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3月28日，華為官方賬號在心聲社區(qū)上傳了一份總裁辦簽發(fā)的電子郵件，內(nèi)容是華為輪值董事長徐直軍在內(nèi)部硬、軟件工具誓師大會(huì)上的講話全文。 在這場誓師大會(huì)上，最惹人矚目的，或許就是華為宣布芯片設(shè)計(jì)EDA工具團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合國內(nèi)EDA企業(yè)，基本實(shí)現(xiàn)了14nm以上EDA工具的國產(chǎn)化，2023年將完成對其的全面驗(yàn)證。 EDA全稱Electronic Design Automation，意為電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化，是用于輔助完成超大規(guī)模集成電路芯片設(shè)計(jì)、制造、封裝、測試整個(gè)流程的計(jì)算機(jī)軟件，控制著整個(gè)芯片產(chǎn)業(yè)中游的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)環(huán)節(jié)，被稱為芯片之母。
華為在被美國列入實(shí)體清單后，被三大海外EDA巨頭斷供，此后就一直試圖聯(lián)合國內(nèi)相關(guān)廠商，共同推動(dòng)EDA的國產(chǎn)化。此次雖然并沒有公布相關(guān)合作伙伴，但國內(nèi)做EDA軟件配套的廠商，比如已經(jīng)在A股上市的華大九天、概倫電子、廣立微，以及沒上市的芯華章等，都隨著這一消息進(jìn)入了普通人的視線。
從被“巴黎統(tǒng)籌委員會(huì)”全面實(shí)施EDA軟件技術(shù)禁運(yùn)；到花費(fèi)數(shù)年研發(fā)了自主國產(chǎn)的“熊貓系統(tǒng)”。從熊貓系統(tǒng)在商業(yè)競爭中被“免費(fèi)”和“盜版”坑了個(gè)底掉，隨著整個(gè)中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)陷入長達(dá)15年的沉寂；到中美科技競爭將芯片產(chǎn)業(yè)和EDA再次推上輿論的風(fēng)口浪尖，華為等廠商開始集中力量攻關(guān)突圍…… 我們尚不能得知華為合縱連橫所構(gòu)建的14nm以下國產(chǎn)EDA軟件生態(tài)，究竟競爭力如何。但可以確定的是，中國EDA產(chǎn)業(yè)無疑正在進(jìn)入新的篇章。在今天這個(gè)轉(zhuǎn)折與突破的節(jié)點(diǎn)上，我們復(fù)盤了中國EDA產(chǎn)業(yè)國產(chǎn)替代中所遇到的種種困境。 ?
01?免費(fèi)是最貴的學(xué)費(fèi)
1994年2月的某一天，北京人民大會(huì)堂的主席臺(tái)，被掛上了一條紅色的標(biāo)語：Cadence Come to China。
這是全球市占率第二的EDA巨頭Cadence正式宣布進(jìn)軍中國市場，成立北京辦事處的發(fā)布會(huì)現(xiàn)場。在一個(gè)中國乃至世界各國都在全面擁抱和邁入全球化的時(shí)間節(jié)點(diǎn)上，那一天的一切都顯得那么昂揚(yáng)向上而又充滿希望。 直到許多年后，人們驀然回望，才會(huì)恍然察覺到，那個(gè)春天在漫長的中國EDA產(chǎn)業(yè)競爭史里，成為了中國自主EDA系統(tǒng)被拉開差距，以至于逐漸從有到無的戲劇性節(jié)點(diǎn)。 