芯片之母EDA：主宰4500億全球半導(dǎo)體市場(chǎng)，國(guó)產(chǎn)率卻不到5%

在“華為事件”的刺激下，“卡脖子”之痛很難隱去。在中美關(guān)系緊張的局勢(shì)下，中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正處于如劍在喉的不確定處境。

EDA軟件在全球不過(guò)區(qū)區(qū)100億美元的產(chǎn)值，卻主宰著將4500億美元的全球半導(dǎo)體市場(chǎng)。一旦EDA受制于人，如同如劍在喉，整個(gè)芯片軟件發(fā)展都將會(huì)擺停。

這便是來(lái)自“芯片之母”的魅力，體量不大，容易被人忽視?？梢坏┑搅岁P(guān)鍵時(shí)刻，就會(huì)變成致命的武器。

整理 | 機(jī)器之能

數(shù)據(jù)顯示，2019年全球EDA軟件市場(chǎng)規(guī)模103億美元。對(duì)于4500 億美元的全球半導(dǎo)體市場(chǎng)而言不值得一提。但如果缺少EDA，全球所有的芯片設(shè)計(jì)公司都將停擺，由此可見(jiàn)EDA的重要性。

當(dāng)前，EDA市場(chǎng)份額被國(guó)外三大EDA巨頭，Synopsys、Cadence和被西門子收購(gòu)的Mentor Graphics緊緊掌握著，這三大“龍頭”占據(jù)全球EDA市場(chǎng)的份額超過(guò)60%。

再將EDA市場(chǎng)進(jìn)一步聚焦可見(jiàn)，2018年，中國(guó)以華大九天、廣立微、芯禾科技為首的10余家EDA公司銷售額約3.5億元，只占到全球市場(chǎng)份額的0.8%。全球視野下的國(guó)內(nèi)份額與巨頭份額形成巨大反差。

更讓人捉摸不透的是，國(guó)外三大EDA巨頭在國(guó)內(nèi)的銷售額占據(jù)95%，而留給國(guó)內(nèi)EDA企業(yè)的份額僅有不到5%。為何會(huì)產(chǎn)生如此大的差距，又該如何補(bǔ)齊？

一

位居芯片產(chǎn)業(yè)寶座

EDA究竟有多重要？一句話概括，EDA是芯片之母，是芯片產(chǎn)業(yè)皇冠上的明珠。

這句話聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)虛，簡(jiǎn)而言之，EDA的重要性可以理解為，EDA是集成電路產(chǎn)業(yè)鏈里極其重要的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，芯片設(shè)計(jì)離不開(kāi)EDA。

為什么芯片設(shè)計(jì)必須要EDA軟件？一般而言，軟件、互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品可以先有雛形，再逐步迭代優(yōu)化，更換成本較低。而芯片產(chǎn)品只要制造出來(lái)就不可更改，需要用到EDA軟件進(jìn)行虛擬的設(shè)計(jì)、模擬、仿真，就像在米粒上刻畫航空母艦?zāi)Ｐ汀＿@樣一來(lái)，方便在真實(shí)產(chǎn)線上流片生產(chǎn)的時(shí)候一次性成功，從而減少設(shè)計(jì)成本和時(shí)間成本。

芯片產(chǎn)業(yè)鏈及芯片設(shè)計(jì)程

然而，EDA并不是單純只指一種軟件或者某種程序，而是指利用輔助設(shè)計(jì)軟件來(lái)完成集成電路設(shè)計(jì)中的一系列工作，又稱電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化。如果將EDA按照芯片設(shè)計(jì)的不同流程劃分，具體用到的EDA工具類型又可分為功能設(shè)計(jì)、布局、驗(yàn)證、仿真模擬等。

芯片設(shè)計(jì)流程有多個(gè)步驟，從寫代碼開(kāi)始到最終交給代工廠生產(chǎn)的版圖，涉及到Verilog代碼、前仿真、后端設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、后仿真等步驟。

