什么是 EDA 軟件

EDA（Electronic Design Automation）是電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件的簡(jiǎn)稱，EDA 產(chǎn)業(yè)是集成電路設(shè)計(jì)最上游、最高端的產(chǎn)業(yè)，涵蓋了集成電路設(shè)計(jì)、布線、驗(yàn)證和仿真等所有流程，是集成電路設(shè)計(jì)必需、也是最重要的軟件工具，被稱為“芯片之母”。EDA 軟件按產(chǎn)品類型細(xì)分包括：計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）、印刷電路板（Printed Circuit Board，PCB）和多芯片模塊（Multichip Module，MCM）、集成電路設(shè)計(jì)和驗(yàn)證、半導(dǎo)體知識(shí)產(chǎn)權(quán)（Intellectual Property，IP）。IP 即半導(dǎo)體集成電路設(shè)計(jì)中那些可以重復(fù)使用的、具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的設(shè)計(jì)模塊。集成電路設(shè)計(jì)公司無(wú)須對(duì)芯片每個(gè)細(xì)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)購(gòu)買成熟可靠的 IP 方案，實(shí)現(xiàn)某個(gè)特定功能。這種類似搭積木的開(kāi)發(fā)模式，縮短了芯片開(kāi)發(fā)的時(shí)間，提高了芯片的可靠性。EDA 軟件廠商通常都提供成熟的半導(dǎo)體 IP 設(shè)計(jì)方案。

EDA 軟件的全球市場(chǎng)
目前，全球 EDA 工具的主要市場(chǎng)被三大巨頭瓜分，Synopsys、Cadence、Mentor Graphics 三巨頭擁有 EDA 工具大部分市場(chǎng)份額。三大 EDA 企業(yè)占全球市場(chǎng)的份額超過(guò) 60%，2018 年，Synopsys 全球市場(chǎng)份額領(lǐng)先，占比達(dá)到 32.10%；Cadence 次之，占比為 22.00%；Mentor Graphic 占比為 10.00%。這三大國(guó)外 EDA 廠商提供了 IC 設(shè)計(jì)行業(yè)最全面的 EDA 工具，覆蓋了芯片設(shè)計(jì)的整個(gè)流程，支持當(dāng)前最先進(jìn)的芯片制造工藝，行業(yè)經(jīng)驗(yàn)豐富，技術(shù)成熟，研發(fā)實(shí)力強(qiáng)大。三巨頭已經(jīng)開(kāi)始探索將云計(jì)算、人工智能等技術(shù)引入 EDA 工具中。2018 年 5 月，Synopsys 公司推出了云端 IC Validator，作為云端芯片物理驗(yàn)證方案；2020 年 3 月，Synopsys 推出了 DSO.ai（設(shè)計(jì)空間優(yōu)化 AI），這是業(yè)界第一個(gè)用于芯片設(shè)計(jì)的自主 AI 應(yīng)用程序。

國(guó)產(chǎn) EDA 軟件的起步
在發(fā)展初期，巴黎統(tǒng)籌委員會(huì)對(duì)我國(guó)實(shí)施禁運(yùn)，國(guó)外 EDA 軟件無(wú)法進(jìn)入中國(guó)，于是國(guó)內(nèi)開(kāi)始自主研發(fā) EDA 軟件，1991 年，第一版國(guó)產(chǎn) EDA 軟件——熊貓系統(tǒng)上市，并且一度闖入國(guó)際市場(chǎng)。但 1994 年，“巴統(tǒng)”解散，國(guó)外 EDA 公司迅速進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，由于當(dāng)時(shí)我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)整體處于起步階段，人才、資金和產(chǎn)業(yè)鏈的缺乏導(dǎo)致國(guó)內(nèi) EDA 公司在競(jìng)爭(zhēng)中節(jié)節(jié)敗退，市場(chǎng)份額大量流失，中國(guó)的 EDA 產(chǎn)業(yè)很快進(jìn)入了低谷期。2008 年 4 月，國(guó)家“核高基”重大科技專項(xiàng)正式進(jìn)入實(shí)施階段，EDA 領(lǐng)域也迎來(lái)了新一輪的國(guó)家支持，經(jīng)過(guò)行業(yè)整合，國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了華大九天、芯愿景、廣立微、芯禾科技、概倫電子等一批優(yōu)質(zhì)企業(yè)，國(guó)產(chǎn) EDA 再度迎來(lái)發(fā)展。2018 年，我國(guó)某些芯片設(shè)計(jì)企業(yè)被產(chǎn)業(yè)鏈上游斷供，EDA 軟件的重要性再次凸顯。