和大眾印象不一樣，中國EDA產(chǎn)業(yè)的起步其實(shí)非常早，可以說黃金期幾乎是和海外同步的，差不多集中在20世紀(jì)70年代末到90年代初。 在那之前，集成電路的設(shè)計(jì)是用手工做的，因?yàn)榫湍敲葱?a target="_blank">晶體管，完全可以用手一個(gè)一個(gè)畫出來。但到了70年代末，隨著制程的不斷進(jìn)步，一塊板子上動(dòng)輒就是幾百個(gè)器件或單元，其設(shè)計(jì)和驗(yàn)證很快就非人力所及，EDA以“芯片之母”的姿態(tài)開始登上歷史的舞臺(tái)。 今天包辦全球EDA產(chǎn)業(yè)市占率約80%的三大巨頭，就分別建立于1981年（Mentor Graphics，后被西門子收購更名），1986年（Synopsys），1988年（Cadence）。中國自主研發(fā)的熊貓系統(tǒng)，也同樣立項(xiàng)于這個(gè)階段。
圖片來源：華福證券 那個(gè)階段的中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，處在一個(gè)今天看上去多少有點(diǎn)熟悉的境地。硬件方面的技術(shù)落后，試圖通過引進(jìn)海外產(chǎn)線學(xué)習(xí)生產(chǎn)制造；軟件方面被“巴黎統(tǒng)籌委員會(huì)”實(shí)施技術(shù)禁運(yùn)，被EDA狠狠地卡了脖子，只能選擇自主研發(fā)。 1986年國家正式啟動(dòng)了EDA的國產(chǎn)化工程，從全國 17 家單位調(diào)來了117學(xué)者和技術(shù)人員，聘請之前在美國專門從事EDA行業(yè)的連永軍博士作為總設(shè)計(jì)師，還把時(shí)任四機(jī)部（就是后來的電子工業(yè)部）微電子局的負(fù)責(zé)人王陽元院士派去做了項(xiàng)目總負(fù)責(zé)人。 攻關(guān)人員集中712廠一個(gè)五層樓里，樓下是宿舍，樓上是辦公室，王陽元經(jīng)常給大家鼓勁：“兩彈一星就是這么造出來的，項(xiàng)目做好以后，給你們每個(gè)人發(fā)個(gè)大大的紀(jì)念牌?！?/p>
四年后，系統(tǒng)通過了國家驗(yàn)收，被命名為“熊貓系統(tǒng)”。后來很多人將這個(gè)名字解釋為“珍貴且稀有”。但在開發(fā)組里流傳最廣的說法，是攻關(guān)人員長期熬夜加班，黑眼圈都很重，才有了把三級系統(tǒng)改名叫“熊貓系統(tǒng)”的調(diào)侃和建議，沒想到最后上級領(lǐng)導(dǎo)也批準(zhǔn)了。 1993年，熊貓系統(tǒng)正式進(jìn)入EDA市場。而1994年，巴統(tǒng)解散，相關(guān)技術(shù)禁運(yùn)也不再生效。 你很難斷言這究竟是不是歷史的巧合，但此后國際巨頭們選擇的競爭策略，以及1996年瓦森納協(xié)定繼承巴統(tǒng)禁運(yùn)清單后，卻再也沒有將EDA軟件列入禁運(yùn)名單的做法，卻從另一個(gè)側(cè)面證實(shí)了“熊貓系統(tǒng)”的市場競爭力。
