適合中國EDA發(fā)展的道路思考

放眼世界，我們面對的是百年未有之大變局，而半導(dǎo)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(dǎo)體產(chǎn)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(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的 5559 億美元，同比增長 26%。根據(jù)半導(dǎo)體調(diào)研機(jī)構(gòu) IC Insights 發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2021 年中國大陸制造的半導(dǎo)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(yán)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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正在蓬勃發(fā)展，國內(nèi)的半導(dǎo)體市場容量非常大，國產(chǎn)替代迫在眉睫。

圖 | 中國 IC 市場和中國 IC 自產(chǎn)情況對比，圖源：IC Insights

此外，根據(jù)有關(guān)專業(yè)機(jī)構(gòu)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(dǎo)體產(chǎn)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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，首先就要保障貫穿整個半導(dǎo)體產(chǎn)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(chǎn)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(guān)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(jīng)驗借鑒、后摩爾時代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢，以及中國 EDA 產(chǎn)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。

襁褓中的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，EDA 故事的起點

EDA 故事的起點要從上世紀(jì) 70 年代說起，那時候芯片復(fù)雜度低，芯片設(shè)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(jī)輔助進(jìn)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(shè)計(SAD)軟件。但是，初代的 EDA 大都附屬在機(jī)械 CAD 的供應(yīng)商之下，比如當(dāng)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(jìn)行直接制圖設(shè)計，雖然在電路繪圖的步驟有或多或少的工具應(yīng)用，但本質(zhì)上還是所見即所得(WYSIWYG)的人工直接設(shè)計。

圖 | 早期的集成電路樣本，圖源： Computer History Museum

與此同時，一款由加州大學(xué)伯克利分校 Ron Rohrer 和 Larry Nagel 團(tuán)隊研發(fā)的代碼開源的仿真器—— SPICE 正在經(jīng)歷它關(guān)鍵的版本更新迭代，不斷向 IC 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)。隨著 IC 復(fù)雜度的提升，該技術(shù)的使用者越來越多，到了 70 年代末，絕大部分半導(dǎo)體公司都已經(jīng)用上了 SPICE。

進(jìn)入上世紀(jì) 80 年代后，電路設(shè)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(shè)計師可以直接采用高級語言 " 設(shè)計電路板 "，然后通過邏輯綜合工具把抽象的設(shè)計自動轉(zhuǎn)化成機(jī)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(biāo)準(zhǔn)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(wù)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(guān)，是當(dāng)時最賺錢的設(shè)計自動化公司。

據(jù)悉，這些早期的點工具已經(jīng)可以基于標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)交換，通過組合，對硬件抽象語言進(jìn)行自動處理，直到產(chǎn)生可制造的物理設(shè)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(dāng)時硬件設(shè)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(guān)或者不產(chǎn)生矛盾，從而有效推動了半導(dǎo)體設(shè)計制造的快速發(fā)展，這一階段被稱為 EDA 1.0 時期。

圖源：IBM

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(shè)計規(guī)模越來越大，功能越來越復(fù)雜，為了提高工作效率，優(yōu)化設(shè)計方法學(xué)，更有效率地保障點工具以及制造任務(wù)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(shè)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(shè)計驗證流程和方法學(xué)。

茁壯的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，EDA全流程平臺初長成

進(jìn)入上世紀(jì) 90 年代，硬件語言的標(biāo)準(zhǔn)化和集成電路設(shè)計方法不斷發(fā)展，EDA 市場上出現(xiàn)了設(shè)計方法的各種流派，比如全定制設(shè)計、半定制設(shè)計，ASIC 設(shè)計、標(biāo)準(zhǔn)單元庫、門陣列、可編程邏輯陣列等。

與此同時，隨著半導(dǎo)體工業(yè)持續(xù)按照摩爾定律的節(jié)奏往前發(fā)展，元器件的物理尺寸指數(shù)級縮微，芯片上的元件呈指數(shù)級增長，系統(tǒng)功能集成的復(fù)雜度指數(shù)級增長，而且物理制造工藝和材料選擇也越來越需要反饋到設(shè)計層面進(jìn)行提前考量。

