1780家。中国大陆已经拥有仅次于美国和台湾省的全球第三大集成电路设计产业。未来本地集成电路产业在全球产业链中的地位将继续提升，预计对EDA软件的需求将持续强劲。

目前，虽然本土EDA厂商尚未形成与海外巨头“全面竞争”的能力，但本土头部厂商已经在一些领域和环节初步形成了本土竞争优势。第一种思路是从细分领域切入，比如全伦电子在SPICE建模领域，华大九天在模拟电路仿真领域；第二个思路是支流赛道的布局，比如面板设计领域的华大九天。然而，目前在数字芯片设计领域，尤其是核心逻辑综合、版图和布线方面还没有突破。

不过我相信随着时间的推移，国内本土EDA厂商迟早能够实现从局部到核心的全面，从而让卡脖子成为过去。

EDA技术的持续应用

近年来，随着集成电路产业的不断升级，人工智能、物联网、云计算技术等新应用的不断涌现，芯片技术和功能的复杂程度不断提高。在设计复杂度方面，集成应用的趋势使得芯片的功能集成度日益提高，逻辑、仿真、存储等功能越来越密集地集成在单个芯片上，这就要求EDA工具对复杂功能设计具有更强的支持能力。

在设计需求方面，单芯片规模呈现爆发式增长，主流处理器芯片的晶体管集成规模已经超过100亿，这对EDA工作者北京华大九天科技有限公司1-1-19招股书的设计效率提出了更高的要求，上述趋势正在推动EDA行业技术RD、开发流程和商业模式的变革。

后摩尔时代，摩尔定律驱动的芯片集成度和复杂度的不断提高，将为EDA工具的发展带来新的需求。在设计方法论层面，EDA工具的发展方向主要包括系统级或行为级软硬件协同设计方法、跨级芯片协同验证方法、面向设计、制造、封装和测试一体化的设计方法、芯片敏捷设计方法。

此外，在后摩尔时代，小芯片技术已经成为一个重要的发展方向。核心技术通过先进的集成技术(如3D集成技术)将不同工艺节点、不同材料的芯片封装集成在一起，形成一个系统芯片，实现了一种新的ip复用形式。这个过程需要EDA工具的全力支持，以促进EDA技术应用的延伸和扩展。

政策促进行业健康成长。

近年来，国家高度重视集成电路产业的发展，以政策和金融双轮驱动的方式推动国内集成电路产业的发展。EDA作为集成电路产业的重要基础，得到了国家政策的大力支持。2020年1月，商务部等八部委发布《关于加快服务外包转型升级，支持信息技术外包发展的指导意见》，将企业对云计算、基础软件、集成电路设计、区块链等信息技术的RD和应用纳入国家科技计划(专项、基金等)支持范围。).

2020年7月，国务院发布《新时期推动集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》，提出“集成电路产业和软件产业是信息产业的核心，是引领新一轮科技革命和产业变革的关键力量。为进一步优化集成电路产业和软件产业发展环境，深化国际产业合作，提升产业创新能力和发展质量，制定财政、税收、投融资、研发、进出口、人才、知识产权、市场应用和国际合作等相关政策”。

对整个国家集成电路产业和EDA产业的高度重视，加速了行业相关政策的出台和实施，提升了EDA产业的知名度，有助于项目的加速落地和相关人才的培养和引进，对公司的盈利能力产生了积极影响，为项目的实施提供了良好的宏观环境。

推动标准化产业发展。

国内EDA企业想要实现“弯道超车”，标准化可以说是一条有效的捷径。在Accellera、IEEE、RISC-V、EDA或IP厂商、学术界和开源社区等全球标准化组织的推动下，EDA领域出现了许多统一的标准、开源项目和开放接口定义。

但整体来看，很多标准并没有得到工具厂商的统一支持，各种工具的私有接口和数据往往无法互通，导致EDA1的流程封闭而碎片化。x这样一来，很难实现设计的自动化和定制化，也很难扩展第三方工具和算法模型。