中國第一個(gè)自研EDA“熊貓ICCAD系統(tǒng)”；圖片來源：華西證券 在商業(yè)上，國際巨頭們祭出的是一套組合拳，其核心簡而言之就是兩個(gè)字：免費(fèi)。 一是在全鏈條上，對某幾個(gè)環(huán)節(jié)的單個(gè)工具進(jìn)行免費(fèi)。 熊貓系統(tǒng)雖然具備了開發(fā)大規(guī)模集成電路的能力，但并沒有實(shí)現(xiàn)整個(gè)開發(fā)流程的全覆蓋。因此當(dāng)時(shí)的國際巨頭們，專門針對熊貓系統(tǒng)的強(qiáng)勢環(huán)節(jié)提供免費(fèi)工具，同時(shí)又在熊貓覆蓋不到，或相對較薄弱的其他環(huán)節(jié)提高收費(fèi)，來定向狙擊當(dāng)時(shí)國內(nèi)的EDA軟件企業(yè)。 二是在前序?qū)W術(shù)機(jī)構(gòu)的覆蓋上，進(jìn)行無償捐贈(zèng)，提出共建實(shí)驗(yàn)室，來從高校開始培養(yǎng)整個(gè)行業(yè)的使用習(xí)慣，占領(lǐng)用戶心智。 這個(gè)策略最典型的例子來自Synopsys，這家公司還沒設(shè)立北京辦事處之前，就先向清華大學(xué)捐贈(zèng)了20套Design Compiler軟件，按照當(dāng)時(shí)的市價(jià)，這些軟件的總價(jià)值超過500萬美元。此后公司還跟清華成立了相關(guān)電子設(shè)計(jì)中心。 從客觀上講，這些企業(yè)的進(jìn)駐，的確幫助中國EDA產(chǎn)業(yè)培養(yǎng)了許多人才。但從商業(yè)上來說，他們的目的毫無疑問是滲透進(jìn)入產(chǎn)業(yè)人才供給鏈的上游，從源頭把控未來市場競爭的格局。 熊貓系統(tǒng)在多重夾擊下，被迫離開內(nèi)地市場，轉(zhuǎn)向中國香港、中國臺(tái)灣，甚至一度遠(yuǎn)走美國。中國EDA產(chǎn)業(yè)在市場競爭中學(xué)到的第一課，就是“免費(fèi)才是最貴的”。 但真正讓中國EDA國產(chǎn)化陷入徹底沉寂，至今無法翻身的，卻不僅僅是商業(yè)層面的打壓。 ?
02?EDA到底難在哪
一直以來，我在聊起中國在軟件領(lǐng)域被卡脖子的故事時(shí)，總會(huì)看到一種論調(diào)：軟件根本沒什么難度，這都能被卡脖子，一定是因?yàn)椴恢匾暋?但事實(shí)是，中國工業(yè)軟件的配套跟不上發(fā)展，根源基本都在于高端制造業(yè)不夠成熟，而非軟件開發(fā)層面不夠成熟。 EDA就是其中最典型的案例。這個(gè)行業(yè)最初的大規(guī)模商業(yè)化，可以追溯到晶圓代工廠的崛起，那之后半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的設(shè)計(jì)與制造逐漸相互獨(dú)立，EDA軟件作為其中的橋梁，和另外二者構(gòu)成了一個(gè)相當(dāng)穩(wěn)定的鐵三角。
圖片來源：申港證券 這是EDA軟件競爭中的第一層壁壘：頭部EDA合作頭部Fabless和頭部Foundry，形成了極其穩(wěn)定的生態(tài)聯(lián)盟。 最先進(jìn)的晶圓代工廠提供最先進(jìn)的PDK，其中包括了設(shè)計(jì)規(guī)則文件、電學(xué)規(guī)則文件、版圖層次定義文件、SPICE仿真模型、器件版圖和器件定制參數(shù)等等。這些參數(shù)都是相當(dāng)重要的制造工藝參數(shù)。 而最先進(jìn)的頭部EDA廠商，則會(huì)在各大頭部設(shè)計(jì)公司的幫助下，提供最先進(jìn)全面的IP工具包，提供各類預(yù)設(shè)計(jì)電路，大幅提升各類復(fù)雜芯片的設(shè)計(jì)效率。 頭部廠商們在過去三十年里積累了大量的合作經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)IP，形成了極其穩(wěn)定，且聯(lián)系相當(dāng)密切的生態(tài)聯(lián)盟。Cadence和Synopsys這些廠商有大量工具包，幾乎是每周都在根據(jù)代工廠實(shí)時(shí)反饋的數(shù)據(jù)而進(jìn)行更新的，甚至比你的手機(jī)App更新得都勤快。
