美国断供EDA，国内可有替代？

8 月 15 日，美国又有一项针对中国的新出口管制生效，其中包括对具有GAAFET（环绕栅极场效应晶体管）结构的集成电路所必需的 EDA/ECAD 软件。作为“芯片之母”，这是个什么技术？国产 EDA 发展到什么程度了？

付斌丨作者，果壳硬科技丨策划

 

在淘金热潮中，谁能稳赚不赔？不是淘金者，而是卖水人；在火热的芯片投资热潮中，也少不了这样的“卖水人”——EDA 厂商。

 

EDA 赛道热闹异常，先是合见工软获得 11 亿元人民币的 Pre-A 轮融资，后是华大九天登陆创业板，首日收盘暴涨 129.43%。做 EDA 凭什么能拿到这么多钱？

 

在本文中，你将了解到：EDA 的作用和特征，EDA 发展历史，EDA 技术和应用的变革，国产 EDA 及背后的思考。

 

01

没有 EDA，就没有芯片

 

EDA（Electronic Design Automation，电子设计自动化），是利用计算机辅助完成集成电路芯片的设计、制造、封测的大型工业工具。它是最基础、最上游的领域，贯穿了集成电路产业链的每个环节。

 

简单地说，EDA 就是芯片设计师的画笔和画板，就像操作文档要用 Word，制作图片要用 Photoshop 一样，它能高效设计、控制及管理数十亿电路元件在一颗芯片里协同工作。

 

EDA 算法密集，融合了图形学、计算数学、微电子学、拓扑逻辑学、材料学及人工智能等多学科的算法技术，必须经过长时间技术积累和持续大规模研发投入，才能满足新工艺的应用需求。

EDA 支撑着集成电路设计和制造流程、关键环节

 

EDA 工具包括硬件和软件两部分。软件是工具的核心，分为仿真工具、设计工具、验证工具三种类型；硬件是用来加速仿真、验证速度的服务器和专用工具。EDA 软件工具的三种类型

设计工具、仿真工具、验证工具在芯片设计流程中位置

 

EDA 非常重要，倘若它出现问题，产业下游的集成电路、电子信息和数字经济都会崩溃。没有 EDA，就不可能设计和制造当今的芯片。

 

芯片设计过程极为复杂，要求设计精细度很高，稍有偏差就会导致芯片报废，项目崩盘；同时，从 90nm、65nm 进化到 3nm/2nm，制造成本攀升，所需设计步骤也越来越多，设计也越来越困难。

 

EDA 能发挥计算机辅助设计（TCAD）、面向制造的设计 （DFM）、硅生命周期管理 （SLM）三大关键功用，保证最终产品的良率和性能。

 

一方面，EDA 将复杂的芯片设计流程拆分成高级综合、逻辑综合、原理图布局等若干步骤，并配备丰富的工具组件库和可复用的参考架构；另一方面，EDA 能利用仿真、验证等工具在芯片生产前纠正错误。

EDA 拥有三个关键功用

 

EDA 还与另一个细分市场密切挂钩——半导体知识产权（半导体 IP 核）。所谓 IP 核，就是半成品芯片，提供不同复杂度的预设计电路，分为软核、硬核、固核三类。

 

鉴于 IP 核的使用和重复使用都依赖 EDA 工具，同时 EDA 和 IP 核还可以捆绑销售，通常业界将两者视为一个市场。

 

虽然 EDA 巨头都拥有自己的 IP 核产品，但随着市场扩大及 IP 供应商增加，现在的趋势是将 EDA 和 IP 核独立出来。

三种类型 IP 核

 

EDA 是跟着集成电路变迁的。经历了 CAD/CAM（计算机辅助设计/计算机辅助制造）、CAE（计算机辅助工程）、ESDA（电子系统设计自动化）到EDA（电子设计自动化）四个阶段，阶段转换本质上是芯片描述抽象层级的变化，精度依次提升。

 

复盘 EDA 市场发展行径，与晶圆代工、数字芯片等发展历史非常类似，都是从玩家稀少到百花齐放，再到优胜劣汰，并购为仅剩 1~2 家、至多 3~4 家超大集合体的局面。

 

1964 年~1978 年，芯片晶体管密度低，集成度低，企业入局率低， Applicon、Calma 和 Computervision 三家公司主导当时的 CAD/CAM 市场。

 

1979 年~1992 年，CAE 成为新贵，相关企业参与率突然急剧上升，转折点在于 ASIC（商用专用集成电路）的出现，让设计团队可以接触到以前为大型系统 OEM 预留的定制芯片，Daisy Systems、Mentor Graphics 和 Valid Logic 三家公司主导当时的 CAE 市场。

 

90 年代初，技术一路发展，高级语言描述开始应用，ESDA 当道，并开启了行业并购，Synopsys（新思科技）、Cadence（官方译名楷登电子）、Mentor（现为 Siemens EDA）成为新三巨头。

 

