芯片设计EDA(被低估的芯片巨头:目前只有它能够设计并生产7nm芯片!)

文/张毅EDA是什么？EDA是芯片之母，是芯片设计最上游、最高端的产业。而作为TMT产业发展重点的5G芯片和AI芯片，也是以芯片设计为核心，而芯片设计离不开设计软件EDA，可以说是芯片产业链上的‘任命和监管的第二脉’。在EDA工具芯片供应被禁止的情况下，华为芯片‘断供’危机引起了很多国人的关注。尤其是去年5月，美国商务部对华为芯片产业的限制全面升级，涵盖了芯片设计的上游软件、芯片制造的上游设备，以及TSMC生产的最重要的7nm芯片制造，从而对华为芯片产业链的各个环节进行定点精准打击。在芯片设计中，上游的EDA软件首当其冲。虽然华为可以设计芯片，但是IC设计的高端EDA工具基本还是被Cadence、Synopsys、Mentor垄断。在中国市场，这三家EDA软件公司占据了95%的市场份额。美国这三家EDA厂商与华为的合作已经终止。这意味着华为此后没有获得新的工具和新的升级服务，但可以继续使用华为已经购买并获得授权的EDA工具。换句话说，华为海思仍然可以使用旧版EDA进行IC设计。众所周知，华为的芯片型号属于Fabless(无晶圆制造设计)范畴。这类芯片企业只负责芯片的电路设计和销售，其他生产、测试、封装等环节都是外包的。这类芯片企业处于芯片供应链的中间，对上下游产业的需求很大，比如上游的EDA软件，下游的芯片制造工艺。
图/华为官方微博短期内，华为拥有这些领先EDA厂商的长期软件授权，大量设计可以在本地软件上完成。从长期来看，更新暂停的挑战是，当开始一个全新的设计时，数亿个晶体管无法重新绘制，需要在线下载库。从这里，就不难理解了。随着美国对芯片禁令的升级，网上会有一种说法，EDA软件一旦在美国被禁，真的会和华为的芯片卡在一起！如果说芯片设计之母把芯片制造比作盖大楼，那么IC设计就是大楼的设计图纸，EDA软件就是这个图纸的设计工具，但是EDA软件的复杂度比建筑设计软件高n个数量级。EDA是电子设计自动化的缩写。它是在电子CAD技术基础上开发的计算机辅助设计软件系统。它集成了应用电子技术、计算机技术、信息处理和智能技术的最新成果，自动设计电子产品。使用EDA工具，电子设计人员可以从概念、算法、协议等方面设计电子系统。并能在计算机上自动处理电子产品从电路设计、性能分析到设计ic版图或PCB版图的全过程。EDA技术可以广泛应用于电子、通信、航空航天、机械等领域。
图/概述电子版IPO招股书随着芯片技术要求的提高，制造难度越来越复杂，一个芯片的设计需要大量精密准确的计算。而手工设计费时费力，准确度不高，于是EDA电子设计自动化应运而生。可以辅助设计师进行物理设计和功能设计，节省大量的人力和时间成本，提高设计效率。EDA工具的开发和创新可以稳定芯片设计的成本，提高芯片设计的效率。EDA工具的技术进步和应用可以使芯片设计的成本保持在合理的范围内。根据UCSD教授Andrew的推测，2011年一个消费级应用处理器芯片的设计成本约为4000万美元。如果不考虑EDA从1993年到2009年的技术进步，相关设计成本可能高达77亿美元，EDA将设计成本降低了近200倍。同时，可重用的平台模块、异构并行处理器的应用、基于先进封装集成技术的核心技术等推动了
图/CCID智库华大九天IPO招股书然而，EDA虽然是集成电路产业乃至数字经济的上游关键技术支撑，但在整个集成电路生态中却是一个‘小而强’的存在。
图/华大九天IPO招股书虽然2020年全球EDA市场规模只会超过70亿美元，但它将支撑4000亿美元的集成电路产业和数万亿美元的数字经济。一旦EDA出现问题，包括IC设计在内的全球IC产业将受到极大影响，由EDA工具、集成电路、电子系统、数字经济构成的倒金字塔产业链的稳定性将面临严峻挑战。三寡头垄断的全球EDA市场全球EDA市场呈现寡头垄断的局面。根据CCID数据，2019年中国EDA市场规模约为5.8亿美元，仅占全球市场的5.6%。中国EDA厂商总收入不到4.2亿元，仅占全球市场份额的0.6%；EDA在中国的国产化率在10%左右。国际市场上，2019年，全球EDA市场规模为102.5亿美元，EDA市场呈现寡头垄断局面，主要由新思科技、凯登思和曼托瓜分。国内85%以上的EDA市场也被三大厂商占据。2020年，Synopsys、Cadence和西门子EDA(原Mentor Graphics)作为仅有的拥有设计全流程EDA工具解决方案的企业，集中了全球EDA工具市场77%以上的份额。还有的企业缺乏布局设计全流程的工具技术综合实力，在各自的专业领域开发针对特定流程或个别环节的工具来瓜分剩余的市场份额。凭借热分析、压电分析等工具的优势，Ansys、是德科技EEsof、电磁仿真、射频合成等优势，夺得市场第四、第五的位置。
