EDA的中场战事

（文：史悦）

2020，沧海横流，疫病横生，偏偏此时国际关系剑拔弩张。以中美摩擦为剧，一时间火花四溅，骇浪惊涛。

从中兴通信事件为始到516华为全面进入实体清单，此间已二年有余，中美关系逐步从长期的进出口互惠，走向科技领域的全面对抗。

尤其以半导体为首的科技产业被推入风口浪尖，甚至一个企业，便要承受一个国家的命运和担当。

作为产程密集度、工业自动化程度、技术密集度最高，代表人类最顶级智慧结晶的行业，半导体产业的低国产化、低自给化和产业中低端化，成为此次美国掣肘中国的利剑。

高端芯片不能自给，产业链环节缺失和结构倒挂，让中国的半导体产业成为此次中美对抗的阿喀琉斯之踵。

电子设计自动化—— Electronic Design Automation，简称EDA，是芯片设计最上游、壁垒最高的部分，却是国内芯片产业几乎最薄弱的环节，被强行推向舞台中央。

作为产业中枢和设计之母，EDA承载起中国半导体产业生态的塑造之路，其产业位置之重要，见微知著：

集成电路作为整个半导体产业的核心，其技术设计的复杂性，产业结构的专业化，使得一套完整的EDA软件成为刚需，较之前有限的晶体管布局和布线难度，现有集成电路设计之繁杂，规模之巨大，均不是单纯人力范围所能覆盖。

EDA出现之前，传统设计人员必须通过手工完成设计和布线等基础工作，彼时前沿的工程师，不过是使用集合方法制造用于电路光绘的专用胶带（Photo plotter）便可满足需求。

EDA作为高阶的电子设计自动化，并未在彼时呼之欲出，取决于传统集成电路的复杂程度仍较原始，半导体工业仍延续粗放生产。

随着数据的快速扩张导致计算量的极限增长，手工设计愈发吃力。为了配合工程师的需求，自动完成掩膜草图开始出现，提供电路布局和布线的研发工具雨后春笋般出现在设计人员的视野中。

真正的突破出现在1980年，加州理工学院教授Carver Mead和全录帕洛阿尔托研究中心的程式设计师Lynn Conway共同发表了一篇具有划时代意义的论文《超大规模集成电路系统导论》 （Introduction to VLSI Systems）。

这篇论文将编程语言构建芯片设计的新思想推向世界。以此成果编写的《VLSI系统简介》成为当时标准的课堂教材，在超过一百所高校里使用。

(两位在1981年被Electronics期刊评为年度成就奖)

具体展开，EDA到底在芯片设计中扮演着怎样的重要角色？

芯片设计分为前端和后端，前端调节芯片逻辑，后端完成物理实现。

二者清晰划分但并不严格切分界限，涉及一切工艺相关则统一划分为后端，前端则对芯片门级网表电路进行逻辑梳理，一则实现对芯片的功能定义，二则为功能实现行为寻找物理路径，最终形成布局规划和逻辑输出。

芯片设计的过程，就是工程师利用程式码规划芯片功能的过程。而通过EDA工具，工程师得以将程式码转化成为实际电路设计。

再具体一点：

（EDA三巨头之一Cadence的产品界面展示）

作为逻辑综合工具的EDA，不仅为设计的逻辑闸提供意见的修改，其更重要的价值是在SoC（System on Chip，系统级芯片）数以亿计的今天，大幅度地降低了设计试错成本。

大规模集成电路的复杂度，已经远超人类设计仿真的控制极限。因此，在动辄流片费用百万千万计的今天，任何一家芯片公司都无法承受数次流片失败的成本。设计环节的丝毫差错，都可能导致巨大的财务损失。

EDA的出现，至少将此成本缩减超百倍。

随后，集成电路的布道者们开始大肆宣传集成电路与承载的人类命运，几乎和集成电路所能承载的复杂程度直接关联。这在当时看起来几乎荒诞的理论，在40年后的今天一语中的 —— 

