2023成都積分入學什么時候開始申請
2023-01-31
讀懂EDA：想要賣芯片，留下買水錢
更新時間：2022-08-15 08:06:25作者：未知
在淘金熱潮中，誰能穩(wěn)賺不賠？不是淘金者，而是賣水人；在火熱的芯片投資熱潮中，EDA廠商正是這樣的“賣水人”
文 | 付斌
編輯 | 李拓
8月13日消息，美國商務部周五發(fā)布最終規(guī)定，對設計GAAFET（全柵場效應晶體管）結構集成電路所必須的EDA軟件；金剛石和氧化鎵為代表的超寬禁帶半導體材料；燃氣渦輪發(fā)動機使用的壓力增益燃燒（PGC）等四項技術實施新的出口管制。相關禁令生效日期為2022年8月15日。
EDA是芯片IC設計中不可或缺的重要部分，是一種廣泛使用的技術的高級形式，屬于芯片制造的上游產業(yè)，涵蓋集成電路設計、布線、驗證和仿真等所有流程。EDA被行業(yè)內稱為“芯片之母”。
目前，全球的EDA軟件主要由Cadence、Synopsys、Mentor等三家美國企業(yè)壟斷。稱霸EDA市場的美國三巨頭，牢牢占據了全球超過70%的市場份額，能夠提供完整的EDA工具，覆蓋集成電路設計與制造全流程或大部分流程。
在淘金熱潮中，誰能穩(wěn)賺不賠？不是淘金者，而是賣水人；在火熱的芯片投資熱潮中，EDA廠商正是這樣的“賣水人”。
EDA賽道熱鬧異常，先是合見工軟獲得11億元人民幣的Pre-A輪融資，后是華大九天登陸創(chuàng)業(yè)板，首日收盤暴漲129.43%。做EDA憑什么能拿到這么多錢？
在本文中，你將了解到：EDA的作用和特征，EDA發(fā)展歷史，EDA技術和應用的變革，國產EDA及背后的思考。
沒有EDA，就沒有芯片
EDA（Electronic Design Automation，電子設計自動化），是利用計算機輔助完成集成電路芯片的設計、制造、封測的大型工業(yè)工具。它是最基礎、最上游的領域，貫穿了集成電路產業(yè)鏈的每個環(huán)節(jié)。
簡單地說，EDA就是芯片設計師的畫筆和畫板，就像操作文檔要用Word，制作圖片要用Photoshop一樣，它能高效設計、控制及管理數十億電路元件在一顆芯片里協同工作。[1]
EDA算法密集，融合了圖形學、計算數學、微電子學、拓撲邏輯學、材料學及人工智能等多學科的算法技術，必須經過長時間技術積累和持續(xù)大規(guī)模研發(fā)投入，才能滿足新工藝的應用需求。
EDA支撐著集成電路設計和制造流程、關鍵環(huán)節(jié)，圖源丨概倫電子招股書[2]
EDA工具包括硬件和軟件兩部分。軟件是工具的核心，分為仿真工具、設計工具、驗證工具三種類型；硬件是用來加速仿真、驗證速度的服務器和專用工具。[3]
EDA軟件工具的三種類型，制表丨果殼硬科技。
資料來源丨新思科技[4]
設計工具、仿真工具、驗證工具在芯片設計流程中位置。
資料來源丨IEEE Xplore[5]
EDA非常重要，倘若它出現問題，產業(yè)下游的集成電路、電子信息和數字經濟都會崩潰。沒有EDA，就不可能設計和制造當今的芯片。
芯片設計過程極為復雜，要求設計精細度很高，稍有偏差就會導致芯片報廢，項目崩盤；同時，從90nm、65nm進化到3nm/2nm，制造成本攀升，所需設計步驟也越來越多，設計也越來越困難。[6]
EDA能發(fā)揮計算機輔助設計（TCAD）、面向制造的設計 （DFM）、硅生命周期管理 （SLM）三大關鍵功用，保證最終產品的良率和性能。一方面，EDA將復雜的芯片設計流程拆分成高級綜合、邏輯綜合、原理圖布局等若干步驟，并配備豐富的工具組件庫和可復用的參考架構；另一方面，EDA能利用仿真、驗證等工具在芯片生產前糾正錯誤。[7]