图/内圈到外圈分别是2018年到2020年的数据。来源：CCID智库集成电路研究所。对于EDA这个在半导体上游领域有着至关重要地位的领域来说，‘卡脖子’的感觉是肠胃不舒服的。没有美国EDA，一些180nm/350nm以上的老工艺线可以用破解版或者国产替代版延续。但是从130nm/90nm的亚微米级别很难脱离EDA的正版授权，22nm以下工艺没有美国EDA是走不了的。
图/华大九天ipO招股书同时，芯片EDA工具软件与芯片代工厂有很高的绑定关系，代工厂一般采用EDA软件厂商免费提供的IP库进行产业研发。有了基础IP的积累，代工厂发给客户的设计数据包PDK直接采用三大巨头的软件。由于PDK更新频繁，尤其是新工艺，随着各种测试件的反馈不断迭代，代工厂采用最新版本的EDA软件，因此终端客户必须采用最新版本的EDA。尤其是它是每个SOC必不可少的接口IP，被三大巨头垄断。所以EDA软件国产化替代势在必行！其实国内EDA企业的EDA设计软件危机已经不是第一次了。早在上世纪80年代，巴黎协调委员会就对中国实行禁运，国外EDA无法进入中国，促进了中国EDA设计企业的快速发展。熊猫系统，国产EDA工具，始于1988年。1993年，我国第一个自主开发的EDA系统‘熊猫’问世，国内各单位踊跃使用。短时间内，熊猫EDA在近20家设计公司投入使用，完成近200个芯片品种。当时中国和世界领先水平的差距还没那么大。1994年，外国解除了对中国的禁运。由于依赖进口，EDA独立进入了一个平静期。
2008年，EDA软件再次起航，先后成立华大九天、芯视等企业，并立项核高基EDA重大项目。到2019年，中国的EDA厂商逐渐获得世界认可。但目前国内EDA的市场份额仍然较低，但根据中国半导体行业协会的数据，2019年，中国大陆集成电路设计行业销售额已经超过3000亿元，集成电路设计企业达到1780家。中国大陆已经拥有仅次于美国和台湾省的全球第三大集成电路设计产业。下游产业的快速发展为国内EDA企业的成长提供了广阔的空间。根据CCID智库给出的具体数据，2020年中国EDA行业市场规模将达到66.2亿元，同比增长20%，成为全球EDA行业增速较快的区域市场。
图/华大九天IPO招股书虽然海外EDA巨头在人才壁垒方面构筑了EDA行业壁垒(强研发& ampd实力)、工艺壁垒(结合先进技术)和产品壁垒(产品线齐全)，本土EDA厂商已经在一些领域和环节形成了本土竞争优势，如SPICE建模领域的全伦电子、模拟电路仿真领域的华大九天。久而久之，本土头部厂商已经具备了一定的优势。文末：本土生态成功的关键。在当前国际形势下，本土EDA厂商与本土无晶圆厂和代工厂建立了紧密的相互支持关系。从长远来看，在支持中国本土半导体产业走向高端的过程中，相信国内头部EDA厂商的技术和产品也会转型。
除了华大九天在面板领域的成功案例，AI、5G、工业互联网、汽车电子等行业近年来在国内发展迅速。中国有望在未来成为这些领域‘标准’制定的参与者。这些领域的繁荣也催生了很多海外EDA工具尚未完全满足的需求，这将给国内EDA厂商带来新的机遇。EDA的‘国产替代’不能和芯片的国产替代相提并论。芯片的用户是系统厂，最好的系统厂都在国内，可以帮助设计公司快速迭代产品，市场容量足够大。但是EDA的用户群，最好的设计制造公司都在海外，真正卡脖子的工具需要先进的技术和设计迭代。这不是钱能解决的。同时，本土市场的规模要小得多，国内几家领先的EDA公司的销售额仅占其全球收入的10%左右，远小于国内主流芯片厂商。只有整个本土EDA生态成长起来，本土EDA企业才有足够的成长空间！