1 EDA 全景概述

EDA 是 IC 設(shè)計必需、也是最重要的集成電路軟件設(shè)計工具，EDA 產(chǎn)業(yè)是 IC 設(shè)計最上游的產(chǎn)業(yè)。經(jīng)過幾十年發(fā)展，從仿真、綜合到版圖，從前端到后端，從模擬到數(shù)字再到混合設(shè)計，以及后面的工藝制造等等，現(xiàn)代 EDA 工具幾乎涵蓋了 IC 設(shè)計的方方面面，具有的功能十分全面，可以粗略的劃分為前端技術(shù)、后端技術(shù)和驗證技術(shù)，各個技術(shù)之間有所重合。EDA 工具也非常豐富，按照功能和使用場合，可以分為電路設(shè)計與仿真工具、PCB 設(shè)計軟件、IC 設(shè)計軟件、PLD 設(shè)計工具等。

國內(nèi)從上世紀八十年代中后期開始，就投入到 EDA 產(chǎn)業(yè)的研發(fā)當中。國內(nèi)為了更好發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)，在 1986 年開始研發(fā)我國自有集成電路計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)——熊貓系統(tǒng)，并在攻堅多年之后，于 1993 年國產(chǎn)首套 EDA 熊貓系統(tǒng)問世。之后的國內(nèi) EDA 發(fā)展曲折而緩慢。

因各種因素影響，國產(chǎn) EDA 產(chǎn)業(yè)沒有取得實質(zhì)成功，但在成長過程中，國內(nèi)已出現(xiàn)多個 EDA 廠商萌芽。2008 年，國內(nèi)從事 EDA 研究的公司有華大電子、華天中匯、芯愿景、愛克賽利、圣景微、技業(yè)思、廣立微和訊美等。此后十年發(fā)展，華大九天、芯禾科技、廣立微、博達微等幾個企業(yè)從國產(chǎn) EDA 陣型中展露生機。

EDA 在集成電路產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域內(nèi)屬于“小而精”的產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)顯示，2018 年整個 EDA 的市場規(guī)模僅為 97.15 億美元，2014-2018 年復合增長率在 6.89%左右，相對于幾千億美金的集成電路產(chǎn)業(yè)來說不值一提。可是如果缺少了這個產(chǎn)品，全球所有的芯片設(shè)計公司都得停擺。

在 2017 年，IP 核的交易已經(jīng)超越了 EDA 工具和服務(wù)本身，成為 EDA 產(chǎn)業(yè)交易規(guī)模最大的一部分。但與 2017 年 IP 核強勁增長相比，2018 年 IP 核帶來的收入顯著下降，同比減少 11.8%，這一下降部分源于第四季度 IP 供應(yīng)商的會計和報告變化，并導致 2018 年第四季度 EDA 產(chǎn)業(yè)收入同比下降 3.1％至 2.57 億美元。全年來看，EDA 產(chǎn)業(yè)收入略有增長，同比增長 3.83%。

經(jīng)過三十余年長足發(fā)展，目前全球 EDA 產(chǎn)業(yè)競爭格局主要由 Cadence、Synopsys 和西門子旗下的 Mentor Graphics 壟斷，三大 EDA 企業(yè)占全球市場的份額超過 60%。其中，Synopsys 是全球最大的 EDA 企業(yè)，2018 年的市場份額已達到 32.1%；Cadence 僅次于 Synopsys，2018 年市場占有率為 22.0%；Mentor Graphics 在被收購之前也能保持超過 10%的市場占有率。

在 2017 年中國工業(yè)軟件企業(yè)排行榜中，Synopsys 排名 35 位，Cadence 和 Mentor Graphics 分列第 47、48 位。