EDA有極強(qiáng)的杠桿效應(yīng)，是數(shù)字經(jīng)濟(jì)的基石，處于整個(gè)芯片行業(yè)的價(jià)值鏈上游 圖片來源：華福證券研究所 EDA軟件競爭中的第二個(gè)壁壘，是全流程協(xié)作。 按照設(shè)計(jì)對象的不同，可將EDA工具分為模擬設(shè)計(jì)類、數(shù)字設(shè)計(jì)類、晶圓制造類、封裝類、系統(tǒng)類五大類，它覆蓋了芯片產(chǎn)業(yè)從設(shè)計(jì)到制造的全部流程。 舉個(gè)例子，就連在***的領(lǐng)域，Synopsys都為阿斯麥開發(fā)了專用的鏡頭校準(zhǔn)軟件，來幫助光刻的過程能夠更加精準(zhǔn)無誤。EDA廠商們不僅支持下游的晶圓廠進(jìn)行制造，甚至也在支持上游的設(shè)備廠商，這在別的領(lǐng)域是相當(dāng)少見的。 如果把EDA企業(yè)分為三個(gè)梯隊(duì)，第一梯隊(duì)的三巨頭，最大特點(diǎn)就是產(chǎn)品可以完整覆蓋芯片產(chǎn)業(yè)的所有環(huán)節(jié)，同時(shí)還在某些點(diǎn)工具上具有極強(qiáng)的競爭力。
EDA 全球產(chǎn)業(yè)格局；圖片來源：中信證券 三大巨頭們通過和晶圓廠長期密切的合作，以及完整的全鏈條覆蓋，沉淀下來了天量級別的制造數(shù)據(jù)，構(gòu)建起了強(qiáng)大的仿真能力，能夠極大地提高設(shè)計(jì)效率、降低設(shè)計(jì)和制造成本。 舉個(gè)例子，芯片設(shè)計(jì)完是要流片的，而流片的成本相當(dāng)高昂，制程越先進(jìn)，芯片結(jié)構(gòu)就越復(fù)雜，流片就要付出越多的真金白銀。因此所有廠商都希望能夠一次就流片成功，否則就有巨額資金要打水漂。這就要求EDA最好能在軟件端通過算法完成對現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)情況的精準(zhǔn)模擬，來幫助芯片廠商降低實(shí)際流片環(huán)節(jié)的次數(shù)和成本。 根據(jù)加州大學(xué)圣迭戈分校Andrew Kahng教授在測算，如果不考慮1993年至2009年的EDA技術(shù)進(jìn)步，在2011年左右設(shè)計(jì)一款消費(fèi)級應(yīng)用處理器芯片高達(dá)77億美元，而真正在2011年設(shè)計(jì)一款類似芯片的成本，其實(shí)只需要大約4000萬美元。這意味著EDA技術(shù)的進(jìn)步，讓設(shè)計(jì)效率提升了近200倍，成本得到了極大的優(yōu)化。
簡而言之，EDA表面上只是一套芯片設(shè)計(jì)工具，但事實(shí)上沉淀了整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中幾乎所有的核心技術(shù)問題，以及相應(yīng)的解決方案。一個(gè)好的EDA軟件，給芯片產(chǎn)業(yè)帶來的將是巨大的成本和效率提升。 但反過來，如果整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)都還不夠先進(jìn)發(fā)達(dá)，EDA廠商想要單從軟件層面突破巨頭之間的生態(tài)聯(lián)盟，也是一種空中樓閣式的愿景。 ?
