國(guó)產(chǎn)EDA如何反圍剿？

被逼上絕路不絕對(duì)是壞事，所謂置于死地而后生。畢竟企業(yè)和人一樣，沒有危機(jī)感，就沒有前進(jìn)的原始動(dòng)力。近來特朗普列出“實(shí)體清單”，缺“芯”問題再次牽動(dòng)著人們脆弱的神經(jīng)。然而，再一深究我們意識(shí)到，我們不僅缺芯片，設(shè)計(jì)工具——EDA我們也是缺的很。但是，我們不是沒有努力過。上世紀(jì)八十年代中后期， “巴黎統(tǒng)籌委員會(huì)” 對(duì)中國(guó)實(shí)行禁運(yùn)管制，國(guó)外EDA進(jìn)不來，一批科研人員只能埋頭苦干，積極研發(fā)，好不容易有所成就，整出了熊貓系統(tǒng)，國(guó)外又宣布解除禁令。大批先進(jìn)成熟的EDA產(chǎn)品涌進(jìn)中國(guó)市場(chǎng)，國(guó)產(chǎn)EDA難以與其競(jìng)爭(zhēng)，就連研發(fā)都慢慢“擱置”了，逐步走上“代理集成”等附屬式發(fā)展道路。因此，只怪命運(yùn)弄人。

EDA發(fā)展之路

所謂，EDA即電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（Electronics Design Automation），簡(jiǎn)單來說就是以計(jì)算機(jī)硬件和專業(yè)軟件為工作平臺(tái)，幫助工程師開發(fā)新的電子系統(tǒng)與電路、IC以及PCB產(chǎn)品的一種工具。

在集成電路問世初期，集成電路都是靠手工設(shè)計(jì)，也就是通過紙和筆。然而隨著集成電路的發(fā)展，手工設(shè)計(jì)已經(jīng)不能滿足人們的要求。集成電路設(shè)計(jì)逐漸向自動(dòng)化方向發(fā)展，大致經(jīng)過了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Assist Design，簡(jiǎn)稱CAD）、計(jì)算機(jī)輔助工程設(shè)計(jì)（Computer Assist Engineering Design，簡(jiǎn)稱CAE）和電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（Electronic Design Automation，簡(jiǎn)稱EDA）三個(gè)發(fā)展階段。

CAD階段

20世紀(jì)70年代，人們開始將產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中高度重復(fù)性的繁雜勞動(dòng)，如布圖布線工作，用二維圖形編輯與分析的CAD工具替代，最具代表性的產(chǎn)品是美國(guó)ACCEL公司開發(fā)的Tango布線軟件。然而，由于PCB布圖布線工具受到計(jì)算機(jī)工作平臺(tái)的制約，其支持的設(shè)計(jì)工作有限且性能比較差。

CAE階段

20世紀(jì)80年代，隨著計(jì)算機(jī)和集成電路的發(fā)展，EDA技術(shù)進(jìn)入到計(jì)算機(jī)輔助工程設(shè)計(jì)階段。這一階段推出的工具以邏輯模擬、定時(shí)分析、故障仿真、自動(dòng)布局和布線為核心，重點(diǎn)解決電路設(shè)計(jì)沒有完成之前的功能檢測(cè)等問題。利用這些工具，設(shè)計(jì)師能在產(chǎn)品制作之前預(yù)知產(chǎn)品性能。

到20世紀(jì)80年代后期，EDA工具已經(jīng)可以進(jìn)行設(shè)計(jì)描述、綜合與優(yōu)化和設(shè)計(jì)結(jié)果驗(yàn)證等工作。然而，大部分從原理圖出發(fā)的EDA工具仍然不能適應(yīng)復(fù)雜電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，而且具體化的元件圖形制約著優(yōu)化設(shè)計(jì)。

EDA階段

20世紀(jì)90年代，為了滿足千差萬別的系統(tǒng)用戶提出的設(shè)計(jì)要求，最好的辦法是由用戶自己設(shè)計(jì)芯片，讓他們把想設(shè)計(jì)的電路直接設(shè)計(jì)在自己的專用芯片上。這一階段，設(shè)計(jì)師逐步從單個(gè)電子產(chǎn)品開發(fā)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)級(jí)電子產(chǎn)品開發(fā)（即片上系統(tǒng)集成，System on a chip）。這時(shí)的EDA工具不僅具有系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力，而且能提供獨(dú)立于工藝和廠家的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力，具有高級(jí)抽象的設(shè)計(jì)構(gòu)思手段。