圖 | 芯片示意圖

到了九十年代晚期，半導(dǎo)體電路設(shè)計人員已經(jīng)很難有效地使用一系列分離的局部點工具來解決整個設(shè)計流程中的全局收斂和優(yōu)化問題。在流程前端進(jìn)行的局部優(yōu)化往往被后端所抵消，甚至造成后端無法找到收斂方案，更不用說實現(xiàn)最優(yōu)方案。

這種點工具之間的乒乓和蹺蹺板效應(yīng)直接促使 EDA 業(yè)界開始往兩個方面發(fā)力：一方面建立適合全流程各種不同算法之間高效通用的數(shù)據(jù)模型;另一方面開發(fā)具有前瞻性能的整體優(yōu)化算法，把后端設(shè)計的要求作為前端算法約束進(jìn)行綜合考慮的工具。

從 congestion-driven 的分割和布局技術(shù)，到 timing-driven 的時鐘樹和布局技術(shù)，再到后來的 manufacturability-driven 和 yield-driven 的物理實現(xiàn)和優(yōu)化技術(shù)等，不僅從技術(shù)上通過反復(fù)整合消化形成從 RTL 到 GDSII 的全流程方法論和工具鏈，更是從商業(yè)角度促成了如今的三巨頭聯(lián)合壟斷局面，這一階段被稱為 EDA 2.0 時期。

圖源：IBM

這個階段成功的關(guān)鍵在于從全流程的跨度思考問題，找出真正的架構(gòu)承重點，在這些關(guān)鍵技術(shù)上聚焦深耕，開發(fā)迭代出硬核的錨定產(chǎn)品(anchor product)，然后以這些點為奠基石往上下游延展出具有全流程功能覆蓋和 QoR 差異化的平臺解決方案。

隨著 21 世紀(jì)以來半導(dǎo)體設(shè)計行業(yè)的不斷整合并購，智能手機(jī)行業(yè)的興起等變化，全球行業(yè)競爭逐漸加劇，處于激烈競爭的各個設(shè)計公司，不斷地提高對 EDA 工具流程和技術(shù)的期望，以追求更短的產(chǎn)品面市周期?？梢钥吹竭@一時期，EDA 發(fā)展的核心思路之一在于如何尋找和建立獨特的技術(shù)角度和基礎(chǔ)，更好的加速設(shè)計的優(yōu)化和全局收斂。例如七八年前開始，各家都在設(shè)計實現(xiàn)流程的某些環(huán)節(jié)，不斷積極嘗試和更主動的引入 ML/EL 等 AI 技術(shù)和方法，來大大提高基于經(jīng)驗性數(shù)據(jù)的優(yōu)化和收斂過程，成就了如今新思的自主芯片設(shè)計解決方案 DSO.ai 和 Cadence 的智能芯片探索器 Cerebrus。

EDA主流企業(yè)浮浮沉沉幾十年，經(jīng)典教訓(xùn)中尋求后發(fā)優(yōu)勢

伴隨著 EDA 核心技術(shù)的進(jìn)步，在初步成形的 EDA 全流程平臺上，業(yè)界開始嘗試各個方向的商業(yè)性探索。比如 2014~2015 年左右，大數(shù)據(jù)和云計算潮流處于風(fēng)頭浪尖的時候，業(yè)界開始有人基于對 EDA 流程中計算力需求和數(shù)據(jù)流瓶頸的分析，在一些正式場合曾提出所謂的 EDA3.0 EDAaaS：開放工具和技術(shù)平臺，用面向大數(shù)據(jù)和云計算的模式來開展設(shè)計服務(wù)的轉(zhuǎn)型。這個探索側(cè)重于對現(xiàn)有 EDA 用戶的硬件設(shè)計過程中的計算需求做優(yōu)化，對用戶已經(jīng)積累的海量設(shè)計數(shù)據(jù)進(jìn)行再處理，提取并重組有效信息以簡化和縮減產(chǎn)品設(shè)計周期，甚至試圖實現(xiàn)產(chǎn)品本身的優(yōu)化和差異化等。