03?剛剛開始的征程
華為在3月底宣布基本實(shí)現(xiàn)了14nm以上EDA工具的國產(chǎn)化，是一個(gè)相當(dāng)振奮人心的消息。但要說局面已經(jīng)徹底樂觀了起來，顯然是不客觀的。 因?yàn)?4nm是中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)目前真正的分水嶺，在14nm以上的成熟制程，我們已經(jīng)有了相對完整和已經(jīng)逐漸成熟起來的配套產(chǎn)業(yè)鏈和供應(yīng)鏈。聯(lián)合產(chǎn)業(yè)鏈上各個(gè)環(huán)節(jié)的企業(yè)進(jìn)行EDA的共同開發(fā)，即使艱難，但不是不可逾越。 但在14nm以下，7nm、5nm，甚至3nm等更為先進(jìn)的制程領(lǐng)域，中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)本身就還有很長的路要走。對于華為也好，或者對于中國其他的EDA廠商來說，突破了14nm制程工具的國產(chǎn)化，其實(shí)也只是剛剛開始了這場追趕國際先進(jìn)水平的長征。 許多媒體渲染的“麒麟芯片回歸在即”，多少有點(diǎn)過度拔高。這對于腳踏實(shí)地埋頭攻堅(jiān)的整個(gè)中國芯片產(chǎn)業(yè)來說，都不是什么好事。 根據(jù)華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院預(yù)測，2022年全球EDA行業(yè)市場規(guī)模將達(dá)到136.4億美元，Synopsys、Cadence和Siemens EDA三大巨頭基本實(shí)現(xiàn)了壟斷，2016-2020年的CR3分別是63.59%，63.59%，64.10%，64.54%，和69.54%，行業(yè)的集中度極高，且還有繼續(xù)提升的趨勢。
圖片來源：華福證券 如此之高的集中度，其背后是產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中大量的并購整合。 在過去30年中，EDA行業(yè)合計(jì)并購次數(shù)達(dá)到近300次，年并購次數(shù)最高達(dá)20次左右。Synopsys歷史上進(jìn)行的同行業(yè)并購高達(dá)90次，Cadence的并購次數(shù)也有62次，Siemens EDA干脆就是西門子并購了Mentor Graphics整合而成的公司。 除了出色的研發(fā)能力，極高的研發(fā)人員占比和研發(fā)投入之外，三大巨頭的全鏈條覆蓋，最終是由大量對優(yōu)秀EDA點(diǎn)工具廠商的并購?fù)瓿傻摹?Cadence于1989年收購Verilog，成功解決了復(fù)雜度帶來的芯片性能驗(yàn)證問題；2001年收購Silicon Perspective，將1C布局工具和S1分析工具收入囊中，為下一代布局布線做足了技術(shù)儲(chǔ)備；2002年收購了1BM硬件仿真業(yè)務(wù)，真正占領(lǐng)硬件仿真高地，一度成為行業(yè)霸主。 而Synopsys在2002年以8.3億美元收購Avanti，讓公司成為了EDA歷史上第一家可以提供頂級前后端完整1C設(shè)計(jì)方案的領(lǐng)先EDA工具商，幾次關(guān)鍵并購后完成了對Cadence的超越。
資料來源：36氪，各公司官網(wǎng)，華福證券研究所 中國目前的EDA產(chǎn)業(yè)進(jìn)程，剛剛好就在一個(gè)巨頭尚未長成，但小型創(chuàng)新公司層出不窮的階段。 根據(jù)中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)，2020年中國EDA工具總銷售額為93.1億元（yoy +28%），2018-2020 年CAGR為17.6%，是全球增速最快的地區(qū)，其預(yù)計(jì)2025年國內(nèi)EDA市場規(guī)模將達(dá)到185億元，對應(yīng)2020-2025年復(fù)合增速達(dá)14.7%。 觀研天下《2021年中國EDA市場分析報(bào)告-產(chǎn)業(yè)規(guī)模現(xiàn)狀與發(fā)展前景預(yù)測》統(tǒng)計(jì)，截至2020年，我國本土的EDA企業(yè)數(shù)量是28家。