EDA擁有三個關鍵功用，制表丨果殼硬科技
EDA還與另一個細分市場密切掛鉤——半導體知識產權（半導體IP核）。所謂IP核，就是半成品芯片，提供不同復雜度的預設計電路，分為軟核、硬核、固核三類。鑒于IP核的使用和重復使用都依賴EDA工具，同時EDA和IP核還可以捆綁銷售，通常業(yè)界將兩者視為一個市場[4]。雖然EDA巨頭都擁有自己的IP核產品，但隨著市場擴大及IP供應商增加，現在的趨勢是將EDA和IP核獨立出來。
三種類型IP核，資料來源丨方正證券[8]
EDA是跟著集成電路變遷的。經歷了CAD/CAM（計算機輔助設計/計算機輔助制造）、CAE（計算機輔助工程）、ESDA（電子系統(tǒng)設計自動化）到EDA（電子設計自動化）四個階段，階段轉換本質上是芯片描述抽象層級的變化，精度依次提升。
復盤EDA市場發(fā)展行徑，與晶圓代工、數字芯片等發(fā)展歷史非常類似，都是從玩家稀少到百花齊放，再到優(yōu)勝劣汰，并購為僅剩1~2家、至多3~4家超大集合體的局面。
1964年~1978年，芯片晶體管密度低，集成度低，企業(yè)入局率低， Applicon、Calma和Computervision三家公司主導當時的CAD/CAM市場；
1979年~1992年，CAE成為新貴，相關企業(yè)參與率突然急劇上升，轉折點在于ASIC（商用專用集成電路）的出現，讓設計團隊可以接觸到以前為大型系統(tǒng)OEM預留的定制芯片，Daisy Systems、Mentor Graphics和Valid Logic三家公司主導當時的CAE市場；[9]
90年代初，技術一路發(fā)展，高級語言描述開始應用，ESDA當道，并開啟了行業(yè)并購，Synopsys（新思科技）、Cadence（官方譯名楷登電子）、Mentor（現為Siemens EDA）成為新三巨頭；[10]
2009年~2014年，巨頭以外的EDA相關專利申請逐漸減少，市場壟斷態(tài)勢初現，小公司被收購，大公司在競逐中被淘汰；
之后的幾年至今，EDA行業(yè)繼續(xù)整合，新思科技、楷登電子、西門子EDA收購許多小型初創(chuàng)公司，包括Forte、Jasper、Springsoft、EVE、Nimbic等，國內EDA融資潮起，一些老牌國產品牌開始擠進第二梯隊。
EDA發(fā)展階段及特征，制表丨果殼硬科技
資料來源丨IEEE Design & Test of Computers[9]
EDA不是好做的生意
EDA企業(yè)怎么賺錢？一般采取授權（License）的模式，即向客戶銷售指定版本的軟件，并收取合同約定期間的授權費。
授權又分為固定期限授權和永久授權兩種形式，可以簡單理解為Office 365和Office 2021的關系。對換代要求低的客戶大多數選擇永久授權，對換代要求較高的客戶選擇固定期限授權。固定期限通常為1~3年，也可以選擇在固定期內多次授權，相當于分期付款。[11]
固定授權是國際更為通行的模式，國際先進大廠均采用此形式，2021年，全行業(yè)固定期限內一次授權方式營收占比達55%[12]。這是因為芯片迭代迅速，要面對的物理現象、應用和工藝越來越復雜，這種方式能夠獲得EDA廠商對工具的實時更新、缺陷修復、技術支持及性能方面升級等[13]。
2019年~2021年公司EDA軟件銷售不同授權模式營收占比，圖源丨東吳證券
EDA行業(yè)具有明顯的可持續(xù)增長空間。2020年全球EDA市場營收115.7億美元，2026年全球EDA市場營收213.6億美元，年復合增長率10.9%。[14]
倒金字塔產業(yè)鏈結構，圖源丨華大九天招股書
