放眼世界,，我們面對的是百年未有之大變局，而半導體行業(yè)又挺立在大變局的潮頭,，成為大國競爭力的焦點,。根據(jù)美國半導體產業(yè)協(xié)會(SIA)發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2021年全球售出1.15萬億顆芯片,，銷售額達到創(chuàng)紀錄的5559億美元,，同比增長26%。根據(jù)半導體調研機構IC Insights發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示,，2021年中國大陸制造的半導體價值為312億美元,，而整個中國大陸的芯片消費市場為1865億美元，自給率為16.7%;而在缺芯嚴重的汽車賽道,，2021年中國大陸的芯片自給率更是只有5%,。由此可見,，全球的半導體產業(yè)正在蓬勃發(fā)展，國內的半導體市場容量非常大,，國產替代迫在眉睫,。
此外，根據(jù)有關專業(yè)機構的統(tǒng)計,，2021年全球EDA市場規(guī)模為130億美元左右,，而中國EDA市場規(guī)模約為120億元人民幣。這意味著,，規(guī)模為130億美元的EDA市場,，正在撬動規(guī)模為5559億美元的半導體產業(yè)，所以在全球科技環(huán)境不對等的情況下,，要發(fā)展中國的半導體產業(yè),，首先就要保障貫穿整個半導體產業(yè)鏈生命周期的EDA工具的安全可控。
然而現(xiàn)實是,，Synopsys,、Cadence和Siemens EDA這三家EDA巨頭以較完整的全流程產品壟斷了全球78%的市場份額，在過去的20年中,，中國EDA公司以華大九天為首，在夾縫中掙扎生存,。為了改變這一現(xiàn)象,，過去的兩三年中資本涌入、地方政府關心,、到處追捧,，神州大地涌現(xiàn)出幾十家EDA公司，同時概倫,、華大九天,、廣立微等本土頭部EDA公司紛紛搶灘登陸二級市場。本文試圖從歷史經驗借鑒,、后摩爾時代半導體產業(yè)的發(fā)展趨勢,，以及中國EDA產業(yè)的國情出發(fā)，來探討什么才是適合中國EDA發(fā)展的道路,。
中國EDA產業(yè)從未像當下這般受到如此高度關注,。
8月12日，美國商務部發(fā)布一項針對包含EDA軟件等四項技術的出口管制令,。由于世界芯片產業(yè)鏈目前的高度分工與協(xié)作屬性,，全球EDA產業(yè)無疑都將受其波及，而中國EDA產業(yè)將在多大程度上避免影響,，再度成為業(yè)內聚焦的熱點議題,。
公開信息顯示,，EDA全稱Electronic design automation，國內譯稱電子設計自動化,，即利用計算機輔助設計(CAD)軟件,，來完成半導體芯片集成電路從設計到驗證在內的一系列設計流程的總稱。由于在整個芯片制造過程中都會發(fā)揮作用,，因此,，EDA也常被視為半導體產業(yè)鏈中不可或缺的關鍵一環(huán)。
在國內一家頭部存儲芯片廠商芯片設計部門擔任負責人的林宇告訴《中國經營報》記者,，其實此次美方出口限制令中涉及的領域主要為3nm及以下先進制程的EDA技術,，因此對整體尚未進入7nm以內高端制程領域的國產芯片產業(yè)而言，暫時不會造成過多困擾,。
但從長遠而言,，為了更好地提高中國半導體產業(yè)的整體水準，林宇認為,，中國EDA產業(yè)需要以更快的速度趕上世界先進水平,。而現(xiàn)有的各種跡象顯示，國產EDA廠商具備了快速發(fā)展的優(yōu)渥環(huán)境,，目前也已基本進入積極有序的發(fā)展軌道,。
ESDAlliance統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2021年全球EDA市場規(guī)模為132.75億美元,，同比增長15.77%,。而受益于半導體產業(yè)向中國轉移趨勢，中國EDA市場規(guī)模實現(xiàn)較快增長,。據(jù)中國半導體行業(yè)協(xié)會預測,， 2025年中國EDA市場規(guī)模將達到184.9億元，2020~2025年年均復合增速為14.71%,。
與芯片不同,，作為晶片代工模式的衍生產物，EDA在中國的起步其實并不算晚,。上世紀90年代初,，為了突破制造彩電模擬芯片的掣肘，中國科研團隊曾傾力研發(fā)出首個國產自研EDA系統(tǒng)“熊貓”,，首度開辟了中國EDA產業(yè)的自有根據(jù)地,。
但由于與特定芯片高度綁定，“熊貓”沒有很好地進入市場擴張期,，只占有了小眾的細分市場,。加之隨后中國加入世貿，外國EDA巨頭紛紛進入中國市場，中國芯片廠商為了搶占進軍先進制程領域的時機,，紛紛優(yōu)先選擇了國外EDA工具,，這使得本土EDA的發(fā)展速度與空間進一步被減緩和壓縮。
