EDA故事的起点


EDA故事的起点要从上世纪70年代说起,那时候芯片复杂度低,芯片设计人员可以通过手工操作完成电路图的输入、布局和布线。后来慢慢地开始有公司使用计算机辅助进行集成电路版图编辑、PCB布局布线,相继出现了许多二维CAD、三维系统分析与设计(SAD)软件。但是初代的EDA大都附属在机械CAD的供应商之下,比如当年大名鼎鼎的Applicon、CALMA和CV。时至今日,这些开创CAD的早期公司基本上都倒下了,因为他们的产品都有一个通病,那就是软件和硬件紧密绑定下的严重定制化和复杂移植。惨痛的教训让大家明白了EDA独立的重要性,依附关系并不能让自己得到真正的成长。


 
图源:Computer History Museum


与此同时,一款由加州大学伯克利分校Don Pederson团队研发的代码开源的仿真器——SPICE正在经历它关键的版本更新迭代(1998年,Don Pederson被授予了IEEE金奖,并收获SPICE之父头衔),以电路描述语言和关联矩阵电路表示、节点-基准电压解决方案、稀疏矩阵算法、Newton-Raphson迭代和隐式数值积分等算法为起点,不断向IC设计标准演进。就如戈登·摩尔在1965年4月提出的摩尔定律所述,“集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过18个月便会增加一倍。”随着IC复杂度的提升,该技术的使用者越来越多,到了70年代末,绝大部分半导体公司都已经用上了SPICE。


在这样的开源大环境下,惠普(Hewlett Packard)、IBM、GE、国半(National Semiconductor)、亚德诺(Analog Devices)、泰克(Tektronix)、德州仪器(Texas Instruments)等大公司纷纷开始组建自己的CAD部门,并招揽了DickDowell、Steve Hamm、Graham Boyle和Burt Epler等SPICE专家,协同Don Pederson团队进行程序的改编,以满足公司自身的具体需求。


in-house工具转向商用EDA工具


这样的in-house模式持续了几年,对于这些传统大厂来说,复杂的逻辑和物理设计、库和过程开发、封装包裹在一个大的研发团队中,是一种扼杀创新的封闭金字塔。此外,在硅谷风投兴盛的带动下,以ASIC为技术代表的半导体创业大潮逐渐兴起。这些初创和还处在中小型阶段的公司都面临一个问题,那就是在做产品前先要成立一个自己的工具团队,这是不小的压力。有需求就有市场,而嗅到商机的往往是最靠近需求的人。


 
图 | Mentor Graphics founders Tom Bruggere, Gerry Langeler, and Dave Moffenbeier,图源:semiwiki


1981年,一帮来自Tektronix的年轻人离开公司,创立了 Mentor Graphics,这就是今天的EDA三巨头之一,日后名声飞扬的XpediTIon、PADS、Mentor EE均诞生于此。1983年,Mentor Graphics发布了一款交互式模拟仿真软件 MSPICE,并开始拓展英国、法国、西德、日本等海外市场。


 
图 | Jim Solomon


同年,一位名叫Jim Solomon的IC设计师厌倦了枯燥无味的重复劳动,决定离开美国国家半导体公司(National Semiconductor),在硅谷风投和老东家国半以及其他三家业内IC公司的出资支持下,成立了SDA(Silicon Design Automation),并开创了合伙人制度。值得一提的是,这些下游用户投入了100万美元,提供最真实的需求和最快速的反馈,最终获取股权收益,与此同时,所有的几家VC投资加起来也不超过100万,不得不说这是一种高明的融资术。因此,当时的SDA一成立,就成为了硅谷IC公司追捧的对象。


 
图 | Aart de Geus(中)


1986年,今天的EDA霸主Synopsys登场(公司名字来源于综合优化系统的英文组合Synthesis optimization systems),创始人 Aart de Geus 博士的导师是加州大学伯克利分校 SPICE 模拟程序之父 Rohrer 教授,创始团队来自通用电气GE的微电子中心,融资来自于下游企业通用电气和哈里斯半导体公司。初期Synopsys完美地利用了在GE所兴起的逻辑综合技术(从前的芯片设计,工程师都是从底层的电路板设计开始,而有了抽象化的技术之后,设计师可以直接采用高级语言“设计电路板”,然后通过逻辑综合工具把抽象的设计自动转化成机器语言,形成由各种逻辑门组成的电路组合)。同时,在制度和管理层面,Synopsys整体延续了SDA所有的创新机制。不难想象,在ASIC逐渐繁荣的当口,这种抽象化工具很快就成为了产业界的标准,在壮大工程师群体的同时,推动了IC设计行业的大步向前。