通过编程语言设计和验证电路预期行为，并通过逻辑综合工具软件得到低抽象级物理设计的研发途径，迄今为止仍然是数字集成电路设计的思想基础和工程基础。

在这个基础之上，EDA的商业化在上世纪80年代高速发展：

产业规模的急速扩张和竞争逐步加剧，导致分工模式进一步细化。

EDA犹如达摩克斯的利剑，精确切分原来由IDM （Integrated Device Manufacturer，集约化制造商）主导的半导体产业生态，逐步演化成了Fabless（无工厂仅设计） + Foundry（代工厂） + OSAT（Out Sourced Assembly and Testing，封测代工厂）的产业格局。

后来耳熟能详的IC设计、IC制造和IC封装，三大核心板块逐渐形成。

（来源：电子产品世界EEPW）

因为EDA，产业生态的上中下游，第一次被清晰的展现出来。

“当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。”

——戈登·摩尔（英特尔创始人之一）

摩尔定律作为半导体行业的金科玉律已运转多年，应验了无数半导体发展的重大时刻，并像圣经一般，收敛了整个芯片产业上下游的发展和演化规律，使其达到了实质意义上的统一。

而EDA的迭代，数年来也追随摩尔定律有序发展，承载了人类迄今为止超大规模集成电路的设计，发展和产业化演进。

但凡事终有极限，物理性征的限制，使得摩尔定律大有被替代更新的趋势。

在2019年人类撬开7nm大门后，传统EDA支撑下的IC设计遭遇瓶颈，对复杂设计的不断追求和提升集成电路性能，并缩小尺寸的要求进一步提升。

如何在EDA上追赶并超越摩尔定律，成为人类触碰下一代超大规模集成电路的核心要素 —— AI，物联网和虚拟现实等技术的不断更迭，人类对集成电路的要求也越发提升，对EDA的智能型要求也愈发提升。

以IT产业为例，手机和服务器为代表的设备更替周期从2010年全面到来至今年为止，人类社会对智能手机、大规模数据中心的替代基本结束。下一代智能终端包括和5G相关的各类硬件及软件工具将再一次带来设备更迭的产业浪潮。

（全球EDA市场区域分布，来源：Transparency）

因此，对集成电路的要求、设计复杂度的要求和可靠性的要求将更胜彼时，定制化、高个性化、私有化的要求也会随着产业周期的变革愈发高涨。

EDA工具除了设计，服务能力和智能化程度，必然会进一步划分EDA市场的终极格局和生态构成。

芯片设计所形成的重复使用设计模块，被称为我们常听到的IP（Intellectual Property，知识产权核）。

一个成功的IP设计往往拥有独家版权，并且将成为未来功能化芯片设计改良的母版，被各大公司采购和重复利用，造就了高通、英特尔等巨头。

并不是每个新的芯片都需要重复设计每个细节，各家公司可以通过购买成熟可靠的IP方案，在原有的IP基础上搭建特定的客户需求和技术方案，从而缩短设计开发流程，提高可靠性，将芯片的产业价值和规模最大化。

作为已经存在世间超过50年的传统型工业，集成电路工业已积累了数以万计的成熟IP供市场使用，现有的不少SoC厂商通过发掘市场中成熟的IP进行自我演进，并在功能上精确嫁接客户需求，缩短整个交付流程：

研发周期、交付周期和迭代周期同比例得到精简和优化，这个产业思路逐步扩大到各个SoC厂商成为固定套路，整合和发掘IP满足客户需求并大规模出货，成为厂商迅速实现规模化，集成化优势壁垒的通途。

在串联IP商业价值上，EDA为IP内核提供了三种表现形式：

可以看出，三种特定的表现形式使得IP模块和芯片设计企业的研发体系高度耦合。

作为具备先发优势的欧美厂家，IP的丰富程度，与SoC企业的深度耦合经验和历史，让双方的竞争力成为一个密不可分的有效整体。

分立的EDA公司一枝独秀绝不能支撑整个体系，需要与系统级开发商深度耦合，系统级开放商对产业深度理解并挖掘客户需求，最终反馈到IP设计，再反向传导至EDA完成闭环。