圖源：IBM

這一嘗試雖不失為對 EDA 商業(yè)模式的有益探索，但是從提供硬件設(shè)計實現(xiàn)的核心技術(shù)解決方案到提供設(shè)計服務(wù)和周邊生態(tài)支持的轉(zhuǎn)型，難以體現(xiàn) EDA 自身的核心價值(core competence)，長期下去甚至讓 EDA 產(chǎn)業(yè)在核心技術(shù)層面逐漸失去競爭力。

然而最終我們發(fā)現(xiàn)，這一提議從根本上是偏離 EDA 本身技術(shù)發(fā)展路線的，所以至今鮮見成功案例。反倒是近幾年來，EDA 產(chǎn)業(yè)巨頭們在關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點上的進(jìn)一步深耕，用拳頭產(chǎn)品來錨定進(jìn)而整合出全流程的平臺，使得以核心技術(shù)為主的發(fā)展路線至今仍然充滿創(chuàng)新生命力。并且他們不斷擴(kuò)大對 EDA 基礎(chǔ)研發(fā)上的投入，比如數(shù)字設(shè)計前后端的融合(Fusion)技術(shù)，電路設(shè)計與制造的交互優(yōu)化(DTCO)，以及試圖對硅芯片直接抽象到系統(tǒng)級別來延續(xù)摩爾定律等諸多領(lǐng)域的著力和嘗試，都是基于對關(guān)鍵核心技術(shù)的繼續(xù)研發(fā)和二次開發(fā)。

圖 | CAD 行業(yè)中的企業(yè)浮沉史，圖源：億歐

與此同時，幾家 EDA 主流企業(yè)在發(fā)展過程中，歷史上都曾經(jīng)出現(xiàn)過幾個階段，由于一些失誤導(dǎo)致某些產(chǎn)品優(yōu)勢的喪失和市場的失守。我們將這些歷史上的經(jīng)典失誤總結(jié)為三個方面：" 一是對大客戶需求和技術(shù)更新的遲鈍;二是極度缺乏技術(shù)整合發(fā)展的頂層思路;三是過于偏重商業(yè)模式的創(chuàng)新。"

所以，在中國發(fā)展 EDA 的道路上，一定要以史為鑒，避開這些經(jīng)典教訓(xùn)，才能更好地利用我們的后發(fā)優(yōu)勢。

后摩爾時代，如何培育出世界級的中國EDA 公司?

縱觀 EDA 主流企業(yè)在過去幾十年的浮浮沉沉，并形成了今天三家獨大的市場局面。不管是某兩家公司在數(shù)字實現(xiàn)主流程上二十來年的你追我趕，各領(lǐng)風(fēng)騷數(shù)年的過程，還是某幾家在某些工具上長時間的一家獨大，可以很清楚的看到，EDA 是一個產(chǎn)品為王的行業(yè)。華大九天副總經(jīng)理董森華表示：" 誰能更快地把握系統(tǒng)級客戶和 IC 設(shè)計公司的真正需求和痛點，擁有更好的產(chǎn)品和技術(shù)，并持續(xù)優(yōu)化，誰就能主導(dǎo)市場，獨領(lǐng)風(fēng)騷。這也是 EDA 公司為什么需要在發(fā)展過程中，不斷的通過技術(shù)的更新，產(chǎn)品的迭代，來保持在市場上的產(chǎn)品技術(shù)競爭力的原因所在。"

回顧 EDA 產(chǎn)業(yè)的誕生和發(fā)展壯大的歷程，可以看到 EDA 的本質(zhì)是一個面向電子設(shè)計應(yīng)用，解決具體問題的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。不斷地追求性能和效率提升的過程，同時，它也是一部 EDA 巨頭形成的并購史。

圖 | 新思部分并購案例跟蹤數(shù)據(jù)