與工具軟件不同的是，一般用到的工具軟件更新需要新算法、新邏輯的支持，而EDA軟件是基于工藝參數(shù)的，只要工藝參數(shù)更新，EDA就要更新一次。鑒于這一點(diǎn)，芯片EDA工具軟件最大的特點(diǎn)是，與芯片代工廠高度綁定。

芯片設(shè)計(jì)過(guò)程需要代工廠提供工藝設(shè)計(jì)工具包，稱之為PDK，里面包含器件信息、工藝信息和驗(yàn)證文件等。當(dāng)芯片代工廠開(kāi)發(fā)新工藝時(shí)，EDA軟件廠商就需要獲得代工廠新工藝的PDK工具包，基于PDK工具包開(kāi)發(fā)新版本的軟件。

要做好EDA這門生意，不僅要與芯片代工廠密切聯(lián)系，還需要牽涉諸多精細(xì)化且復(fù)雜的設(shè)計(jì)流程。而這門生意被三大美國(guó)EDA巨頭（Synopsys、Cadence和西門子旗下的MentorGraphics）牢牢掌握著，中國(guó)在這一塊的布局甚是少，且起步晚。

在當(dāng)前如此緊張的中美關(guān)系下，面對(duì)芯片設(shè)計(jì)如此重要的環(huán)節(jié)，如果一旦受制于人，相當(dāng)于扼住了中國(guó)的所有牽涉高端芯片產(chǎn)業(yè)的咽喉。

現(xiàn)在中國(guó)在這一塊的布局又手握著多大的籌碼呢？

二

巨頭瓜分國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，僅剩不到5%

根據(jù) ESD Alliance 數(shù)據(jù)，2019 年全球 EDA 軟件市場(chǎng)規(guī)模為 105 億美元，同比增長(zhǎng) 8.3%。全球大部分 EDA 軟件市場(chǎng)被美國(guó)三大EDA巨頭占據(jù)，全球市場(chǎng)份額超過(guò) 64%。而這三大EDA巨頭在中國(guó)的市場(chǎng)份額更是超過(guò)95%。

令人尷尬的是，留給中國(guó)的市場(chǎng)份額就僅剩不到5%，部分被Ansys等其它外國(guó)公司占據(jù)，留給華大九天、芯愿景、芯禾科技等國(guó)產(chǎn)EDA公司的就僅剩極少份額。

中國(guó)EDA產(chǎn)業(yè)的發(fā)展可用“起得早卻趕了個(gè)晚集”來(lái)形容。國(guó)內(nèi)EDA產(chǎn)業(yè)發(fā)展始于上世紀(jì)八十年代中后期，1994 年之前，“巴黎統(tǒng)籌委員會(huì)”對(duì)中國(guó)實(shí)施禁運(yùn)管制，國(guó)內(nèi)無(wú)法買到國(guó)外的 EDA 軟件工具，倒逼國(guó)內(nèi)自主研發(fā) EDA 工具。

國(guó)內(nèi)于1986年開(kāi)始研發(fā)國(guó)產(chǎn)首款EDA熊貓系統(tǒng)，1991年熊貓系統(tǒng)原型發(fā)布，打破國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)軟件空缺的狀態(tài)，直到1993 年該系統(tǒng)正式問(wèn)世。當(dāng)時(shí)熊貓系統(tǒng)與國(guó)外的商業(yè)EDA軟件相比，差距僅有五年左右。

好景不長(zhǎng)，1994年“巴統(tǒng)”解散，國(guó)外EDA公司迅速進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)。最先進(jìn)入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的EDA巨頭是Cadence公司，是EDA行業(yè)銷售排名第二的公司，在1988年由SDA與ECAD兩家公司兼并而成。Cadence于1994年在京參加亞洲電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化及測(cè)試研討展覽會(huì)，不久便宣布成立北京辦事處。

緊接著第二年，Synopsys（新思）公司也宣布在北京成立辦事處。Synopsys僅次于Cadence，于1995年進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)。

