什么是 EDA 软件

EDA(Electronic Design Automation)是电子设计自动化软件的简称,EDA 产业是集成电路设计最上游、最高端的产业,涵盖了集成电路设计、布线、验证和仿真等所有流程,是集成电路设计必需、也是最重要的软件工具,被称为“芯片之母”。EDA 软件按产品类型细分包括:计算机辅助工程(Computer Aided Engineering,CAE)、印刷电路板(Printed Circuit Board,PCB)和多芯片模块(Multichip Module,MCM)、集成电路设计和验证、半导体知识产权(Intellectual Property,IP)。IP 即半导体集成电路设计中那些可以重复使用的、具有知识产权的设计模块。集成电路设计公司无须对芯片每个细节进行设计,通过购买成熟可靠的 IP 方案,实现某个特定功能。这种类似搭积木的开发模式,缩短了芯片开发的时间,提高了芯片的可靠性。EDA 软件厂商通常都提供成熟的半导体 IP 设计方案。

 

EDA 软件的全球市场
目前,全球 EDA 工具的主要市场被三大巨头瓜分,Synopsys、Cadence、Mentor Graphics 三巨头拥有 EDA 工具大部分市场份额。三大 EDA 企业占全球市场的份额超过 60%,2018 年,Synopsys 全球市场份额领先,占比达到 32.10%;Cadence 次之,占比为 22.00%;Mentor Graphic 占比为 10.00%。这三大国外 EDA 厂商提供了 IC 设计行业最全面的 EDA 工具,覆盖了芯片设计的整个流程,支持当前最先进的芯片制造工艺,行业经验丰富,技术成熟,研发实力强大。三巨头已经开始探索将云计算、人工智能等技术引入 EDA 工具中。2018 年 5 月,Synopsys 公司推出了云端 IC Validator,作为云端芯片物理验证方案;2020 年 3 月,Synopsys 推出了 DSO.ai(设计空间优化 AI),这是业界第一个用于芯片设计的自主 AI 应用程序。

 

 

 

 

国产 EDA 软件的起步
在发展初期,巴黎统筹委员会对我国实施禁运,国外 EDA 软件无法进入中国,于是国内开始自主研发 EDA 软件,1991 年,第一版国产 EDA 软件——熊猫系统上市,并且一度闯入国际市场。但 1994 年,“巴统”解散,国外 EDA 公司迅速进入中国市场,由于当时我国半导体产业整体处于起步阶段,人才、资金和产业链的缺乏导致国内 EDA 公司在竞争中节节败退,市场份额大量流失,中国的 EDA 产业很快进入了低谷期。2008 年 4 月,国家“核高基”重大科技专项正式进入实施阶段,EDA 领域也迎来了新一轮的国家支持,经过行业整合,国内出现了华大九天、芯愿景、广立微、芯禾科技、概伦电子等一批优质企业,国产 EDA 再度迎来发展。2018 年,我国某些芯片设计企业被产业链上游断供,EDA 软件的重要性再次凸显。

 

国产 EDA 软件的困难

(1)国产 EDA 软件工具不够全面,尤其是在数字电路方面,Synopsys 与 Cadence 公司垄断了 SoC 设计主流程的 EDA 工具,在物理验证、综合方面,国产 EDA 软件技术与国际三巨头差距很大,国产 EDA 厂商还没有能力全面支撑产业发展。国际 EDA 三巨头积累了深厚的技术壁垒、专利壁垒,国产 EDA 软件总体上很难离开三大巨头公司的平台。

 

(2)第二,人才短缺,投入不足,没有足够的工程师来开发此类软件。在研发投入方面,半导体行业观察资料显示,本土 EDA 企业龙头华大九天,过去十年间所投研发资金也只有几亿元人民币,而 Synopsys 仅 2018 年的研发投入就约为 10.8 亿美元,Cadence 2018 年的研发投入约为 8.7 亿美元。

 

(3)EDA 软件转换成本极高,新的玩家进入市场非常困难。国内相关芯片设计人员早已熟悉国际三巨头的 EDA 工具,原有的大量产品设计、技术积累都是基于三巨头的 EDA 工具,难以承受 EDA 软件转换的成本,缺乏切换到国产 EDA 软件的动力。