根據(jù)資料顯示，Synopsys 從 1994 年 5 月第一筆收購 Logic Modeling Corporation 起，到最近的 2021 年 4 月收購 MorethanIP GmbH 為止，共完成 112 起收并購案例;Cadence 從 1989 年 9 月第一筆收購 Gateway Design Automation 起，到最近的 2021 年 4 月收購 Pointwise 為止，共完成 79 起收并購案例;而 Mentor Graphics 從 1990 年 1 月第一筆收購 Silicon Compiler Systems 起，到獨立運營的 2018 年 6 月收購 Austemper Design Sys 為止，共完成 56 起收并購案例，被收編進(jìn) Siemens EDA 后又完成了從 TASS International 到 OneSpin 標(biāo)的的 14 起 EDA 相關(guān)的收并購案例。再加上 2021 年 4 月以來的幾筆并購，這意味著在過去的 33 年中，三家 EDA 巨頭企業(yè)共完成了約 270 起收并購案。

為何要提這一點?因為并購可以使巨頭更強(qiáng)大，EDA 工具覆蓋面更廣，當(dāng)然，強(qiáng)大的并購整合能力是需要深耕產(chǎn)業(yè)了解生態(tài)，也更需要強(qiáng)有力的資本支持。然而當(dāng)這些收購者在將收購回來的點工具進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換或打包時，由于原生開發(fā)的點工具沒有統(tǒng)一的流程架構(gòu)以及覆蓋率數(shù)據(jù)，就會遇到驗證結(jié)果融合問題，呈現(xiàn)碎片化的狀態(tài)，所以在效率方面自然是打折扣的。

根據(jù) ESD Alliance 的數(shù)據(jù)顯示，2020 年全球 EDA 市場規(guī)模為 115 億美元，2010-2020 年 10 年復(fù)合增速為 8%，市場規(guī)模平穩(wěn)增長。由此可見，EDA 市場容量正在不斷擴(kuò)大，雖然全球市場已經(jīng)呈現(xiàn)半壟斷的局面，但也不是沒有國產(chǎn) EDA 企業(yè)的機(jī)會。合見工軟產(chǎn)品方案和市場副總裁敬偉表示：" 在 EDA 領(lǐng)域的眾多細(xì)分方向中，驗證伴隨著芯片設(shè)計的全過程，隨著工藝的演進(jìn)和設(shè)計的復(fù)雜化，驗證工具的開發(fā)存在較高的技術(shù)壁壘和準(zhǔn)入門檻，目前已經(jīng)成為研發(fā)工具成本占比最高的一塊，因此驗證領(lǐng)域的突破對中國芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展至關(guān)重要。后摩爾時代，隨著 Chiplet 逐漸成為芯片設(shè)計業(yè)的主流技術(shù)趨勢之一，這也帶來了先進(jìn)封裝設(shè)計中所存在的高集成度、高匹配性等復(fù)雜問題，如何通過 EDA 工具來高效解決這些問題勢在必行。因此，這些都是中國 EDA 企業(yè)很好的突破口。"

在 EDA 這樣一個人才和技術(shù)高度密集的產(chǎn)業(yè)中，中國新興的 EDA 公司如何能真正實現(xiàn)技術(shù)和人才的突圍，是一個首先需要考慮的問題。

" 作為一個 EDA 行業(yè)的老兵，我認(rèn)為現(xiàn)代大型 SoC 的邏輯和物理實現(xiàn)，是極端硬核的技術(shù)產(chǎn)品。EDA 工具一個缺失，動輒造成一年兩年的產(chǎn)品延誤，對芯片和系統(tǒng)公司的后果是災(zāi)難性的。國外領(lǐng)軍企業(yè)深度積累幾十年，尚且不敢怠慢，每年投入幾十億美金戰(zhàn)戰(zhàn)兢兢做研發(fā)。我們除了腳踏實地努力追趕，別無他法。不能成天云里霧里幻想靠著商業(yè)模式去超車?；ㄈC腿打不過真老虎的。" 鴻芯微納創(chuàng)始人兼 CTO 王宇成博士強(qiáng)調(diào)。

換句話說，中國新興的 EDA 公司必須要有足夠的、真正極富經(jīng)驗的高端 EDA 技術(shù)研發(fā)人才作為領(lǐng)軍人物和核心骨干，才能駛?cè)胫袊?EDA 產(chǎn)業(yè)發(fā)展的快車道。