2009 年~2014 年，巨头以外的 EDA 相关专利申请逐渐减少，市场垄断态势初现，小公司被收购，大公司在竞逐中被淘汰。

 

之后的几年至今，EDA 行业继续整合，新思科技、楷登电子、西门子 EDA 收购许多小型初创公司，包括 Forte、Jasper、Springsoft、EVE、Nimbic 等，国内 EDA 融资潮起，一些老牌国产品牌开始挤进第二梯队。

EDA 发展阶段及特征

 

02

EDA 不是好做的生意

 

EDA 企业怎么赚钱？一般采取授权（License）的模式，即向客户销售指定版本的软件，并收取合同约定期间的授权费。

 

授权又分为固定期限授权和永久授权两种形式，可以简单理解为 Office 365 和 Office 2021 的关系。

 

对换代要求低的客户大多数选择永久授权，对换代要求较高的客户选择固定期限授权。

 

固定期限通常为 1~3 年，也可以选择在固定期内多次授权，相当于分期付款。

 

固定授权是国际更为通行的模式，国际先进大厂均采用此形式，2021 年，全行业固定期限内一次授权方式营收占比达 55%。

 

这是因为芯片迭代迅速，要面对的物理现象、应用和工艺越来越复杂，这种方式能够获得 EDA 厂商对工具的实时更新、缺陷修复、技术支持及性能方面升级等。

2019 年~2021 年公司 EDA 软件销售不同授权模式营收占比

 

EDA 行业具有明显的可持续增长空间。2020 年全球 EDA 市场营收 115.7 亿美元，2026 年全球 EDA 市场营收 213.6 亿美元，年复合增长率 10.9%。

倒金字塔产业链结构

但 EDA 也绝对不是一门好做的生意。如今，整个市场分为三级竞争梯队，国产最高只做到第二梯队，且份额太小，根据 SIA（美国半导体协会）数据，国内 EDA/IP 占全球市场仅 1%。

 

第一梯队由新思科技、楷登电子、西门子 EDA 三家企业组成，处于绝对领先地位，占据全球 78% 的市场份额，在中国市场三巨头拥有超过 95% 的软件销量，拥有全流程 EDA 产品，业务遍布全球，科研实力雄厚。

 

第二梯队以美国 ANSYS 公司、Silvaco、Aldec、华大九天等为代表，拥有特定领域全流程产品，在局部领域技术较为领先。

 

第三梯队以 Altium、概念工程集团（Concept Engineering）、概伦电子、Down Stream Technologies 等为代表，这些企业主要布局点工具，缺少 EDA 特定领域全流程产品。

全球 EDA 行业简要格局

 

谁处于绝对领先地位，市场规则就由谁制定。但实际上，新思科技、楷登电子、西门子 EDA 三家公司在市场上的竞争也极为激烈，虽然三家公司整体运营思路相同，但策略也不尽相同。

 

新思科技在营收、业务等方面无疑是规模最大的 EDA 相关企业，但单从 EDA 产品线来看，楷登电子与新思科技持平，甚至在往年更胜新思科技一筹。

 

从战略上来看，新思科技强化软件集成型产品发展，通过频繁并购平均发展旗下各产品线的产品实力。楷登电子实力底蕴扎实，并购动作相对较少也能保持 EDA 营收稳定增长。

EDA 三巨头基本情况对比

 

国内 EDA 发展曲折缓慢，直到 2008 年后才开始崛起：
早在 1981 年~1985 年，国内便陆续开发 ICCAD 一级系统和二级系统
1993 年，熊猫系统问世；但之后 15 年里，受“造不如买，买不如租”观念影响，国内 EDA 被拉开差距，彼时正值新思科技、楷登电子、西门子 EDA 上升期
2008 年，EDA 重新成为重点，华大集团将 EDA 部门独立出来，名为华大九天
2010 年，概伦电子成立
2021 年 12 月，概伦电子科创板上市
2022 年 7 月，华大九天创业板上市

国内 EDA 二级市场情况不完全统计

 

在国产替代风潮下，近两年 EDA 一级市场非常活跃，融资金额一度达到 11 亿元人民币。

近两年内国内 EDA 一级市场情况不完全统计

 

仍然需要指出的是，国产 EDA 以点工具为主，工具链不完整，三巨头则覆盖了产业链的各个方面。

另外，国产 EDA 目前尚不能满足尖端制程的要求，由于 EDA 处在最上游位置，因此 EDA 必须比芯片的工艺更先进。

国内外 EDA 支持工具链对比

 

国内外企业 EDA 产品支持制程对比

 

03

夹缝求生，还能怎么走

 

在高度垄断之下，国产 EDA 究竟有哪些还能走的路？有如下几点：

 

①投入打在关键点上

 

EDA 需要的投入金额惊人。新思科技和楷登电子十年来净利率大多数年份不超过 15%，但却从未因公司经营状况不加而降低研发投入强度，研发占比全部高于 30%，甚至部分时间研发占比超过 40%。对于较小的 EDA 公司，这个数字可能会更高。