國(guó)產(chǎn) EDA 軟件的困難

（1）國(guó)產(chǎn) EDA 軟件工具不夠全面，尤其是在數(shù)字電路方面，Synopsys 與 Cadence 公司壟斷了 SoC 設(shè)計(jì)主流程的 EDA 工具，在物理驗(yàn)證、綜合方面，國(guó)產(chǎn) EDA 軟件技術(shù)與國(guó)際三巨頭差距很大，國(guó)產(chǎn) EDA 廠商還沒(méi)有能力全面支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展。國(guó)際 EDA 三巨頭積累了深厚的技術(shù)壁壘、專利壁壘，國(guó)產(chǎn) EDA 軟件總體上很難離開(kāi)三大巨頭公司的平臺(tái)。

（2）第二，人才短缺，投入不足，沒(méi)有足夠的工程師來(lái)開(kāi)發(fā)此類軟件。在研發(fā)投入方面，半導(dǎo)體行業(yè)觀察資料顯示，本土 EDA 企業(yè)龍頭華大九天，過(guò)去十年間所投研發(fā)資金也只有幾億元人民幣，而 Synopsys 僅 2018 年的研發(fā)投入就約為 10.8 億美元，Cadence 2018 年的研發(fā)投入約為 8.7 億美元。

（3）EDA 軟件轉(zhuǎn)換成本極高，新的玩家進(jìn)入市場(chǎng)非常困難。國(guó)內(nèi)相關(guān)芯片設(shè)計(jì)人員早已熟悉國(guó)際三巨頭的 EDA 工具，原有的大量產(chǎn)品設(shè)計(jì)、技術(shù)積累都是基于三巨頭的 EDA 工具，難以承受 EDA 軟件轉(zhuǎn)換的成本，缺乏切換到國(guó)產(chǎn) EDA 軟件的動(dòng)力。

（4）國(guó)產(chǎn) EDA 工具缺乏與先進(jìn)工藝的結(jié)合。芯片 EDA 軟件的最大特點(diǎn)是它與芯片代工廠具有高度的綁定關(guān)系，設(shè)計(jì)芯片時(shí)需要芯片代工廠提供的數(shù)據(jù)包，稱之為工藝設(shè)計(jì)套件（PDK）。PDK 是集成電路設(shè)計(jì)公司、芯片代工廠和 EDA 廠商的溝通橋梁，當(dāng)開(kāi)始一個(gè)新的半導(dǎo)體工藝時(shí)，需要預(yù)先開(kāi)發(fā)一套 PDK，PDK 用代工廠的語(yǔ)言定義了一套反映代工廠工藝的文檔資料，包含芯片的設(shè)計(jì)規(guī)則、模擬模型、單元規(guī)格、數(shù)據(jù)的文件。PDK 數(shù)據(jù)包更新頻繁，通常會(huì)不斷優(yōu)化，并且對(duì) EDA 軟件有綁定及校驗(yàn)的作用，一般只支持當(dāng)前最新版的 EDA 工具。國(guó)際 EDA 三巨頭在新工藝開(kāi)發(fā)階段與世界領(lǐng)先的晶圓代工廠如臺(tái)積電、三星電子均有全方位合作，對(duì)生產(chǎn)工藝有很深刻的理解，而國(guó)內(nèi) EDA 廠商只能在代工廠工藝開(kāi)發(fā)完以后拿到部分?jǐn)?shù)據(jù)，無(wú)法接觸到先進(jìn)工藝的核心部分，難以針對(duì)先進(jìn)工藝設(shè)計(jì)改良 EDA 軟件，造成與國(guó)際 EDA 三巨頭的客觀差距。

