路長(cháng)且艱，國產(chǎn)EDA的發(fā)展之路

逼則反兵，走則減勢。緊隨勿迫，累其氣力，消其斗志，散而后擒，兵不血刃，這是三十六計中“欲擒故縱”的精義，卻被美國在EDA領(lǐng)域應用的游刃有余，中國也因此錯失了發(fā)展國產(chǎn)EDA的20余年的重要時(shí)機，作為數千億集成電路、萬(wàn)億電子信息的必不可少的支撐產(chǎn)業(yè)，EDA被譽(yù)為芯片領(lǐng)域的“工業(yè)母機”，國產(chǎn)EDA的發(fā)展路長(cháng)且艱。

一、EDA是何方神圣

為什么說(shuō)EDA那么重要，EDA全稱(chēng)是電子設計自動(dòng)化。打開(kāi)芯片的封裝外殼，在高倍顯微鏡下對其表面進(jìn)行觀(guān)察，將會(huì )看到無(wú)數規則擺放的器件和連線(xiàn)，這是芯片的版圖。IC設計和制造這個(gè)版圖的各個(gè)環(huán)節都需要用到相應的EDA工具。EDA工具是集成電路設計、制造、封裝、測試等工作的必備工具，貫穿了下圖所示的整個(gè)集成電路產(chǎn)業(yè)鏈。

為什么EDA如此重要，這是因為隨著(zhù)集成電路產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，設計規模、復雜度、工藝先進(jìn)性等不斷提升。根據加州大學(xué)圣迭戈分校AndrewKahng教授在2013年的推測，2011年設計一款消費級應用處理器芯片的成本約4,000萬(wàn)美元，如果不考慮1993年至2009年的EDA技術(shù)進(jìn)步，相關(guān)設計成本可能高達77億美元，EDA技術(shù)進(jìn)步讓設計效率提升近200倍。同時(shí)，可重復使用的平臺模塊、異構并行處理器的應用、基于先進(jìn)封裝集成技術(shù)的芯粒技術(shù)等成為驅動(dòng)設計效率提升的重要方式，而上述方式的應用同樣也是與EDA技術(shù)的進(jìn)步相輔相成的。因此，EDA工具的發(fā)展從整體上提升了芯片設計的效率，從而平抑了芯片設計的總體成本。

另外從市場(chǎng)價(jià)值來(lái)看，根據賽迪智庫數據，2020年EDA行業(yè)的全球市場(chǎng)規模超過(guò)70億美元，卻支撐著(zhù)數十萬(wàn)億美元規模的數字經(jīng)濟。在中國這個(gè)全球規模最大、增速最快的集成電路市場(chǎng)，EDA杠桿效應更大?？梢韵胂?，一旦EDA這一產(chǎn)業(yè)基礎出現問(wèn)題，包括集成電路設計企業(yè)在內的全球集成電路產(chǎn)業(yè)必將受到重大影響，由EDA工具、集成電路、電子系統、數字經(jīng)濟等構成的倒金字塔產(chǎn)業(yè)鏈結構穩定將面臨巨大挑戰。

二、EDA的使用場(chǎng)景

一個(gè)完整的集成電路設計和制造流程主要包括工藝平臺開(kāi)發(fā)、集成電路設計和集成電路制造三個(gè)階段。

各階段主要內容及細分環(huán)節如下：

①工藝平臺開(kāi)發(fā)階段主要由晶圓廠(chǎng)（包括晶圓代工廠(chǎng)、IDM制造部門(mén)等）主導完成，在其完成半導體器件和制造工藝的設計后，建立半導體器件的模型并通過(guò)PDK或建立IP和標準單元庫等方式提供給集成電路設計企業(yè)（包括采用fabless的芯片設計公司、半導體IP公司、IDM設計部門(mén)等）。