正当EDA行业飞速发展,前景一片大好之时,华尔街股票市场刮起了股票暴跌的风潮,爆发了历史上最大的一次崩盘事件。道·琼斯指数一天之内重挫了508.32点,跌幅达22.6%,创下自1941年以来单日跌幅最高纪录。6.5小时之内,纽约股指损失5000亿美元,其价值相当于美国全年国民生产总值的1/8。


 
图 | 1987年的华尔街,图源:知乎


受股灾的影响,SDA计划中的IPO被搁浅。此时,由Glen Antle和Paul Huang创立的ECAD公司(一款叫Dracula的DRC检查工具诞生于此)稍显幸运,在10月19号的股灾之前已成功IPO,不过还是一定程度上收到了股灾的影响。这是SDA公司的高层做了一个决定——“借壳上市”,于是两家面临危机的EDA公司正式合并为一家公司,取名Cadence,由原SDA的COO Joe Costello出任首位CEO。


以上只是EDA行业巨头形成的一些缩影,据悉从80年代后期开始崛起的还有Daisy、Valid等。这些EDA公司开始大鱼吃小鱼,到了1988年,全球 EDA 市场总量约为 9 亿美元,而Mentor Graphics营收突破3亿美元大关,占比三分之一,超过IBM、麦道软件等公司,成为当时最赚钱的设计自动化公司。同年,Mentor Graphics以500万美元兼并了Tektronix公司的CAE业务。1989年,Mentor 的业务继续高歌猛进,公司决定发布里程碑版本 Mentor Graphics 8.0,其功能规划远超当时市面上的其它软件,以期望用户使用这一款软件就能解决几乎所有电子电路研发工作者的难题。在这个计划下,50 多个研发项目齐头并进、相互交织,但最终还是因为项目太复杂而延误了发布时间,同时这个版本的开放性不够好,与市面上其它的软件很难兼容。就在客户等待新版本发布过程中(1991年,历史上第一次营收下跌,随后裁员 15% 近500 人),Mentor Graphics的竞争对手Cadence的产品凭借着硬件环境适应力强、能设计复杂芯片等优势占得市场先机,到了1992 年,Cadence逆袭成为当时EDA行业的老大,布局布线市占比达八成以上。


国内襁褓中的IC产业,EDA进入中国市场


按照时间线,我需要来介绍一下EDA在中国的发展,众所周知,建国后受到巴统(巴黎统筹委员会)对中国实施禁运的影响,EDA软件的核心技术一直无法进入中国。


在这样的背景下,1986年,法国同意帮中国建立集成电路设计中心,并赠送一套ICCAD(集成电路自动化设计)系统。但是由于政府的更迭,这一计划被搁浅,于是国务院决定自主攻关拿下ICCAD系统这个堡垒,这一任务交到了刚成立不久的北京集成电路设计中心,由来自硅谷的华人CAD专家连永君来带头,组建三级系统(当时的ICCAD系统叫法)开发小组,地点位于712厂的一个五层楼中。


 
图 | 来自硅谷的华人CAD专家连永君(右)


1991年,三级系统的研制初显成效,通过了国家验收(核心部分由28个设计工具组成,共180万行代码),史称“熊猫系统”。为何要将三级系统重命名为熊猫系统呢?据悉,因为攻关人员长期熬夜加班,黑眼圈都很重,很像国宝熊猫,于是经上级同意,由此得名。


90年代初期,以无锡华晶、绍兴华越、上海贝岭、上海飞利浦、北京首钢日电为代表的的中国半导体步入萌芽阶段。同时,随着前苏联1991年解体,“巴统”影响逐渐减小,于是1992年Cadence成为首家进入中国市场的EDA供应商,次年另外两家EDA厂家Synopsys和Mentor Graphics也悄悄进入中国(也有另一种说法,Mentor Graphics早在1989年就进入了中国市场,但是主要以PCB板级设计为主)。