“小而精”的EDA產(chǎn)業(yè)

作為芯片領(lǐng)域最上游的產(chǎn)業(yè)，EDA是集成電路產(chǎn)業(yè)鏈中產(chǎn)值相對(duì)較少的一個(gè)環(huán)節(jié)。

2014-2018年全球EDA市場(chǎng)規(guī)模（百萬美元）

資料來源：ESD Alliance，EDAC，東興證券研究所

據(jù)資料顯示，2018年整個(gè)EDA的市場(chǎng)規(guī)模僅有97.15億美元，而整個(gè)芯片產(chǎn)業(yè)規(guī)模近五千億美元，占比不到2%。并且其中70%的份額由EDA三巨頭Synopsys、 Cadence 和被西門子收購(gòu)的 Mentor Graphics占領(lǐng)。因此，EDA不僅是一個(gè)體量小同時(shí)也是一個(gè)集中度非常高的產(chǎn)業(yè)。在中國(guó)市場(chǎng)，這三大巨頭的占比還要更高，約占EDA銷售額的95%。下圖為EDA三巨頭收入份額。（注：Mentor Graphics 2017 年被西門子收購(gòu)后不再單獨(dú)披露收入數(shù)據(jù)。）

2014-2018年EDA三巨頭收入份額

資料來源：ESD Alliance，EDAC，東興證券研究所

EDA產(chǎn)業(yè)高集中度，源于業(yè)內(nèi)企業(yè)多年來的兼并和收購(gòu)。Synopsys自1986年成立以來共發(fā)起了50項(xiàng)并購(gòu)交易；Cadence 公司發(fā)起過21項(xiàng)；Mentor Graphics發(fā)起過19項(xiàng)。（注：2016年11月14日，德國(guó)西門子以每股37.25美元的價(jià)格，總價(jià)45億美元，收購(gòu)了Mentor Graphics。）如此一來，大浪淘沙過后，除去一些還在夾縫中求生存的企業(yè)，EDA市場(chǎng)幾乎被這三家企業(yè)所壟斷。

總體來看，Synopsys憑借邏輯綜合工具DC，時(shí)序分析工具PT建立了完整的芯片ASIC設(shè)計(jì)FLOW，位于EDA三巨頭之首。Cadence借助于其強(qiáng)大的模擬電路設(shè)計(jì)工具，位列第二。排在第三位的Mentor 情況略顯尷尬，Mentor的平臺(tái)不像前兩位那樣大且全，之所以能穩(wěn)住第三，全憑其點(diǎn)工具產(chǎn)品非常突出。然而由于Synopsys在DC銷售時(shí)免費(fèi)搭送DFTcoppiler，從而影響了Mentor的DFTAdvisor的市場(chǎng)。面對(duì)Synopsys和Cadence的競(jìng)爭(zhēng)，留給Mentor的空間越來越少了。

國(guó)產(chǎn)EDA如何反圍剿？

我國(guó)進(jìn)入到EDA產(chǎn)業(yè)，大概始于上世紀(jì)八十年代中后期。彼時(shí)，“巴黎統(tǒng)籌委員會(huì)” 對(duì)中國(guó)實(shí)行禁運(yùn)管制，國(guó)外EDA進(jìn)不來，只能靠國(guó)內(nèi)研發(fā)生產(chǎn)。1986年，我國(guó)著手進(jìn)行集成電路計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)——熊貓系統(tǒng)的研發(fā)，并于1993年正式問世。然而，世事難料在熊貓系統(tǒng)問世不久，西方就解除了對(duì)我國(guó)的EDA禁令。當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)的技術(shù)不成熟，與西方國(guó)家相比還有不少的差距，國(guó)外先進(jìn)成熟的EDA產(chǎn)品一下子涌進(jìn)中國(guó)市場(chǎng)，致使本土產(chǎn)品的研發(fā)越來越滯后，生存空間越來越小。因此，經(jīng)過30余年的發(fā)展，我國(guó)的EDA產(chǎn)業(yè)依舊十分薄弱。

