當前中國芯片行業的那些“命門”:不為人知的EDA

5月15日，中國科技行業迎來噩耗，美國對中國半導體領域最尖端企業華為的制裁終於來到最後階段。

在將華為納入商品管制目錄剛剛1週年之時，美國商務部加大了對其技術封鎖的力度，而且一次就使出了全力——從之前含有25%美國技術和組件的產品禁止出口，跳過了10%的階段，直接宣佈，只要使用美國技術和設備的廠商，想要向華為提供產品時，都要向美國商務部申請。

考慮到美國在半導體領域的技術積累，這基本上等於切斷了華為從外界獲得芯片技術和產品支持的可能。

其中最為直觀的影響是，以前華為賴以生產最頂尖工藝製程芯片的台積電，現在就無法再為其代工。甚至有説法稱，在這一限制條件下，中芯國際、華虹半導體等國內晶圓代工廠也將受限。

除此以外，受影響最大、後果同樣致命的還有一個不太為人注意的領域——EDA。

要命的EDA

EDA，即電子設計自動化(Electronics Design Automation)，在20世紀60年代中期從計算機輔助設計(CAD)、計算機輔助製造(CAM)、計算機輔助測試(CAT)和計算機輔助工程(CAE)的概念發展而來的。

EDA是一種概念，但我們在日常使用時，常常代指EDA技術和EDA工具。

在集成電路產業初期，芯片設計是靠芯片工程師“畫”出來的。但隨着半導體工藝製程的發展，芯片的集成度越來越高，一枚拇指大小的芯片上可以集成百億個晶體管，人工佈線便顯得捉襟見肘。

適逢計算機技術的發展，從上世紀70年代中期開始，半導體領域開發人員開始試圖將設計和繪圖一起自動化，並開發了第1批二維CAD、三維SAD軟件工具。

緊接着，單晶硅在80年代成為集成電路製造的主流材料，使得可以設計的芯片的複雜性大大增加，對芯片設計的要求也相應提高。於是，該領域內也出現了使用特定編程語言進行芯片設計的思路，構成了現在EDA工具的基礎。

現代EDA技術就是以計算機為工具，設計者在EDA軟件平台上，用硬件描述語言VerilogHDL完成設計文件，然後由計算機自動地完成邏輯編譯、化簡、分割、綜合、優化、佈局、佈線和仿真，直至對於特定目標芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作。

簡單説，就是開發人員只要告訴電腦自己想要做什麼，EDA軟件就會在一定程度上自動完成後續開發工作，這在集成電路極其複雜的今天相當重要。

20世紀90年代，半導體技術大發展，以高級語言描述、系統級仿真和綜合技術為特點的EDA工具也逐漸成型。

在EDA工具之中，按主要功能或主要應用場合，可以分為電路設計與仿真工具、PCB設計軟件、IC設計軟件、PLD設計工具及其它EDA軟件。當我們説到華為、高通等手機芯片廠商時，對應的主要是IC設計軟件，其主要具備以下幾種功能:

1、設計輸入工具，這是任何一種EDA軟件必須具備的基本功能。

2、設計仿真工具，用以驗證設計是否正確。

3、邏輯綜合工具，可以把HDL變成門級網表。

4、靜態時序分析工具，在時序上對電路進行驗證。

5、形式驗證工具，從功能上對綜合後的網表進行驗證。

6、可測性設計工具，將一些特殊結構在設計階段植入電路。

7、佈局佈線工具，用於標準單元、門陣列實現交互佈線。

8、寄生參數提取工具，分析信號完整性問題，防止因導線耦合導致信號噪聲。

9、物理驗證工具。

10、模擬電路仿真器。

目前，芯片產業鏈已經形成了設計、製造、封裝、測試、銷售的穩定分工環節，EDA工具作為芯片設計中最重要的環境，算得上是整條產業鏈的起點。可以説，如果沒有EDA工具，現在的芯片公司將寸步難行。

遺憾的是，據國內外媒體報道，EDA工具在美國商務部的商品管制清單之內。從去年開始，國際三大EDA軟件公司——Cadence、Mentor、Synopsys就已經斷供華為，暫停軟件更新，也不再向其銷售新的EDA相關產品。

雖然華為暫時還能使用已經獲得授權的產品，但如果相關產品得不到更新，將無法跟上代工廠工藝製程的進步。因此，國產EDA儘快取得突破，達到國際水平，是一件相當緊迫的事情。

那麼，目前國產EDA工具和國際水平有多大差距?