2 EDA 三巨頭 Synopsys、Cadence 和 Mentor Graphics

EDA 三巨頭主要指 EDA 市場份額占據(jù)前三位的三家企業(yè) Synopsys、Cadence 和被西門子收購的 Mentor Graphics。

2.1 EDA 三巨頭基本發(fā)展狀況

Synopsys（新思科技）成立于 1986 年，由 Aart de Geus 帶領(lǐng)通用電氣公司微電子研究中心的工程師團隊創(chuàng)立，在 2008 年成為全球排名第一的 EDA 軟件工具領(lǐng)導廠商，為全球電子市場提供技術(shù)先進的集成電路設(shè)計與驗證平臺。Synopsys 在 EDA 行業(yè)的市場占有率約 30%，它的邏輯綜合工具 DC 和時序分析工具 PT 在全球 EDA 市場幾乎一統(tǒng)江山。

Cadence（鏗騰電子）是 EDA 行業(yè)銷售排名第二的公司，在 1988 年由 SDA 與 ECAD 兩家公司兼并而成，Cadence 通過不斷擴展、兼并、收購，到 1992 年已占據(jù) EDA 行業(yè)龍頭地位，但到 2008 年被 Synopsys 超越。

Cadence 產(chǎn)品涵蓋了電子設(shè)計的整個流程，包括系統(tǒng)級設(shè)計、功能驗證、集成電路綜合及布局布線、IC 物理驗證、模擬混合信號及射頻集成電路設(shè)計、全定制集成電路設(shè)計、PCCE 設(shè)計和硬件仿真建模等，致力于為客戶提供電子設(shè)計自動化、軟件、硬件以及解決方案等服務(wù)，旨在幫助其縮短將電子設(shè)備打入市場的時間和成本。全球知名半導體與電子系統(tǒng)公司均將 Cadence 軟件作為其全球設(shè)計的標準，Cadence 的 Virtuso 工具歷經(jīng) 27 年不衰，成為業(yè)內(nèi)傳奇。

Mentor Graphics（明導國際，2016 年被德國西門子收購）1981 年成立，90 年代遇到經(jīng)營困境，軟件的研發(fā)嚴重落后于進度，大量長期客戶流失，難以與其他兩家公司競爭。直到 94 年公司組織結(jié)構(gòu)大調(diào)整后，才重新崛起。

Mentor Graphics 是一家 EDA 軟件和硬件公司，也是電路板解決方案的市場領(lǐng)導者，主要提供電子設(shè)計自動化先進系統(tǒng)電腦軟件與模擬硬件系統(tǒng)。Mentor 的工具雖沒有前兩家全面，沒有涵蓋整個芯片設(shè)計和生產(chǎn)環(huán)節(jié)，但在有些領(lǐng)域，如 PCB（印刷電路板）設(shè)計工具等方面有相對獨到之處。

2.2 EDA 三巨頭產(chǎn)品比較

EDA 公司提供給 IC 公司的一般都是全套工具，因此 EDA 集成度高的公司產(chǎn)品更有優(yōu)勢。三巨頭基本都能提供全套的芯片設(shè)計 EDA 解決方案。

Synopsys 最全面，它的優(yōu)勢在于數(shù)字前端、數(shù)字后端和 PT signoff。模擬前端的 XA，數(shù)字前端的 VCS，后端的 sign-off tool，還有口碑極好的 PT、DC 和 ICC 功能都很強大。Synopsys 有壟斷市場 90%的 TCAD 器件仿真和壟斷 50%的 DFM 工藝仿真，這是其在 EDA 產(chǎn)業(yè)競爭中的一把利器。

Cadence 的強項在于模擬或混合信號的定制化電路和版圖設(shè)計，功能很強大，PCB 相對也較強，但是 Sign off 的工具偏弱。

Mentor Graphic 也是在后端布局布線這塊比較強，在 PCB 上也很有優(yōu)勢，它的優(yōu)勢是 Calibresignoff 和 DFT，但 Mentor Graphic 在集成度上難以與前兩家抗衡。