目前國(guó)內(nèi)著名的EDA企業(yè)有華大九天、芯和半導(dǎo)體、廣立微電子以及北京博達(dá)微科技等。單從規(guī)模上來看，國(guó)內(nèi)企業(yè)與三大巨頭之間的差距就不是一星半點(diǎn)。Synopsys全球員工13000多人，其中EDA研發(fā)有近5000余人。而我國(guó)除華大九天規(guī)模近400人以外，其他企業(yè)規(guī)模都在100人以內(nèi)，且多數(shù)甚至不足40人。這意味著，我國(guó)所有從事EDA研發(fā)的人員不及Synopsys一個(gè)公司的20%。

規(guī)模是一方面，從市場(chǎng)占有率來看，情況一樣不容樂觀。2018年國(guó)內(nèi)EDA銷售額約為5億美元，約合人民幣33億元。其中國(guó)產(chǎn)僅占10%左右，約為3.4億元。營(yíng)收低意味著公司能夠再投入的資本將會(huì)十分有限。據(jù)彭博的資料顯示，Synopsys 與 Cadence的研發(fā)投入基本保持在30%以上，Cadence近兩年甚至超過了40%。2018 年，Synopsys的研發(fā)投入約為 10.8億美元，Cadence約為 8.7 億美元。而相比國(guó)內(nèi)EDA領(lǐng)先企業(yè)華大九天，過去十年的研發(fā)投入也不過幾個(gè)億而已，差距顯而易見。因此，如果找不到合適的生存空間，技術(shù)上再?zèng)]有突破，只能看著強(qiáng)者欲強(qiáng)，弱者欲弱。

Synopsys 與 Cadence 研發(fā)投入（百萬美元）

資料來源：彭博，東興證券研究所

縱覽三大巨頭的成長(zhǎng)史，不難發(fā)現(xiàn)要想做大做強(qiáng)離不開兩點(diǎn)：一是并購(gòu)整合，二是技術(shù)。而這兩點(diǎn)又離不開資金的支持。

2017年美國(guó)DARPA推出了一項(xiàng)為期5年，資金涉及15億美元的“電子復(fù)興計(jì)劃（ERI）”，以促進(jìn)芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。具體來看， Cadence 與 Synopsys 在該計(jì)劃第一批項(xiàng)目中分別獲得了2410萬美元和610萬美元的補(bǔ)助。

與此相比我國(guó)政府對(duì)EDA廠商的支持十年來僅落實(shí)了3.7億元，華大九天獲得了1.5億元。或許從數(shù)值上看，華大九天獲得的補(bǔ)助與Cadence和Synopsys獲得的差不太多，但是后者的自有資本遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了前者。對(duì)此華大九天的董事長(zhǎng)也曾表示，1.5億元的補(bǔ)助與實(shí)際需求相比還有很大的差距。

DARPA對(duì) Cadence 與 Synopsys 的補(bǔ)助情況

資料來源：DARPA，東興證券研究所

從技術(shù)方面來看，EDA上云成為大勢(shì)所趨。芯片設(shè)計(jì)與云相結(jié)合，不僅給設(shè)計(jì)公司提供了無可比擬的拓展性與靈活性，同時(shí)可以按需分配資源，實(shí)現(xiàn)成本優(yōu)化。此外，人工智能與EDA相結(jié)合是另一大發(fā)展方向。機(jī)器學(xué)習(xí)等算法能夠提高 EDA 軟件的自主程度，提高 IC 設(shè)計(jì)效率。據(jù) Cadence 的報(bào)告顯示，機(jī)器學(xué)習(xí)在 EDA 中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下四個(gè)方面：數(shù)據(jù)快速提取模型；布局中的熱點(diǎn)檢測(cè)；布局和線路；電路仿真模型。

云計(jì)算、人工智能以及5G的發(fā)展給國(guó)內(nèi)EDA廠商提供了新的機(jī)會(huì)，華大九天軟件有限公司市場(chǎng)拓展副總經(jīng)理郭繼旺曾表示，“在后摩爾時(shí)代IC設(shè)計(jì)技術(shù)的放緩，給予了國(guó)產(chǎn)EDA追趕的機(jī)會(huì)。在一些新興產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)（如5G、人工智能）上，中國(guó)正處于領(lǐng)先地位，這將推動(dòng)中國(guó)集成電路設(shè)計(jì)行業(yè)的持續(xù)發(fā)展。”

因此樂觀的講，被逼上絕路也不是絕對(duì)的壞事，所謂置于死地而后生。畢竟企業(yè)也許和人一樣，沒有危機(jī)感，就沒有前進(jìn)的原始動(dòng)力。