不断的演进和替代，才能形成真正的生态和竞争模式。

EDA企业，SoC厂商，IP授权方深度和长期捆绑，最终决定了EDA产业赢家通吃的基本局面。新进者无论具备怎样密集和有效的设计基础和能力，都很难打破现有的产业格局。

(Intel的生态产业链)

不过如前面所述，随着科技发展和产业周期迭代，传统数字电路IP生产的方式方法，也在悄然发生改变。顶层架构设计和模块指标的模拟IP，如今已可自动生成和生产。自动IP的生成逐步成熟，使最优设计完全可以通过本身有效的数据收敛，得到理论上的最优解。

2018年，半导体IP市场规模约为46亿美元，而模拟IP自动生成领域，下穿到垂类行业（如射频、数模混合、处理器等）的话，当前基数均可忽略不计。

作为新兴行业，自动模拟IP生成工具的优化和产业化，未来将很可能成为EDA新的战场，跳过SoC形成的原有格局，在新格局上重新竞争，重新划分江湖。

EDA从无到有，并最终成为撬动整个半导体行业的杠杆和基石，前面提到的三大EDA厂商以江湖盟主的姿态，霸占产业山头。

提EDA，Synopsys就是不可逾越的大山，是EDA世界当之无愧的王者，行业制定者和领军人。在EDA的发展轨迹上，提供整体解决方案即Total solution，并从整体方案往下延展行业渠道的公司，往往更有竞争力 —— 犹如在半导体行业里掌握分立器件技术的公司比比皆是，但是捏合起来成为整体却艰难异常。

纵观美国半导体巨头发展简史，掌握Total solution能力的巨头，往往是从单一器件和单一能力入手切入市场，通过大规模的整合并购，完成自我能力的塑造和建设。

以Synopsys为例，34年的发展历史上，从幼年期收购Zycad公司的VHDL仿真业务入手，使得Synopsys一夜间掌握了前后端一体化的EDA能力，如此甜头在往后的岁月里被不断复制，加强，逐步衍生出全套的技术解决和工程验证能力，最终成为一代领军。

(位于美国加州山景城的Synopsys总部)

有意思的是，整合并购作为一种典型扩张手段，三大巨头具有明显的不同，这和企业本身的基因高度相关。

Synopsys从诞生初期便立足于为客户在整体上优化设计环境，核心Knowhow隐藏在产品后不让客户直接感知，产品迭代速度和发展，通过内部研发和交易并购解决。

从Astro、DFT到TetraMAX和Vera等产品来看，Synopsys力图从产品整体的角度，致力优化设计、布局到布线的整体环境，便于客户在设计流程的前期更加容易熟悉和感知环境，确保在时序和测试覆盖要求同时满足的情况下，尽可能提升操作体验，为客户的设计服务提供更自由的工具和交付空间。

Cadence从诞生的第一天便是高度混合的个体，前身SDA System和ECAD作为EDA江湖最早出现在公众视野的顶尖公司，擅长领域和对前后端理解有诸多不同，而二者最终于1988年合二为一，将Cadence瞬然保送至全球第一EDA企业的高度。

从程序方案服务和设计服务，覆盖从半导体、计算机系统、网络工程、消费电子及其他各类电子产品的设计，使其覆盖的产业和技术远超同类竞争对手，加上常年近40%的研发投入和美国国防部的长期支持，使得Cadence在2002年之前，一直处于全球EDA之巅。

Mentor Graphics的核心是EDA软硬件耦合，对PCB解决方案的设计上，提供EDA和模拟硬件系统。产业较前两家有一定差距，没有提供Total solution的能力，但PCB设计工具方案的完整度，使得该公司仍然稳居世界第三。

产业并购方面，MG自成立至今虽然也有66起并购发生，但产生行业影响力的事件并不多，最终在2016年11月以45亿美元卖身西门子，成为西门子数字工厂的一部分。

伴随中美对抗走入全新时局，半导体自给率将由主动替换走向被动替换，中国已是全球最大的半导体消费市场，据预测2020年将达到全球半导体消费总额的60%。

然而作为拥有超过86座光晶圆厂的超极半导体大国，却不得不面临国内EDA孱弱的现实：