同時(shí)在2020年國務(wù)院發(fā)布了《新時(shí)期促進(jìn)集成電路產(chǎn)業(yè)和軟件產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的若干政策》之后，首次將EDA納入了國家集成電路產(chǎn)業(yè)政策，使得民間EDA創(chuàng)業(yè)公司的活躍度進(jìn)一步上升，本土EDA企業(yè)的數(shù)量迅速增長到了近50家。 在所有國產(chǎn)EDA廠商中，最有可能完成產(chǎn)業(yè)整合成為巨頭企業(yè)的，是已經(jīng)在去年于A股上市的華大九天。這家公司的前身是中國華大集成電路設(shè)計(jì)集團(tuán)的EDA部門，再向前追溯，公司管理層有許多人都來自于當(dāng)年熊貓系統(tǒng)的那個(gè)研發(fā)團(tuán)隊(duì)，其背后的股東也都是國中創(chuàng)投、中國電子、國家集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金這樣的國家隊(duì)。 2018-2021年間，這家公司的年均復(fù)合增長率為56.52%，2021年公司實(shí)現(xiàn)歸母凈利潤1.39億元，同比增長了34.52%。在它的客戶列表里，排名第一位的，是一個(gè)代稱：K1。
華大九天從來沒有公布過K1是誰。但在華為宣布聯(lián)合國內(nèi)其他企業(yè)，基本實(shí)現(xiàn)了14nm以上EDA工具的國產(chǎn)化時(shí)，華大九天有投資者在互動(dòng)平臺(tái)上提問：是你嗎？ ?
04?結(jié)語
2022年8月13日，美國商務(wù)部工業(yè)和安全局（BIS）發(fā)布的禁令，直接限制的是GAAFET（環(huán)繞柵極場效應(yīng)晶體管）結(jié)構(gòu)的集成電路所必需的EDA/ECAD軟件。相比起被列入實(shí)體清單的華為，這個(gè)禁令所打擊的是整個(gè)中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。 三星和臺(tái)積電在進(jìn)行3nm芯片研發(fā)的過程中，發(fā)現(xiàn)前一代制造工藝FinFET已經(jīng)遇到了極限，隨后開始轉(zhuǎn)向GAAFET技術(shù)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)架構(gòu)上的轉(zhuǎn)型。這個(gè)晶體管結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是批量生產(chǎn)3nm及以下半導(dǎo)體制程工藝的關(guān)鍵技術(shù)，卡住這個(gè)領(lǐng)域的EDA技術(shù)，美國要斷絕是中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)走向高端化的路。 而一旦中國企業(yè)未來實(shí)現(xiàn)了階段性的突破和國產(chǎn)替代，研發(fā)出了屬于我們自己的EDA軟件，對方也很可能會(huì)直接放開禁運(yùn)措施，試圖讓“熊貓系統(tǒng)”曾經(jīng)所面臨的局面重演。 直到今天，中國各大高校在教學(xué)時(shí)所使用的依然是三大巨頭的套裝軟件。 海外工業(yè)軟件巨頭們，一方面在民間放任盜版來養(yǎng)成用戶習(xí)慣，甚至是提供免費(fèi)正版給高校用于教學(xué)；另一方面在真正適配企業(yè)端的正版軟件中，保持著極高的更新頻率，并對盜版重拳出擊，從而保證自身絕對的技術(shù)競爭力與商業(yè)利益。 中國國產(chǎn)EDA廠商們要突破種種困難與封鎖，在商業(yè)競爭中存活并崛起，要依靠的是整個(gè)中國高端制造業(yè)，甚至是商業(yè)、金融業(yè)的整體環(huán)境生態(tài)。我更希望有一天，這些企業(yè)能夠足夠好用，足夠全面，可以進(jìn)入高校教育機(jī)構(gòu)和相關(guān)專業(yè)機(jī)構(gòu)，與這些國際巨頭們進(jìn)行真正的競爭。 就像徐直軍在誓師大會(huì)上所說的那樣，雄關(guān)漫道真如鐵，而今邁步從頭越，中國人其實(shí)從未懼怕過在前進(jìn)的路上遇到烏江天險(xiǎn)。
編輯：黃飛
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