 

高额投入意味着三家巨头竖起了专利高墙，专利围城导致国产处境极为尴尬。近两年，所有半导体公司都开始建立一系列自己的知识产权，希望与竞争对手保持安全距离，国产也需要自己的专利。

通过统计三巨头在 EDA 关键技术专利数量和分布情况来看，发展程度、重点和专长上没有太大差异，但研究基本集中在“验证”“仿真”“布线”三个主题上，“时序分析”和“综合”两个部分研究还不多，这意味着“时序分析”“综合”是能拉开技术差距的部分。

 

另外，“验证”占芯片设计总成本 70% 以上，是国产 EDA 正在突破的领域。

 

 

三大巨头关键技术专利数量和分布情况

②发展 Chiplet 是关键点

 

传统芯片是将所有器件放在单一裸晶（Die）上，功能越多芯片尺寸越大，Chiplet（小芯片）是将大尺寸多核心分散到多个微小裸芯片上，如不同类型的处理器、模拟组件、存储器等，再用 3D 立体堆栈的方式，像搭积木一样组合在一起。

 

Chiplet 有多重要？AMD、英特尔、英伟达等头部 IC 设计企业都推出过基于 Chiplet 技术的产品，苹果也准备在下一代高端处理器中采用 Chiplet 技术。

 

为了让 Chiplet 更好发展，Arm、AMD、Meta、英特尔、谷歌云、微软、高通、三星、日月光和台积电还发起了 UCIe 产业联盟。

 

实现 Chiplet，EDA 是关键。目前来说，Chiplet 的最大问题是如何将部件组合在一起，谁来将这些部件组合在一起，国产 EDA 可就这些问题进行研究。

③做更好用的 EDA 工具

 

以软件为核心的 EDA，好用，让更多人能用才是王道。

 

近年来，随着芯片设计基础数据量和系统运算能力上升，AI（人工智能）和云技术开始深入 EDA。这种模式也逐渐被行业认可，用户的使用习惯也随之改变。

 

另外，传统 SoC 设计需要在 RTL 级别下使用硬件描述语言进行逻辑、验证，后来 EDA 逐渐开始支持 C/C++/SystemC，学习晦涩难懂的语言不再是硬性要求。

 

这种变化得益于设计方法学的进化，最终目的在于提升设计效率、确保设计正确性、提升芯片生产良率、加速设计流程，国产 EDA 也应当遵循这种模式进行发展。

EDA 工具在设计方法学层面的发展方向

④开源化增强 EDA 领域研究

 

近几年，开源风潮盛行，诞生了开放的硅知识产权生态系统。开源 EDA 工具能快速引导国产 EDA 找到方向，同时还能为科学发展创造了全新生态系统。

 

开源 EDA 有五大可行性：
其一，能够快速识别最新基准测试结果，从而可以快速确定新的 EDA 解决方案，推动技术发展
其二，开源工具能够加速 EDA 研究，可以在现有开源工具和组件的基础上以更快的速度实现迭代，降低进入门槛
其三，由于 EDA 改进可能会被下游工具所掩盖，完整开源的 EDA 工具能够确保改进坚持到最后
其四，具有标准 I/O 格式交换的开源工具，能够在开源工具和闭源工业间形成健康的生态系统，加快学术界和工业界知识传播
其五，开发者社区能够发现更多后门或漏洞，能够带来更值得信赖的设计过程

⑤各种力量应该拧成一股绳

EDA 贯穿芯片整个产业链，各个工具也环环相扣。三巨头均不同程度地采取收购整合方式，实现全流程工具的覆盖。

 

国内目前仅有华大九天一家公司实现部分设计全流程方案，整体市场仍然呈现碎片化、地理化分散。

EDA 工具的两种突破方案对比

 

推进整合并非易事，何况国产 EDA 仍处在初期，不具备大规模并购条件。因此，国内可采取更为特色化的整合形式，通过行业龙头牵动行业合作，加之政府扶持，因势利导，形成合理的互惠模式。

 

具体拥有三种销售形式：
捆绑销售：采取多个公司点工具的捆绑式销售，并让工具之间产生关联
定制开发合作：大型 EDA 厂商向小型厂商定制开发，后者完成开发后，双方共享产权和技术，实现合作共赢
产业孵化：先发展起来的 EDA 厂商为有技术基础的初创企业导入业界资源

 

另外，人才和团队、技术和产品、市场和生态、资金与政策、法律与规范、软件与硬件六大因素对 EDA 来说缺一不可，但现今 EDA 领域人才短缺，技术覆盖不全面，生态建设不完整。

 

这背后需要政府主导、资本市场助力，发挥了产学研集成效应，带动集成电路发展。

 

当国内力量都拧成一股绳时，继而可构建自主的标准化。现如今，EDA 所设领域广泛，体系和功能繁杂，标准化工作涉及的范围也很广，国内可进一步推进自己的标准化工作。

 

当各种资源整合在一起，占领市场必然会水到渠成。
 

 

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