中国侧,在熊猫系统诞生后,我国引进了大量的工艺制造线,但是设计业一直跟不上,于是呈现了一波“无米之炊”的景象。再加上受 1994 年“巴统”正式解散的影响,美国解除了对中国EDA 软件的封锁,于是国内发起了“造不如买、买不如租”的“新思潮”,熊猫系统的推广大大受阻。至少到2008年4月这段时间内,中国的EDA产业是不进则退的。


EDA进入系统设计阶段


我们再回到EDA国际主流市场,上世纪90年代,随着硬件语言的标准化和集成电路设计方法的不断发展,EDA市场上出现了设计方法的各种流派,比如全定制设计、半定制设计,ASIC设计、标准单元库、门阵列、可编程逻辑阵列等。


 
图源:亿欧


在摩尔定律的大框架下,半导体开始走入(超)大规模集成电路(VLSI)时代,电路设计开始转向系统设计。与此同时,半导体产业的分工模式进一步细化,逐步由IDM(Integrated Device Manufacturer,集约化制造商)主导的半导体产业生态,向Fabless(无工厂仅设计)+Foundry(代工厂)+OSAT(Out Sourced Assembly and Testing,封测代工厂)的产业格局演进,开始形成IC设计、IC制造和IC封装三大核心板块。


EDA行业作为促成这一转变的助力促成者,也演绎着本身的变迁历史,从系统行为级描述到系统综合、系统仿真与系统测试,真正实现了系统设计自动化的正向设计方法。以Cadence为例,1991年它收购了一家以Composer模拟版图提取工具而闻名的EDA公司Valid(Composer曾广泛应用于门阵列设计和PCB设计之中),从此Cadence将一只脚伸到了系统级。值得一提的是,目前在PCB领域的绝对霸主Allegro,就源自Valid。


1993年开始,Mentor Graphics与Cadence的竞争越发激烈,相互翻盘对方的客户。不过,Mentor Graphics作为老牌霸主,根基还是不错,从1994年开始到2007年这十年间又返回稳定发展阶段,长期占据EDA市场的头部位置。


此外,Synopsys在这些年间也没闲着,据悉在 1990 年到 1999 年这十年间,在Aart de Geus的 领导下,Synopsys共进行了 20 次收购。比如,1990年,收购了 Zycad 公司的 VHDL 仿真业务,并推出了测试综合产品;1995 年收购了 Silicon Architects;推进下一代门阵列技术的开发;1997 年收购了聚焦深亚微米分析的 Epic Design Technology 和开发高级仿真产品的 Viewlogic Systems。在整合逻辑综合、模拟和测试三大技术产品线的情况下,1999 年Synopsys收入跨过8 亿美元大关。


而进入21世纪后,我们不得不提到一次颠覆EDA市场头部排位的收购,那就是2002 年Synopsys以 8.3 亿美元收购与 Cadence 结束专利诉讼的 Avant,直接晋升至EDA老二的地位。要知道Avant可是与Cadence正面竞争的一匹黑马(关于Avant和徐建国的故事,有兴趣的可以去网上搜一下,很是戏剧性,有人说Synopsys是鹤蚌相争下的渔翁得利)。收购Avant后的Synopsys将Astro 工具和Physical Compile整合,形成了能够并行执行物理综合、时钟树综合、布局、布线、良品率优化和校正等功能的强大 IC Compiler,直接衔接了 Synopsys 前端和后端工具,这对于90nm 以下IC设计中的时序、功耗、面积、信号完整性和良品率优化有着举足轻重的作用。


不过,在1999年到2002年间,在Ray Bingham执掌Cadence时代,同样也经历了三次重要的收购:2001年收购Silicon Perspective,将IC布局工具First Encounter和SI分析工具CadMos收入囊中,为下一代布局布线做技术储备;2002年收购Simplex,补足Cadence在寄生参数提取和分析方面的能力;同年收购IBM硬件仿真业务,真正占领硬件仿真高地。


总之,当EDA进入系统设计阶段,头部企业一直在演绎着大鱼吃小鱼的戏码。


好了,由于篇幅的问题,笔者决定将《EDA产业的变迁》分为上下两篇来呈现,今天先讲到这里,下篇中我们将就2008年全球金融危机对EDA产业的冲击,在摩尔定律走向消亡的十字路口EDA产业的选择,以及中国EDA能否逃出“长不大的小鱼”魔咒?等问题跟大家一起分享与讨论。