海外“三巨头”的EDA工具，在服务无晶圆厂和结合先进代工技术的过程中，本质上已经建立并巩固了“标准”。目前我国尚未掌握全球半导体产业链的话语权，因此我国EDA厂商无法参与大部分子领域“标准”的制定，难以突破产品技术上的固有壁垒。本土EDA企业如果能尽快在标准化上形成一致性，就能在某些细分领域有所突破，甚至建立优势。

随着通用计算平台的发展，异构硬件如ARM、RISC-V、GPGPU、NPU等。逐渐出现在X86处理器之外。EDA软件也需要调整自己的软件架构，在不同的场景和算法中使用更合适的硬件平台。这样的开放可以给用户带来优化效率和成本。

当地生态破坏的关键

在当前的国际形势下，本土EDA厂商与本土无晶圆厂和代工厂建立了紧密的相互支持关系。从长远来看，在支持中国本土半导体产业走向高端的过程中，相信国内头部EDA厂商的技术和产品也会转型。

除了华大九天在面板领域的成功案例，AI、5G、工业互联网、汽车电子等行业近年来在国内发展迅速。未来中国有望成为这些领域“标准”制定的参与者。这些领域的繁荣也催生了很多海外EDA工具尚未完全满足的需求，这将给国内EDA厂商带来新的机遇。

EDA的“国产替代”不能和芯片的国产替代相提并论。芯片的用户是系统厂，最好的系统厂都在国内，可以帮助设计公司快速迭代产品，市场容量足够大。但是EDA的用户群，最好的设计制造公司都在海外，真正卡脖子的工具需要先进的技术和设计迭代。这不是钱能解决的。同时，本土市场的规模要小得多，国内几家领先的EDA公司的销售额仅占其全球收入的10%左右，远小于国内主流芯片厂。

只有整个本土EDA生态成长起来，本土EDA企业才有足够的成长空间空。

新技术勾勒未来

近年来，随着芯片设计基础数据量的不断增加和系统计算能力的逐步提升，人工智能技术应用于EDA领域的算法和计算能力需求正在得到更好的满足。此外，芯片复杂度和设计效率的提高也需要人工智能技术来升级EDA工具，这可以帮助降低芯片设计的门槛，提高芯片设计的效率。

同时，随着相关技术的逐渐成熟，用户使用习惯的改变，以及在芯片设计和RD中应用云技术的综合成本和效率优势，云技术在EDA领域发展迅速。云平台带来的弹性资源可以支持EDA的智能计算和自动化，以无限的计算能力优化EDA计算的瓶颈，使芯片设计过程更加智能，加速芯片设计进程。同时，灵活的云计算能力也可以优化用户的设计成本。

生态技术的融合也将推动整个EDA行业的发展，EDA的行业生态必然会从“工具和IP集合包”演变为整体平台。不同规模、不同阶段的芯片设计有着多样的需求，互联网云平台提供了近乎无限的计算弹性、存储弹性和访问便利性。因此，EDA未来应该与云平台和云上多样化的硬件相结合，充分利用成熟的云软硬件生态系统。

写在最后:一步一步打破脖子上的枷锁。

在“缺芯”的大浪潮下，各行各业都在强调拥有自主可控的芯片。如今，中国在芯片各个领域都取得了重要突破。设计和制造技术不再属于人们。唯一缺少的是光刻设备。不久前，中国从日本购买了90%的二手半导体设备，包括一批光刻设备，帮助中国在光刻机方面取得突破。

但是，就算光刻机突破了，如果EDA突破不了，国内的芯片制造已经有困难了。虽然中国在这方面有所突破，但毕竟国外公司已经占领EAD市场很久了。此外，资本投资和RD投资都远远超过中国。国内EDA需要付出更大的努力才能赶上国际水平。

此外，多样化定制芯片在芯片和系统安全、工业或汽车设计、特殊ip的电磁防护等垂直设计领域也有多样化的需求。只有少数客户具备所有这些垂直设计能力，所以他们需要EDaaS平台的专业服务。最后，有效降低了使用和设计的门槛，大大缩短了芯片设计周期。