但EDA也絕對不是一門好做的生意。如今，整個市場分為三級競爭梯隊，國產最高只做到第二梯隊，且份額太小，根據SIA（美國半導體協會）數據，國內EDA/IP占全球市場僅1%。[15]
全球EDA行業(yè)簡要格局，來源丨華大九天招股書[16]
誰處于絕對領先地位，市場規(guī)則就由誰制定。但實際上，新思科技、楷登電子、西門子EDA三家公司在市場上的競爭也極為激烈，雖然三家公司整體運營思路相同，但策略也不盡相同。
新思科技在營收、業(yè)務等方面無疑是規(guī)模最大的EDA相關企業(yè)，但單從EDA產品線來看，楷登電子與新思科技持平，甚至在往年更勝新思科技一籌。從戰(zhàn)略上來看，新思科技強化軟件集成型產品發(fā)展，通過頻繁并購平均發(fā)展旗下各產品線的產品實力。楷登電子實力底蘊扎實，并購動作相對較少也能保持EDA營收穩(wěn)定增長。[17]
EDA三巨頭基本情況對比，制表丨果殼硬科技
資料來源丨EDP Sciences[18]，《軍民兩用技術與產品》[19]，《中國集成電路》[20]
國內EDA發(fā)展曲折緩慢，直到2008年后才開始崛起：早在1981年~1985年，國內便陸續(xù)開發(fā)ICCAD一級系統(tǒng)和二級系統(tǒng)；1993年，熊貓系統(tǒng)問世；但之后15年里，受“造不如買，買不如租”觀念影響，國內EDA被拉開差距，彼時正值新思科技、楷登電子、西門子EDA上升期；2008年，EDA重新成為重點，華大集團將EDA部門獨立出來，名為華大九天；2010年，概倫電子成立[21]；2021年12月，概倫電子科創(chuàng)板上市；2022年7月，華大九天創(chuàng)業(yè)板上市。
國內EDA二級市場情況不完全統(tǒng)計，制表丨果殼硬科技
在國產替代風潮下，近兩年EDA一級市場非常活躍，融資金額一度達到11億元人民幣。
近兩年內國內EDA一級市場情況不完全統(tǒng)計，制表丨果殼硬科技
仍然需要指出的是，國產EDA以點工具為主，工具鏈不完整，三巨頭則覆蓋了產業(yè)鏈的各個方面。另外，國產EDA目前尚不能滿足尖端制程的要求，由于EDA處在最上游位置，因此EDA必須比芯片的工藝更先進。
國內外EDA支持工具鏈對比，制表丨果殼硬科技
國內外企業(yè)EDA產品支持制程對比，資料來源丨頭豹[22]
夾縫求生，還能怎么走
在高度壟斷之下，國產EDA究竟有哪些還能走的路？果殼硬科技團隊認為有如下幾點：
EDA需要的投入金額驚人。新思科技和楷登電子十年來凈利率大多數年份不超過15%，但卻從未因公司經營狀況不加而降低研發(fā)投入強度，研發(fā)占比全部高于30%，甚至部分時間研發(fā)占比超過40%。對于較小的EDA公司，這個數字可能會更高。[23]
高額投入意味著三家巨頭豎起了專利高墻，專利圍城導致國產處境極為尷尬。近兩年，所有半導體公司都開始建立一系列自己的知識產權，希望與競爭對手保持安全距離[24]，國產也需要自己的專利。
通過統(tǒng)計三巨頭在EDA關鍵技術專利數量和分布情況來看，發(fā)展程度、重點和專長上沒有太大差異，但研究基本集中在“驗證”“仿真”“布線”三個主題上，“時序分析”和“綜合”兩個部分研究還不多，這意味著“時序分析”“綜合”是能拉開技術差距的部分[18]。另外，“驗證”占芯片設計總成本70%以上，是國產EDA正在突破的領域。[25]
三大巨頭關鍵技術專利數量和分布情況，信息來源丨EDP Sciences[18]
傳統(tǒng)芯片是將所有器件放在單一裸晶 （Die） 上，功能越多芯片尺寸越大，Chiplet （小芯片） 是將大尺寸多核心分散到多個微小裸芯片上，如不同類型的處理器、模擬組件、存儲器等，再用3D立體堆棧的方式，像搭積木一樣組合在一起。[26]