②集成電路設計階段主要由集成電路設計企業(yè)主導完成，其基于晶圓廠(chǎng)提供的PDK或IP和標準單元庫進(jìn)行電路設計，并對設計結果進(jìn)行電路仿真及驗證。若仿真及驗證結果未達設計指標要求，則需對設計方案進(jìn)行修改和優(yōu)化并再次仿真，直至達到指標要求方能進(jìn)行后續的物理實(shí)現環(huán)節。物理實(shí)現完成后仍需對設計進(jìn)行再次仿真和驗證，最終滿(mǎn)足指標要求并交付晶圓廠(chǎng)進(jìn)行制造。在大規模集成電路設計過(guò)程中，由于工藝復雜、集成度高等因素，電路設計、仿真及驗證和物理實(shí)現環(huán)節往往需要反復進(jìn)行。

③集成電路制造階段主要由晶圓廠(chǎng)根據物理實(shí)現后的設計文件完成制造。若制造結果不滿(mǎn)足要求，則可能需要返回到工藝開(kāi)發(fā)階段進(jìn)行工藝平臺的調整和優(yōu)化，并重新生成器件模型及PDK提供給集成電路設計企業(yè)進(jìn)行設計改進(jìn)。

上述三個(gè)設計與制造的主要階段均需要對應的EDA工具作為支撐，包括用于支撐工藝平臺開(kāi)發(fā)和集成電路制造兩個(gè)階段的制造類(lèi)EDA工具以及支撐集成電路設計階段的設計類(lèi)EDA工具。

三、國產(chǎn)EDA丟失的20年

EDA如此重要，難道國人之前就沒(méi)有意識到他的重要性么？事實(shí)并非如此。時(shí)間回到20世紀70至80年代，彼時(shí)，由于巴黎統籌委員會(huì )對中國實(shí)施的禁運管制，中國無(wú)法購買(mǎi)到國外的EDA工具，中國就已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行了EDA技術(shù)的自主研發(fā)與攻關(guān)，1986年的時(shí)候，中國拿出了兩彈一星的精神，動(dòng)員了全國17個(gè)單位，一共200多個(gè)專(zhuān)家聚集到華大九天的前身（也就是北京集成電路設計中心）聯(lián)合攻關(guān)，終于在1990年的時(shí)候發(fā)布了熊貓EDA，也一舉打破了西方技術(shù)的封鎖。

眼看他國產(chǎn)EDA要起高樓，然而就在這時(shí)，老美不知從哪里學(xué)來(lái)的咱老祖宗的三十六計之欲擒故縱，直接放開(kāi)了對EDA的封鎖，國外幾大巨頭迅速進(jìn)入了中國，帶來(lái)了更成熟的技術(shù)與產(chǎn)業(yè)鏈、更低廉的價(jià)格，市場(chǎng)是冷靜和無(wú)情的，缺少持續政策支持和市場(chǎng)支持時(shí)，結果可想而知，還未成熟的熊貓EDA創(chuàng )業(yè)未半而中道崩殂，眼看他樓又塌了。

四、EDA國際三巨頭

在這中國缺席的這20年間，國外EDA巨頭憑借不斷的收并購，實(shí)現了IC全流程的自動(dòng)化設計，在行業(yè)內保持了高度的壟斷地位，前三大巨頭新思科技、鏗騰電子、西門(mén)子EDA占據了全球78%以上的市場(chǎng)。

其中新思科技的產(chǎn)品線(xiàn)最為全面，它的優(yōu)勢在于數字前端、數字后端和驗證測試；鏗騰電子的優(yōu)勢在于模擬和混合信號的定制化電路和版圖設計；西門(mén)子EDA在物理驗證領(lǐng)域優(yōu)勢較為突出，在印制電路板方面也有一定優(yōu)勢。

五、國產(chǎn)EDA的目前進(jìn)展

2008年4月，國家科技重大專(zhuān)項“核心電子器件、高端通用芯片及基礎軟件產(chǎn)品”實(shí)施方案經(jīng)國務(wù)院常務(wù)會(huì )議審議并原則通過(guò)。作為《國家中長(cháng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規劃綱要（2006-2020年）》所確定的國家十六個(gè)科技重大專(zhuān)項之一，EDA行業(yè)重新獲得了鼓勵和扶持。

2008年以來(lái)，國內EDA領(lǐng)域涌現了華大九天、概倫電子、廣立微電子、國微集團和芯和半導體等公司。至此，中國本土EDA企業(yè)開(kāi)始進(jìn)入市場(chǎng)的主流視野。