國(guó)產(chǎn) EDA 軟件的機(jī)遇

（1）國(guó)家意志的支持。隨著國(guó)家加大對(duì)核心芯片國(guó)產(chǎn)化的政策、資金投入，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈自給率低的問(wèn)題得到了整個(gè)社會(huì)輿論和資本的關(guān)注與重視，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈國(guó)產(chǎn)替代成為關(guān)系到國(guó)家安全的亟待解決的問(wèn)題。EDA 軟件作為芯片設(shè)計(jì)階段最重要的工具，國(guó)產(chǎn)化需求自然會(huì)讓國(guó)產(chǎn) EDA 廠商有更多的機(jī)會(huì)。出于對(duì)供應(yīng)商供貨穩(wěn)定性、安全性的考慮，國(guó)內(nèi)芯片設(shè)計(jì)公司會(huì)更有動(dòng)力拓展供貨商來(lái)源，增加使用國(guó)產(chǎn) EDA 軟件的比例。2018 年 9 月，國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金戰(zhàn)略投資國(guó)內(nèi) EDA 軟件龍頭企業(yè)華大九天，從此 EDA 軟件的發(fā)展進(jìn)入國(guó)家隊(duì)的統(tǒng)籌規(guī)劃中。

（2）巨大的市場(chǎng)需求和增長(zhǎng)潛力。2019 年，中國(guó)半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模為 1547 億美元，占了全球市場(chǎng)份額的 33%，已經(jīng)成為全球最大的半導(dǎo)體消費(fèi)國(guó)，規(guī)模相當(dāng)于美國(guó)、歐盟及日本的總和，其中芯片設(shè)計(jì)行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模約為 440.7 億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為 25.9%，市場(chǎng)規(guī)模暫居世界第二。我國(guó)芯片設(shè)計(jì)企業(yè)的數(shù)量自 2012 年以來(lái)逐年增加，逐步進(jìn)入全球市場(chǎng)的主流競(jìng)爭(zhēng)格局中，截至 2019 年年底，我國(guó)芯片設(shè)計(jì)企業(yè)達(dá)到 1780 家。在 2019 年全球前 50 家芯片設(shè)計(jì)企業(yè)中，我國(guó)企業(yè)占據(jù)了 10 個(gè)席位，并且培育出華為海思等達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平的芯片設(shè)計(jì)巨頭，巨大的產(chǎn)業(yè)規(guī)模為國(guó)產(chǎn) EDA 軟件的發(fā)展提供了足夠大的市場(chǎng)。

（3）第三，我國(guó)芯片代工工藝的進(jìn)步。隨著我國(guó)芯片代工廠的發(fā)展，國(guó)產(chǎn) EDA 廠商有了與芯片代工廠深度合作的可能。目前中芯國(guó)際已經(jīng)能夠量產(chǎn) 14nm 的芯片，同時(shí) 12nm、7nm 也在測(cè)試之中，離國(guó)際先進(jìn)水平只差 1 至 2 代。國(guó)產(chǎn) EDA 軟件廠商與中國(guó)先進(jìn)芯片代工廠商綁定，使在物理驗(yàn)證、綜合等領(lǐng)域完善 EDA 軟件成為可能。芯片設(shè)計(jì)公司、EDA 廠商和芯片代工廠合作進(jìn)行 EDA 軟件研發(fā)，制定國(guó)產(chǎn) EDA 軟件的開(kāi)發(fā)規(guī)范，成立 EDA-IP- 代工廠聯(lián)盟，帶動(dòng) EDA 軟件協(xié)同發(fā)展極有希望。

（4）云計(jì)算、人工智能等技術(shù)與 EDA 技術(shù)的融合為國(guó)產(chǎn) EDA 技術(shù)后來(lái)居上提供可能。隨著芯片設(shè)計(jì)的規(guī)模和復(fù)雜程度逐年增長(zhǎng)，芯片設(shè)計(jì)需要處理大量計(jì)算，芯片驗(yàn)證是一項(xiàng)計(jì)算尤為密集的任務(wù)，云計(jì)算技術(shù)可以滿足計(jì)算密集需求；同時(shí)，隨著人工智能逐漸成為市場(chǎng)的主要驅(qū)動(dòng)力，將人工智能引入 EDA 工具，可以幫助芯片設(shè)計(jì)達(dá)到更優(yōu)化的目標(biāo)，開(kāi)發(fā)性能更高的終端產(chǎn)品。我國(guó)在云計(jì)算、人工智能等領(lǐng)域與國(guó)際先進(jìn)技術(shù)差距不大，基于云計(jì)算、人工智能的 EDA 技術(shù)可將我國(guó) EDA 企業(yè)與國(guó)際三巨頭的技術(shù)差距大大縮小，我國(guó)企業(yè)有機(jī)會(huì)通過(guò)引入云計(jì)算、人工智能實(shí)現(xiàn)彎道超車。

審核編輯 黃昊宇