“三座大山”

EDA產業是集成電路領域內的一個“小產業”。儘管相關技術和產品非常重要，但根據前瞻產業研究院數據，截至2018年，全球EDA市場規模僅97.15億美元，而當年僅中國進口集成電路的金額就達到3120億美元，整個芯片產業規模近5000億美元，EDA佔比不到2%。

重要但是規模不大，且技術門檻高，這就使得這個行業非常容易被相關領域的巨頭壟斷起來。事實也確實如此，壟斷的就是前面提到的3家——美國的Synopsys、Cadence和德國的Mentor。這3家寡頭共同佔據了全球EDA市場的60%。

其中，Synopsys在2008年超過Cadence，成為全球最大的EDA企業，目前佔全球EDA市場3成左右份額。其優勢在於數字前端、數字後端和PT signoff，他們最有名的產品是邏輯綜合工具DC和時序分析工具PT，幾乎獨霸相應領域。

Cadence曾經是全球第1，但在2008年被超越，目前市場佔有率在20%左右。其強項在於模擬或混合信號的定製化電路和版圖設計，功能很強大，PCB也相對較強，但是signoff的工具偏弱。

Mentor在“三巨頭”中偏弱。該公司在90年代曾遇到經營困境，直到2017年被西門子收購才恢復並迅速發展，目前市佔率在10%左右。其強項在於後端佈局佈線，在PCB上也有較大優勢，優勢是Calibre signoff和DFT。但其在產品全面性方面不如另外2家。

除此以外，全球還有多家較小的EDA軟件公司扮演着不同的角色。那麼中國公司又如何?

2018年，中國現存的10餘家EDA公司銷售額共3.5億元，只佔到全球市場份額的0.8%，而且技術研發方面，也以16nm及28nm工藝支持為主。

很顯然，國內EDA軟件公司在全球市場上的競爭力微乎其微，可能有人認為，他們在國內市場的表現會更好一些。然而事實並非如此。相反，國內市場被寡頭壟斷的程度更甚於國外。

2018年我國EDA軟件市場市場份額約為5億美元左右，而Synopsys、Cadence和Mentor佔了其中95%，僅有的5%還有部分被Ansys等其它外國公司佔據。

之所以國內外EDA公司有如此巨大的差距，主要是因為歷史欠賬。

我國開始研發EDA的過程並不比西方晚多少。1984年，首個以電子設計自動化為主題的銷售展覽剛剛在設計自動化會議上舉辦，我國就在1986年，在被國際封鎖的情況下，動員全國17家單位，召集200多位專家齊聚原北京集成電路設計中心，開發我國自由的集成電路計算機輔助設計系統。

1992年，超大規模集成輔助設計系統熊貓IC CAD通過鑑定，覆蓋了全定製集成電路正向設計的全部功能，獲得當年的國家科技進步一等獎，也被視作衝破西方封鎖的里程碑。

沒想到的是，該項目甫一成功，對岸就迅速解除了對中國的EDA禁令，加上後來“市場換技術”的思路佔主流，導致此後的十數年間，美國高端成熟的EDA工具如同狼羣一般在中國市場攻城略地，中國EDA自主廠商的研發腳步也因此變緩，走上了“二次開發”“代理集成”的附屬式發展道路。

直到近幾年來，國內如華大九天、芯願景、芯禾科技、廣立微、博達微等EDA公司才重新嶄露頭角。這些企業雖然在全流程產品上和海外巨頭還有不小的差距，但在具體工具上各有所長，個別點工具功能強大，在某些專業的領域也站住了腳。

目前，我國企業在工具的完整性方面與國外企業相比，有明顯的差距。而EDA的重要性不言而喻，一旦EDA受制於人，整個芯片軟件產業的發展都可能停擺，發展國產EDA迫在眉睫。面臨國際環境不確定性，本土EDA企業有望厚積薄發，在技術創新、融資運營上有所提升，打破EDA廠商競爭格局。