5.1華大九天，已提交IPO

華大九天成立于2009年，自成立以來(lái)一直聚焦于EDA工具的研發(fā)工作。公司初始團隊部分成員曾參與“熊貓ICCAD系統”的研發(fā)工作。

目前，公司主要產(chǎn)品包括模擬電路設計全流程EDA工具系統、數字電路設計EDA工具、平板顯示電路設計全流程EDA工具系統和晶圓制造EDA工具等EDA工具軟件，并圍繞相關(guān)領(lǐng)域提供技術(shù)開(kāi)發(fā)服務(wù)。

1、模擬集成電路設計

對模擬電路進(jìn)行結構設計、版圖設計、功能和物理驗證的全過(guò)程。這一過(guò)程包括原理圖編輯、電路仿真、版圖編輯、物理驗證、寄生參數提取、可靠性分析等環(huán)節。

公司目前既有模擬電路設計全流程EDA工具系統可支持的集成電路工藝制程具體情況如下表所示：

公司目前主要既有模擬電路設計全流程EDA工具系統中，電路仿真工具支持最先進(jìn)的5nm量產(chǎn)工藝制程，處于國際領(lǐng)先水平；其他模擬電路設計EDA工具支持28nm工藝制程，與已支持5nm先進(jìn)工藝的同類(lèi)領(lǐng)先工具仍存在一定差距。

2、數字電路設計EDA工具

數字電路設計是指電路功能設計、邏輯綜合、物理實(shí)現以及電路和版圖分析驗證的過(guò)程。這一過(guò)程通常分為數字前端和數字后端兩部分，主要包括單元庫準備、邏輯仿真、邏輯綜合、布局布線(xiàn)、寄生參數提取、時(shí)序分析與優(yōu)化、物理驗證和版圖集成與分析等環(huán)節。

公司目前既有數字電路設計EDA工具可支持的集成電路工藝制程具體情況如下表所示：

根據上表，公司目前已發(fā)布的數字電路設計EDA工具中，單元庫/IP質(zhì)量驗證工具、高精度時(shí)序仿真分析工具、時(shí)序功耗優(yōu)化工具、版圖集成與分析工具和時(shí)鐘質(zhì)量檢視與分析工具均可支持目前國際最先進(jìn)的5nm量產(chǎn)工藝制程，處于國際領(lǐng)先水平；單元庫特征化提取工具開(kāi)發(fā)完成時(shí)間較短，目前可支持40nm量產(chǎn)工藝制程，與同類(lèi)國際領(lǐng)先工具仍存在一定差距。整體來(lái)看，公司已發(fā)布的數字電路設計EDA工具中，除個(gè)別工具外均達到國際領(lǐng)先水平，可支持5nm量產(chǎn)工藝制程。

此外，公司目前在數字電路EDA領(lǐng)域僅覆蓋數字電路設計的部分流程，尚未實(shí)現全流程工具覆蓋。

3、平板顯示電路設計全流程EDA工具系統

平板顯示電路設計與模擬電路的設計理念、設計過(guò)程和設計原則有一定的相似性。公司在已有模擬電路設計工具的基礎上，結合平板顯示電路設計的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了全球領(lǐng)先的平板顯示電路設計全流程EDA工具系統。

4、晶圓制造EDA工具

公司針對晶圓制造廠(chǎng)的工藝開(kāi)發(fā)和IP設計需求，提供了相關(guān)的晶圓制造EDA工具，包括器件模型提取工具、存儲器編譯器開(kāi)發(fā)工具、單元庫特征化提取工具、單元庫/IP質(zhì)量驗證工具、版圖集成與分析工具以及模擬電路設計全流程EDA工具等，為晶圓制造廠(chǎng)提供了重要的技術(shù)支撐。

公司的晶圓制造EDA工具具體如下圖所示：

5.2概倫電子，已上市

上海概倫電子股份有限公司成立于2010年3月，經(jīng)過(guò)12年的發(fā)展，公司目前的主要產(chǎn)品及服務(wù)的關(guān)系如下圖：

公司的制造類(lèi)EDA工具主要用于晶圓廠(chǎng)工藝平臺的器件模型建模，為集成電路設計階段提供工藝平臺的關(guān)鍵信息，作為該階段電路仿真及驗證的基礎；