Chiplet有多重要？AMD、英特爾、英偉達等頭部IC設計企業(yè)都推出過基于Chiplet技術的產品，蘋果也準備在下一代高端處理器中采用Chiplet技術[27]。為了讓Chiplet更好發(fā)展，Arm、AMD、Meta、英特爾、谷歌云、微軟、高通、三星、日月光和臺積電還發(fā)起了UCIe產業(yè)聯盟。[28]
實現Chiplet，EDA是關鍵。目前來說，Chiplet的最大問題是如何將部件組合在一起，誰來將這些部件組合在一起，國產EDA可就這些問題進行研究。
以軟件為核心的EDA，好用，讓更多人能用才是王道。
近年來，隨著芯片設計基礎數據量和系統(tǒng)運算能力上升，AI （人工智能） 和云技術開始深入EDA。這種模式也逐漸被行業(yè)認可，用戶的使用習慣也隨之改變。另外，傳統(tǒng)SoC設計需要在RTL級別下使用硬件描述語言進行邏輯、驗證，后來EDA逐漸開始支持C/C++/SystemC，學習晦澀難懂的語言不再是硬性要求。[29]
這種變化得益于設計方法學的進化，最終目的在于提升設計效率、確保設計正確性、提升芯片生產良率、加速設計流程，國產EDA也應當遵循這種模式進行發(fā)展。
EDA工具在設計方法學層面的發(fā)展方向，資料來源丨華大九天招股書[16]
近幾年，開源風潮盛行，誕生了開放的硅知識產權生態(tài)系統(tǒng)。開源EDA工具能快速引導國產EDA找到方向，同時還能為科學發(fā)展創(chuàng)造了全新生態(tài)系統(tǒng)。
開源EDA有五大可行性：其一，能夠快速識別最新基準測試結果，從而可以快速確定新的EDA解決方案，推動技術發(fā)展；其二，開源工具能夠加速EDA研究，可以在現有開源工具和組件的基礎上以更快的速度實現迭代，降低進入門檻；其三，由于EDA改進可能會被下游工具所掩蓋，完整開源的EDA工具能夠確保改進堅持到最后；其四，具有標準I/O格式交換的開源工具，能夠在開源工具和閉源工業(yè)間形成健康的生態(tài)系統(tǒng)，加快學術界和工業(yè)界知識傳播；其五，開發(fā)者社區(qū)能夠發(fā)現更多后門或漏洞，能夠帶來更值得信賴的設計過程。[30]
EDA貫穿芯片整個產業(yè)鏈，各個工具也環(huán)環(huán)相扣。三巨頭均不同程度地采取收購整合方式，實現全流程工具的覆蓋。國內目前僅有華大九天一家公司實現部分設計全流程方案，整體市場仍然呈現碎片化、地理化分散。[31]
EDA工具的兩種突破方案對比，圖源丨華福證券[32]
推進整合并非易事，何況國產EDA仍處在初期，不具備大規(guī)模并購條件。因此，國內可采取更為特色化的整合形式，通過行業(yè)龍頭牽動行業(yè)合作，加之政府扶持，因勢利導，形成合理的互惠模式。具體擁有三種銷售形式[31]：
另外，人才和團隊、技術和產品、市場和生態(tài)、資金與政策、法律與規(guī)范、軟件與硬件六大因素對EDA來說缺一不可，但現今EDA領域人才短缺，技術覆蓋不全面，生態(tài)建設不完整。這背后需要政府主導、資本市場助力，發(fā)揮了產學研集成效應，帶動集成電路發(fā)展。[33]
當國內力量都擰成一股繩時，繼而可構建自主的標準化。現如今，EDA所設領域廣泛，體系和功能繁雜，標準化工作涉及的范圍也很廣，國內可進一步推進自己的標準化工作。[34]
當各種資源整合在一起，占領市場必然會水到渠成。
參考文獻
[1] 蔡恩澤.EDA沖浪者[J].董事會,2021(Z1):97-99.