當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)重心在快速發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)，無(wú)暇顧及自主化設(shè)計(jì)軟件。在“造不如買”思維的驅(qū)使下，大多國(guó)內(nèi)企業(yè)依賴國(guó)外EDA企業(yè)的技術(shù)與工具。據(jù)了解，在Synopsys北京辦事處成立之前，北京集成電路設(shè)計(jì)中心、華晶半導(dǎo)體公司、電子部54所、清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等均已采用了Synopsys的產(chǎn)品和技術(shù)。

轉(zhuǎn)眼之間，國(guó)內(nèi)EDA市場(chǎng)發(fā)生巨大的變化。受限于市場(chǎng)、技術(shù)等方面的因素，留給國(guó)產(chǎn)EDA生存環(huán)境十分狹小，即使能夠研發(fā)出全套的EDA工具，在短期內(nèi)也難以與三巨頭企業(yè)的產(chǎn)品抗衡。這一窘境導(dǎo)致國(guó)內(nèi)公司（華為、聯(lián)想等）在使用EDA軟件時(shí)不得不依賴國(guó)外廠商。

國(guó)內(nèi)公司所用EDA軟件基本情況，圖片來(lái)自東興證券研究所

例如，華為用的是Synopsys的HAPS（專為ASIC/SOC設(shè)計(jì)者提供的高性能、高容量的基于FPGA的原型驗(yàn)證板）、以及Cadence的Allegro（先進(jìn)PCB設(shè)計(jì)布線工具）以及Mentor Graphics的DxDesigner（前端管理工具）。

聯(lián)想用的是Cadence的Allegro以及Mentor Graphics的PADS（制作PCB板的軟件）。

三巨頭基本都能提供全套的芯片設(shè)計(jì)EAD解決方案。例如Synopsys的產(chǎn)品線相對(duì)全面，其優(yōu)勢(shì)產(chǎn)品包括數(shù)字前端、數(shù)字后端和PTsignoff。Synopsys有壟斷市場(chǎng)90%的TCAD器件仿真和壟斷50%的DFM工藝仿真。

芯片設(shè)計(jì)部分流程使用的三大EDA廠商工具

Cadence產(chǎn)品涵蓋電子設(shè)計(jì)的整個(gè)流程，包括系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)、功能驗(yàn)證、集成電路綜合及布局布線、IC物理 驗(yàn)證、模擬混合信號(hào)及射頻集成電路設(shè)計(jì)、全定制集成電路設(shè)計(jì)、PCCE設(shè)計(jì)和硬件仿真建模等。Mentor Graphic在后端布局布線、PCB方面比較有優(yōu)勢(shì)。

據(jù)方正證券提供的數(shù)據(jù)顯示，2018年，Synopsys全球EDA市場(chǎng)占比達(dá)到32.10%；Cadence次之，占比為22.00%；Mentor Graphic占比為10%。

對(duì)比來(lái)看，國(guó)內(nèi)EDA企業(yè)與三巨頭差距甚遠(yuǎn)。2018年，中國(guó)以華大九天、廣立微、芯禾科技為首的10余家EDA公司銷售額約3.5億元，只占到全球市場(chǎng)份額的0.8%。2018年，我國(guó)EDA軟件市場(chǎng)份額約為5億美元左右，中國(guó)EDA企業(yè)僅占5%左右，競(jìng)爭(zhēng)力較弱。

三

巨大差距如何彌補(bǔ)？

國(guó)內(nèi)EDA產(chǎn)業(yè)發(fā)展并非一蹶不振。2008年，國(guó)家“核高基”重大科技專項(xiàng)正式進(jìn)入實(shí)施階段，EDA領(lǐng)域得到國(guó)家的支持，催生出華大九天、芯愿景、廣立微、芯禾科技、概倫電子等企業(yè)。

本土EDA企業(yè)龍頭華大九天也正是在這個(gè)時(shí)候抓住契機(jī)，脫穎而出。2009年中國(guó)華大集成電路設(shè)計(jì)集團(tuán)，與國(guó)投高科技共同投資，將華大的EDA部門獨(dú)立出來(lái)，成為獨(dú)立法人公司。