公司的設計類(lèi)EDA工具主要用于設計階段的電路仿真與驗證，是整個(gè)集成電路設計流程從前端設計到后端驗證的核心EDA工具；

公司的半導體器件特性測試儀器是測量半導體器件各類(lèi)特性的工具，為制造類(lèi)EDA工具提供高效精準的數據支撐；

概倫電子的優(yōu)勢與劣勢都非常明顯，優(yōu)勢在于，公司聚焦在某些特定的EDA工具上，相比于全品類(lèi)覆蓋的公司，全心聚焦使得概倫電子將特定EDA工具做的更加專(zhuān)精，公司器件建模及驗證EDA工具作為國際知名的EDA工具，在全球范圍內已形成較為穩固的市場(chǎng)地位，得到全球領(lǐng)先晶圓廠(chǎng)的廣泛使用，包括臺積電、三星電子、聯(lián)電、格芯、中芯國際等全球前十大晶圓代工廠(chǎng)中的九家。報告期內，來(lái)自于上述九家晶圓代工廠(chǎng)的器件建模及驗證EDA工具收入占公司制造類(lèi)EDA工具的累計收入比例超過(guò)50%。公司電路仿真及驗證EDA工具在市場(chǎng)高度壟斷的格局下，已在全球存儲器芯片領(lǐng)域取得較強的競爭優(yōu)勢，部分實(shí)現對全球領(lǐng)先企業(yè)的替代，得到全球領(lǐng)先存儲器芯片廠(chǎng)商的廣泛使用，包括三星電子、SK海力士、美光科技等全球規模前三的存儲器廠(chǎng)商。報告期內，來(lái)自于前述三家存儲器廠(chǎng)商的收入占公司設計類(lèi)EDA工具收入的比例超過(guò)40%。

而公司的劣勢主要在于：與新思科技、鏗騰電子、西門(mén)子EDA等國際競爭對手相比，公司在產(chǎn)品種類(lèi)豐富度上存在較為明顯的差距。前述國際競爭對手豐富多樣的產(chǎn)品種類(lèi)可以滿(mǎn)足下游客戶(hù)的多方面需求，為其提供一站式采購選擇。公司產(chǎn)品種類(lèi)相對國際競爭對手較少，導致公司在產(chǎn)品銷(xiāo)售協(xié)同效應上處于劣勢，同時(shí)在公司經(jīng)營(yíng)中產(chǎn)品失敗的風(fēng)險難以分散，如果公司現有產(chǎn)品在特定時(shí)期技術(shù)更新有所落后，無(wú)法滿(mǎn)足客戶(hù)需求，可能會(huì )由于缺少其他可供推廣的產(chǎn)品而對公司經(jīng)營(yíng)成果及市場(chǎng)地位造成影響。

5.3廣立威，已申報IPO

公司成立于2003年，相比于華大九天和概倫電子時(shí)間較早，主要里程碑時(shí)間可參考下圖。

公司在集成電路成品率提升領(lǐng)域深耕多年，利用業(yè)界領(lǐng)先的高效測試芯片自動(dòng)設計、高速電性測試和智能數據分析的全流程平臺與技術(shù)方法，為Foundry與Fabless廠(chǎng)商提供從EDA軟件、測試芯片設計服務(wù)、電性測試設備到數據分析等一系列產(chǎn)品與服務(wù)，緊密聯(lián)系制造端和設計端需求，保證芯片的可制造性，在提高芯片性能、成品率、穩定性的基礎上，有效加快產(chǎn)品面市速度。

EDA如何提升芯片良率呢？提升芯片成品率的關(guān)鍵在于對制造工藝過(guò)程進(jìn)行完整有效地監控檢測，同時(shí)結合制造過(guò)程中其他數據進(jìn)行精準快速的分析，及時(shí)發(fā)現問(wèn)題和潛在風(fēng)險，并反饋至集成電路制造端（Foundry廠(chǎng)商）和設計端（Fabless廠(chǎng)商），改進(jìn)工藝和設計以提升成品率。