[2] 概倫電子：首次公開發(fā)行股票并在科創(chuàng)板上市招股說明書.2022.1.3.http://zqpdf.stcn.com/kcb/2021-11-24/zcg/c5cbfffb4aae41cc814b13f55d282000.pdf
[3] Zheng J N, Chien C F, Lin T Y. Real Time Electronic Design Automation (EDA) Scheduling System in IC Design Industry[C]//Proceedings of the 2019 international conference on management science and industrial engineering. 2019: 62-67.DOI:10.1145/3335550.3335566
[4] Synopsys：What is Electronic Design Automation.https://www.synopsys.com/glossary/what-is-electronic-design-automation.html
[5] KRYLOV G, KAWA J, FRIEDMAN E. Design Automation of Superconductive Digital Circuits[J].IEEE Xplore.2021.10.13.DOI:10.1109/MNANO.2021.3113218
[6] B. Martin, "Electronic design automation [1999 technology analysis and forecast]," in IEEE Spectrum, vol. 36, no. 1, pp. 57-61, Jan. 1999.DOI: 10.1109/6.738327.
[7] Sifakis J. System design automation: Challenges and limitations[J]. Proceedings of the IEEE, 2015, 103(11): 2093-2103,DOI:10.1109/JPROC.2015.2484060
[8] 方正證券：EDA行業(yè)研究框架專題報告.2020.6.9.
http://www.d-long.com/eWebEditor/uploadfile/202006151903178045687.pdf
[9] Sangiovanni-Vincentelli A. The tides of EDA[J]. IEEE Design & Test of Computers, 2003, 20(6): 59-75,DOI:10.1109/mdt.2003.1246165
[10] EEtimes：Synopsys to acquire Avanti for $830 million.2001.12.03.https://www.eetimes.com/synopsys-to-acquire-avanti-for-830-million/
[11] 華大九天：關于北京華大九天科技股份有限公司首次公開發(fā)行股票并在創(chuàng)業(yè)板上市的發(fā)行注冊環(huán)節(jié)反饋意見落實函中有關財務事項的回復.2022.6.23.http://file.finance.sina.com.cn/211.154.219.97:9494/MRGG/CNSESZ_STOCK/2022/2022-6/2022-06-23/8314639.PDF
[12] 東吳證券：EDA 國產之巔，唯一國家隊十年造夢全球龍頭.2022.7.20.https://pdf.dfcfw.com/pdf/H3_AP202207201576386328_1.pdf?1658387602000.pdf
[13] 概倫電子：上海概倫電子股份有限公司投資者關系活動記錄表.2022.2.28.https://stockn.xueqiu.com/SH688206/2022022817130101071314645.pdf
[14] GlobeNewsWire：Global Electronic Design Automation Tools (EDA) Market - Growth, Trends, COVID-19 Impact, and Forecasts (2021 - 2026).2022.7.7.https://www.globenewswire.com/news-release/2022/01/07/2363282/0/en/Global-Electronic-Design-Automation-Tools-EDA-Market-Growth-Trends-COVID-19-Impact-and-Forecasts-2021-2026.html
[15] SIA：Taking Stock of China's Semiconductor Industry.2021.7.13.https://www.semiconductors.org/taking-stock-of-chinas-semiconductor-industry/
[16] 華大九天：首次公開發(fā)行股票并在創(chuàng)業(yè)板上市招股說明書.2022.7.25.http://www.szse.cn/disclosure/listed/bulletinDetail/index.html?7e94b593-7f95-47d3-bdd5-a6cd0afc643b
[17] 駱軼琪.“芯片之母”EDA的國產化之路[N].21世紀經濟報道,2021-08-06(012)
[18] Li W, Wen H, Duan P. Key technologies and international trends in EDA field of digital IC design: a patent analysis[C]//SHS Web of Conferences. EDP Sciences, 2022, 140.DOI:10.1051/shsconf/202214001020
[19] 鄭晨.觀全球EDA三大巨頭崛起之路 談國內EDA企業(yè)破局之道[J].軍民兩用技術與產品,2021,(09):10-19.