就算如此，國(guó)內(nèi)EDA企業(yè)與國(guó)外三巨頭仍然拉開(kāi)一大段距離，包括技術(shù)、工藝等方面。國(guó)內(nèi)IC設(shè)計(jì)廠商都會(huì)謹(jǐn)慎選擇國(guó)內(nèi)EDA企業(yè)，一旦未能流片成功，或者是良率很低甚至無(wú)法工作，給IC設(shè)計(jì)廠商留下的損失是巨大的。

面對(duì)國(guó)內(nèi)廠商這塊難題，顯然國(guó)外EDA廠商占據(jù)天然的優(yōu)勢(shì)。三大EDA公司在新工藝開(kāi)發(fā)階段與全球領(lǐng)先的晶圓制造廠進(jìn)行全方位合作，因此對(duì)工藝?yán)斫夂艿轿?。?guó)內(nèi)EDA廠商只能在工藝開(kāi)發(fā)完以后拿到部分?jǐn)?shù)據(jù)，無(wú)法接觸到先進(jìn)工藝的核心部分，難以針對(duì)先進(jìn)工藝設(shè)計(jì)、改良EDA軟件，拉開(kāi)巨大差距。

國(guó)信證券認(rèn)為，國(guó)產(chǎn)EDA差距與國(guó)外的差距體現(xiàn)在三個(gè)方面。

一是缺少數(shù)字芯片設(shè)計(jì)的核心工具模塊，無(wú)法支撐數(shù)字芯片全流程設(shè)計(jì)。

二是對(duì)先進(jìn)工藝支撐不夠，暫未進(jìn)入先進(jìn)代工廠的聯(lián)盟。

三是缺乏制造及測(cè)試EDA系統(tǒng)，無(wú)法支持集成電路封測(cè)的應(yīng)用需求。

以數(shù)字電路為例，在SOC設(shè)計(jì)主流程的EDA工具中，大多來(lái)自Synopsys與Cadence公司，尤其是時(shí)序和功耗檢查以及定制設(shè)計(jì)兩步，完全由這兩家壟斷，國(guó)產(chǎn)EDA在許多工具上仍有缺失。

以華大九天為例，單獨(dú)評(píng)估集成電路產(chǎn)業(yè)所需的EDA工具，華大九天已有的產(chǎn)品線占集成電路所需工具的三分之一左右，另有三分之二是空白。

再者，在研發(fā)投入上的差距明顯。據(jù)半導(dǎo)體行業(yè)觀察資料顯示，華大九天，過(guò)去十年間所投研發(fā)資金也只有幾個(gè)億，而Synopsys2018近一年的研發(fā)投入約為10.8億美元，Cadence2018年的研發(fā)投入約為8.7億美元。

具體在人數(shù)上，我國(guó)約有1500人的EDA軟件開(kāi)發(fā)工程師，但在本土EDA公司和研究單位工作的工程師只有300人左右，其他大部分都是在三大巨頭工作。

縱觀半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展幾十年，可以清晰看到歐美政府對(duì)EDA產(chǎn)業(yè)提供的長(zhǎng)期、持久的支持，政策、資金投入以及人才應(yīng)有盡有。而國(guó)內(nèi)EDA產(chǎn)業(yè)如要實(shí)現(xiàn)突圍，絕不是僅靠一時(shí)半會(huì)真金白銀就能夠砸出來(lái)的，這需要長(zhǎng)期且持久的投入。在這之前，頂層設(shè)計(jì)是必不可少的一環(huán)。

至于如何做，成為國(guó)內(nèi)EDA企業(yè)突圍的關(guān)鍵。正視“差距”，放大中國(guó)的“后發(fā)優(yōu)勢(shì)”。破局的關(guān)鍵恰好是中國(guó)代工廠。

截至2019年，中國(guó)擁有全球頭部的IC設(shè)計(jì)公司以及全球最多的代工廠，2019年中國(guó)大陸光晶圓廠達(dá)到86 座。只有EDA軟件、IC設(shè)計(jì)公司和代工廠一起合力，才能實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)真正突破。最關(guān)鍵的，仍是離不開(kāi)EDA企業(yè)自身的硬核能力，只有不斷提升其軟件的能力才能夠在EDA市場(chǎng)占領(lǐng)一席之地。