制造過(guò)程中的檢測包括物理檢測和電性檢測：

①物理檢測：主要通過(guò)光學(xué)、電子束等方法獲取制造過(guò)程中的缺陷情況和相關(guān)物理參數（如關(guān)鍵尺寸、薄膜厚度等），一般通過(guò)掃描電鏡、電子顯微鏡、光學(xué)儀器等設備實(shí)現；

②電性檢測：在晶圓制造到一定階段或完成制造環(huán)節后，通過(guò)對器件或測試結構的電學(xué)性能測試，獲取相關(guān)電學(xué)參數，表征工藝狀況和芯片成品率。電性檢測一般通過(guò)電性測試機配合探針臺連接到晶圓實(shí)現測試。

將物理檢測和電學(xué)檢測所獲取的信息，反饋至晶圓廠(chǎng)用以改進(jìn)制造工藝，反饋至設計企業(yè)用以?xún)?yōu)化芯片設計，從而實(shí)現芯片成品率的提升。

而廣立微主要專(zhuān)注于電性檢測技術(shù)，以高效的電性檢測為手段、以實(shí)現芯片成品率提升為目的開(kāi)展業(yè)務(wù)，自主開(kāi)發(fā)出一系列軟、硬件產(chǎn)品和服務(wù)。對應公司的產(chǎn)品與服務(wù)如下：

六、整體數據比較

上文主要通過(guò)介紹國外幾大巨頭與國內頭部3家公司的業(yè)務(wù)覆蓋情況，總體來(lái)講，國際三巨頭通過(guò)多年的收并購與持續的高額研發(fā)投入，實(shí)現了EDA全產(chǎn)業(yè)鏈的布局，而國內幾家公司則憑借著(zhù)自己在各自領(lǐng)域的優(yōu)勢，也分得了一席之地。為了更加理性地分析國內外的競爭差距，通過(guò)各家公司的公開(kāi)披露數據，我們來(lái)對各個(gè)公司的總資產(chǎn)、收入、凈利潤、毛利率、研發(fā)費用投入等情況列于下表中。

從上表數據可以發(fā)現，雖然國內產(chǎn)商在奮起直追，營(yíng)收及凈利潤增長(cháng)都相對較快，但市場(chǎng)仍由主要國際知名廠(chǎng)商主導。與上述國際頂級廠(chǎng)商相比，國內在品牌影響力、技術(shù)研發(fā)水平、資金實(shí)力和市場(chǎng)占有率等方面均存在一定差距。

在研發(fā)費用規模方面，受制于國內公司整體規模和資金實(shí)力，公司的研發(fā)投入絕對規模遠低于國際主流廠(chǎng)商（普遍在0.4-3%之間）。

在市場(chǎng)占有率方面，國產(chǎn)EDA產(chǎn)品與國際知名廠(chǎng)商相比差距亦較大。如果后續公司不能持續加大研發(fā)投入、開(kāi)拓市場(chǎng)、提高產(chǎn)品服務(wù)水平以適應未來(lái)市場(chǎng)競爭格局，公司的經(jīng)營(yíng)業(yè)績(jì)可能受到不利影響。

七、寫(xiě)在最后

臥榻之側，豈容他人鼾睡，宋太祖的這句話(huà)雖然很老，但是放在今天，依舊是競爭的至理名言，市場(chǎng)是無(wú)比殘酷的，沒(méi)有所謂的禮讓三分、和平發(fā)展。

美國對華為的一紙禁令，直接讓全世界的晶圓廠(chǎng)不允許為華為的先進(jìn)制程代工芯片，使得華為縱使擁有高端芯片的設計能力，而沒(méi)有代工廠(chǎng)可以為華為制造出合格的芯片。

而現在，筆者想說(shuō)的是，如果美國對EDA工具再次進(jìn)行封禁，在半導體領(lǐng)域國產(chǎn)占比非常高的芯片設計領(lǐng)域，尤其是采用fabless的芯片設計公司，可能都會(huì )面臨巨大的風(fēng)險，所以，在核心技術(shù)領(lǐng)域，未雨綢繆是必需的，一方面，EDA需要政府的政策支持，另外一方面，也需要產(chǎn)業(yè)鏈上下游的共同努力。