[20] 張?zhí)靸x,劉超,王珺,陳穎.EDA行業(yè)人才隊伍建設研究[J].中國集成電路,2021,30(09):31-36.
[21] 集微網：【芯歷史】錯失15年的中國EDA產業(yè)，最終走上崛起之路.2022.4.13.https://laoyaoba.com/n/814235
[22] 頭豹：中國EDA行業(yè)概覽.2022.03.https://pdf.dfcfw.com/pdf/H3_AP202204211560705251_1.pdf?1650575333000.pdf
[23] 張?zhí)靸x,劉超,王珺,陳穎.EDA行業(yè)人才隊伍建設研究[J].中國集成電路,2021,30(09):31-36.
[24] Semi：Homegrown EDA Tools, Open Source, Starting an EDA Company: Verific on Chip Design Trends.2021.10.4.https://www.semi.org/en/blogs/technology-trends/homegrown-eda-tools-open-source-starting-eda-company-verific-chip-design
[25] 集微網：【芯視野】國產EDA新命題：突破驗證堡壘，整合已提上日程.2022.7.25.https://www.laoyaoba.com/html/share/news?source=app_ios_3.4.9&news_id=826628&utm_source=utm_source_sharewxm
[26] 東方證券：工業(yè)軟件之 EDA 深度報告（二）：后摩爾時代下 EDA 產業(yè)需關注的五大趨勢.2022.1.5.https://pdf.dfcfw.com/pdf/H3_AP202201051538659299_1.pdf?1641416320000.pdf
[27] 半導體行業(yè)觀察：淺議本土chiplet的發(fā)展路線.2022.1.5.https://mp.weixin.qq.com/s/ZWQ6D5mDzu4XDJc-WY1HUA
[28] UCIe官方網站：https://www.uciexpress.org/membership
[29] Damiano R, Camposano R. The Integrated Circuit Design Process and Electronic Design Automation[M]//EDA for IC System Design, Verification, and Testing. CRC Press, 2018: 2-1-2-14.
[30] Reda S, Stok L, Gaillardon P E. Guest Editors’ Introduction: The Resurgence of Open-Source EDA Technology[J]. IEEE Design & Test, 2021, 38(2): 5-7.DOI:10.1109/mdat.2020.3038851
https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?arnumber=9398954
[31] 劉星,夏璠.數字集成電路EDA軟件行業(yè)發(fā)展前景探析[J].中國信息化,2021,(09):117-120.
[32] 華福證券：概倫電子國產EDA點工具領跑者.2022.6.1.https://pdf.dfcfw.com/pdf/H3_AP202206021569558838_1.pdf?1654196916000.pdf
[33] 王禮賓.數字經濟雙循環(huán) EDA技術突破正當時[J].軟件和集成電路,2020,(11):39-40.
[34] 張英男.標準化助力國內EDA產業(yè)發(fā)展研究[J].中國標準化,2021,(08):74-76.