“中國EDA產業(yè)起步早,，但限于當時產業(yè)鏈發(fā)展程度沒有跟上,，最終沒體現(xiàn)出先發(fā)優(yōu)勢?！盋HIP全球測試中心中國實驗室主任羅國昭向記者表示,，芯片產業(yè)的聚集效應很強，如果用戶和市場規(guī)模很小,，產業(yè)自身也沒有發(fā)展的動力,。
EDA故事的起點要從上世紀70年代說起，那時候芯片復雜度低,，芯片設計人員可以通過手工操作完成電路圖的輸入,、布局和布線。后來慢慢地開始有公司使用計算機輔助進行集成電路版圖編輯,、PCB布局布線,，相繼出現(xiàn)了許多二維CAD、三維系統(tǒng)分析與設計(SAD)軟件,。但是,，初代的EDA大都附屬在機械CAD的供應商之下，比如當年大名鼎鼎的Applicon,、CALMA和CV,，這個階段被視為pre-EDA時期。從方法論的角度來看,，這一階段都是對電路的物理制造進行直接制圖設計，雖然在電路繪圖的步驟有或多或少的工具應用,，但本質上還是所見即所得(WYSIWYG)的人工直接設計,。
與此同時，一款由加州大學伯克利分校Ron Rohrer和Larry Nagel團隊研發(fā)的代碼開源的仿真器——SPICE正在經歷它關鍵的版本更新迭代,，不斷向IC設計標準演進,。隨著IC復雜度的提升，該技術的使用者越來越多,，到了70年代末,，絕大部分半導體公司都已經用上了SPICE。
進入上世紀80年代后,，電路設計開始引入抽象化,，開發(fā)出硬件語言(例如Veriog &VHDL)來描述電路行為或者定義信號連接，從此設計師可以直接采用高級語言“設計電路板”,，然后通過邏輯綜合工具把抽象的設計自動轉化成機器語言,，形成由各種邏輯門組成的電路組合,。而硬件抽象語言的標準化也使得專門的商業(yè)軟件工具的開發(fā)和推廣成為可能，從而形成早期的基于不同任務點的EDA專業(yè)工具,。根據(jù)歷史記載,，1988年全球EDA市場總量約為9億美元，而Mentor Graphics營收突破3億美元大關,，是當時最賺錢的設計自動化公司,。
據(jù)悉，這些早期的點工具已經可以基于標準格式的數(shù)據(jù)交換,，通過組合,，對硬件抽象語言進行自動處理，直到產生可制造的物理設計,，包括功能的仿真驗證,、有限的邏輯綜合以及電路和電路板的布線等。雖然在算法上往往相對簡單,，處理的電路相對較小,，工具彼此之間幾乎完全離散，但是仍然可以通過聚焦痛點來有效地解決局部問題;而且得益于當時硬件設計制造流程的相對簡單,，這些點工具的局部優(yōu)化往往和整體優(yōu)化不相關或者不產生矛盾,，從而有效推動了半導體設計制造的快速發(fā)展，這一階段被稱為EDA 1.0時期,。
在這種基于離散點工具組合的EDA1.0時代的發(fā)展過程中,，電路設計規(guī)模越來越大，功能越來越復雜,，為了提高工作效率,，優(yōu)化設計方法學，更有效率地保障點工具以及制造任務執(zhí)行正確性,，簽收類型的工具逐漸發(fā)展成熟,，例如靜態(tài)時序分析工具、邏輯等效性檢查工具,、物理驗證工具以及可測性設計和自動測試向量生成工具等,。由此，形成了EDA1.0時代完整的設計驗證流程和方法學,。
在半導體行業(yè),，有兩個至關重要的工具，一個是光刻機,，被稱為“芯片之父”,，另一個是EDA，被稱為“芯片之母”。沒有了它們,，整個半導體行業(yè)都無法運轉,。
目前，這兩個工具的最先進技術都掌握在外國公司手里,。為了限制我國芯片產業(yè)發(fā)展,，美國開展了瘋狂圍堵。荷蘭ASML公司生產的EUV光刻機,，由于美國干預,，至今沒有出口給中國大陸。
令人沒想到的是在光刻機之后,，老美又出新招了,。在《芯片和科學法案》落地后，美國又開啟了新的出口管制,，其中之一就是將ECDA軟件技術納入出口管制,。ECDA軟件是EDA的一種，主要用于3nm及以下芯片設計,。
EDA是電子設計自動化的簡稱,，一塊小小的芯片，工藝極其復雜,，往往可能有數(shù)百億晶體管,，如果要靠人工一個個繪制，簡直比登天還難,。好在行業(yè)在發(fā)展過程中,，誕生了EDA，從仿真,、綜合到版圖,，從模擬到數(shù)字再到混合設計，可以輕松解決這個問題,，讓芯片設計變得簡單,。
不過，這次美國禁運,，對國內芯片企業(yè)影響暫時不大。因為國內最先進的芯片設計企業(yè),，目前也就發(fā)展到5nm制程,。也就是說它們依舊可以用美國的EDA工具，在設計好芯片后,，交給臺積電等制造廠商,。
其實，我國EDA起步并不晚，在上世紀90年代就國產自研出EDA系統(tǒng)“熊貓”,?？上У氖钱敃r我國芯片產業(yè)鏈還非常不成熟，所以即便自研了EDA,，但卻沒有芯片設計企業(yè)來測試,。
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