然而 EDA 是一個集數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)和電路、機(jī)械、計算、光學(xué)、信號處理等尖端技術(shù)為一體的軟硬件綜合產(chǎn)業(yè)，人才非常難覓，且 EDA 本身工具鏈又非常長，常用的核心工具至少超過 10 多個大類，需要的人才基數(shù)是非常大的。在過去的十多年中，Cadence 和 Synopsys 兩家公司在中國成立了成規(guī)模的研發(fā)團(tuán)隊，加上原來的本土 EDA 公司，中國國內(nèi)有經(jīng)驗的研發(fā)大概也就 1000 人左右，而能稱為核心研發(fā)人員的大概只有 10%-20%。與此形成鮮明對比的是，三大家每家在每個大類的研發(fā)都能輕松超過千人，也就是說至少要 1000 個有豐富經(jīng)驗的研發(fā)工程師，經(jīng)過多年的開發(fā)，才能完成一個有世界競爭力的產(chǎn)品。

因此，當(dāng)人才問題成為中國 EDA 發(fā)展的核心難題時，中國要如何實現(xiàn)突破呢?

首先，IC(集成電路)行業(yè)被戲稱中印(India & China)，在美國有不少資深的中國人在 EDA 行業(yè)中，這些人中也不乏領(lǐng)軍人物。如果能吸引他們回國來帶動和培養(yǎng)團(tuán)隊，才有機(jī)會為產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供人才支撐。

同時，考慮到產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，自身造血能力不足是中國 EDA 發(fā)展的一大瓶頸，就如同前面提到的，大量 EDA 產(chǎn)品和技術(shù)的研發(fā)既需要掌握計算機(jī)科學(xué)的知識，又需要掌握電子工程的知識。而在現(xiàn)在的產(chǎn)業(yè)環(huán)境下，大部分優(yōu)秀的計算機(jī)科學(xué)人才被人工智能、互聯(lián)網(wǎng)等產(chǎn)業(yè)炒熱，富有經(jīng)驗的電子工程人才又因為集成電路行業(yè)的高速發(fā)展而緊缺。在如今這樣的產(chǎn)業(yè)熱潮之下，人力成本高速上漲，很難吸引到優(yōu)秀的計算機(jī)學(xué)科和電子工程學(xué)科人才投入到跨領(lǐng)域的 EDA 行業(yè)中來。

因此，中國新興 EDA 公司的成長之路，注定是會遇到多方面的困難，這些困難可能會來自于技術(shù)的限制、人才的短缺、壟斷打壓等不公平競爭的市場環(huán)境，如果中國的 EDA 企業(yè)要想真正實現(xiàn)技術(shù)領(lǐng)先與突破，就迫切需要得到來自相關(guān)部門和產(chǎn)業(yè)的大力支持，制定強(qiáng)有力的政策，來幫助中國的 EDA 企業(yè)吸引人才，留住人才，進(jìn)而創(chuàng)造出一個良好的發(fā)展環(huán)境。

寫在最后

中國的 EDA 企業(yè)正在用三分之一、五分之一的資源，通過十分之一的時間，去完成國外同等水平要很長時間才能完成的一件事，這是中國 EDA 創(chuàng)業(yè)者面臨的巨大挑戰(zhàn)。EDA 行業(yè)技術(shù)壁壘很高，工具鏈也非常長。在現(xiàn)如今，沒有任何一家國內(nèi)的 EDA 企業(yè)短期內(nèi)能做到全流程和全工具鏈的覆蓋。如何避免資源分散，如何在各自的領(lǐng)域做最擅長的事情，集中優(yōu)勢兵力，打攻堅戰(zhàn)，變得尤為重要。也只有這樣我們才培育出真正有競爭力的技術(shù)和產(chǎn)品，進(jìn)而實現(xiàn)從點到面的突破，通過行業(yè)縱橫聯(lián)合，而最終實現(xiàn)整個 EDA 產(chǎn)業(yè)的開放與共榮。