 

(4)国产 EDA 工具缺乏与先进工艺的结合。芯片 EDA 软件的最大特点是它与芯片代工厂具有高度的绑定关系,设计芯片时需要芯片代工厂提供的数据包,称之为工艺设计套件(PDK)。PDK 是集成电路设计公司、芯片代工厂和 EDA 厂商的沟通桥梁,当开始一个新的半导体工艺时,需要预先开发一套 PDK,PDK 用代工厂的语言定义了一套反映代工厂工艺的文档资料,包含芯片的设计规则、模拟模型、单元规格、数据的文件。PDK 数据包更新频繁,通常会不断优化,并且对 EDA 软件有绑定及校验的作用,一般只支持当前最新版的 EDA 工具。国际 EDA 三巨头在新工艺开发阶段与世界领先的晶圆代工厂如台积电、三星电子均有全方位合作,对生产工艺有很深刻的理解,而国内 EDA 厂商只能在代工厂工艺开发完以后拿到部分数据,无法接触到先进工艺的核心部分,难以针对先进工艺设计改良 EDA 软件,造成与国际 EDA 三巨头的客观差距。

 

国产 EDA 软件的机遇

(1)国家意志的支持。随着国家加大对核心芯片国产化的政策、资金投入,半导体产业链自给率低的问题得到了整个社会舆论和资本的关注与重视,半导体产业链国产替代成为关系到国家安全的亟待解决的问题。EDA 软件作为芯片设计阶段最重要的工具,国产化需求自然会让国产 EDA 厂商有更多的机会。出于对供应商供货稳定性、安全性的考虑,国内芯片设计公司会更有动力拓展供货商来源,增加使用国产 EDA 软件的比例。2018 年 9 月,国家集成电路产业投资基金战略投资国内 EDA 软件龙头企业华大九天,从此 EDA 软件的发展进入国家队的统筹规划中。

 

(2)巨大的市场需求和增长潜力。2019 年,中国半导体市场规模为 1547 亿美元,占了全球市场份额的 33%,已经成为全球最大的半导体消费国,规模相当于美国、欧盟及日本的总和,其中芯片设计行业市场规模约为 440.7 亿美元,年复合增长率为 25.9%,市场规模暂居世界第二。我国芯片设计企业的数量自 2012 年以来逐年增加,逐步进入全球市场的主流竞争格局中,截至 2019 年年底,我国芯片设计企业达到 1780 家。在 2019 年全球前 50 家芯片设计企业中,我国企业占据了 10 个席位,并且培育出华为海思等达到国际先进水平的芯片设计巨头,巨大的产业规模为国产 EDA 软件的发展提供了足够大的市场。

 

(3)第三,我国芯片代工工艺的进步。随着我国芯片代工厂的发展,国产 EDA 厂商有了与芯片代工厂深度合作的可能。目前中芯国际已经能够量产 14nm 的芯片,同时 12nm、7nm 也在测试之中,离国际先进水平只差 1 至 2 代。国产 EDA 软件厂商与中国先进芯片代工厂商绑定,使在物理验证、综合等领域完善 EDA 软件成为可能。芯片设计公司、EDA 厂商和芯片代工厂合作进行 EDA 软件研发,制定国产 EDA 软件的开发规范,成立 EDA-IP- 代工厂联盟,带动 EDA 软件协同发展极有希望。

 

(4)云计算、人工智能等技术与 EDA 技术的融合为国产 EDA 技术后来居上提供可能。随着芯片设计的规模和复杂程度逐年增长,芯片设计需要处理大量计算,芯片验证是一项计算尤为密集的任务,云计算技术可以满足计算密集需求;同时,随着人工智能逐渐成为市场的主要驱动力,将人工智能引入 EDA 工具,可以帮助芯片设计达到更优化的目标,开发性能更高的终端产品。我国在云计算、人工智能等领域与国际先进技术差距不大,基于云计算、人工智能的 EDA 技术可将我国 EDA 企业与国际三巨头的技术差距大大缩小,我国企业有机会通过引入云计算、人工智能实现弯道超车。