此外，除了賣 license 以外，EDA 企業(yè)還可以提供 IP 授權(quán)（硬核和軟核），這個對于很多中小規(guī)模的設(shè)計公司是很有吸引力的。授權(quán)的 IP 通常有 memory，Serdes 和 Power management 之類的研發(fā)成本或門檻相對較高的硬核。

Mentor 在 IP 業(yè)務(wù)上和 Synopsys 與 Cadence 幾乎沒有競爭力，目前 Synopsys 企業(yè)的 IP 業(yè)務(wù)全球排名第二，Cadence 企業(yè)的 IP 業(yè)務(wù)銷售額也在逐年增加。

2.3 EDA 三巨頭成功因素：內(nèi)生、外延、國家政策扶持三管齊下

EDA 企業(yè)若想保持核心競爭力需要靠技術(shù)支持，與其他高新技術(shù)企業(yè)相似，EDA 企業(yè)獲取技術(shù)優(yōu)勢的途徑有：收購兼并其他企業(yè)的成熟技術(shù)、高研發(fā)投入和政府扶持。

2.3.1 內(nèi)生：高額的研發(fā)投入

除大量收購有潛力的公司以外，Synopsys 和 Cadence 還一直重視新技術(shù)的開發(fā)，每年投入大比例資金用于研發(fā)，研發(fā)費用是公司最大的營運開支。尤其是 Cadence 公司，近兩年研發(fā)支出占總營收的比例超過 40%。

2.3.2 外延：頻繁并購

經(jīng)過多年的收購兼并以后，集成電路 EDA 領(lǐng)域只剩下了 Synopsys、Cadence 和 Mentor 這三個巨頭。市場的影響力也日益集中。

自 1986 年成立以來，Synopsys 通過發(fā)起幾十余項并購交易，不斷尋找那些已經(jīng)被市場證明成功的產(chǎn)品及其企業(yè)，通過滾動并購操作達到了擴大業(yè)務(wù)規(guī)模、進行技術(shù)整合的目的。

2002 年，Synopsys 以 8.3 億美元收購與 Cadence 結(jié)束專利訴訟的 Avanti 公司，和自由工具 PC 結(jié)合在一起整合為強大的 ICC，直接銜接 Synopsys 前端和后端工具，使得 Synopsys 成為 EDA 歷史上第一家可以提供頂級前后端完整 IC 設(shè)計方案的領(lǐng)先 EDA 工具供應(yīng)商，公司坐穩(wěn)第二的位置，并在 2008 年超越 Cadence 成為全球最大的 EDA 工具廠商。

MentorGraphics 自成立開始，就關(guān)注各細分市場的佼佼者，一步步收購了多家在某些細分領(lǐng)域技術(shù)上數(shù)一數(shù)二的中小型 EDA 公司，從而實現(xiàn)了企業(yè)穩(wěn)步發(fā)展成長的目的。

2016 年 11 月 14 日西門子和 Mentor Graphics（明導國際）聯(lián)合發(fā)表聲明，德國西門子將以每股 37.25 美元的價格收購美國 EDA 公司 Mentor Graphics，總收購價格為 45 億美元，價溢價 21%。西門子方面表示，西門子的愿景是擴大客戶基礎(chǔ)，打造“數(shù)字化企業(yè)”所需的世界級完整軟件解決方案，Mentor 的整套 EDA 產(chǎn)品對于實現(xiàn)這一愿景至關(guān)重要。在收購 Mentor 后，西門子將增強在電子系統(tǒng)的設(shè)計、測試和仿真領(lǐng)域的軟硬件實力。

Cadence 公司的發(fā)展壯大，同樣離不開一系列成功的收購。

2.3.3 政策扶持：DARPA 推出 ERI 項目扶持芯片發(fā)展

縱觀半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的幾十年，可以清晰看到美國在產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的巨大作用。目前，集成電路在摩爾定律的驅(qū)動下，面臨物理和經(jīng)濟極限；拐點臨近，電子技術(shù)的進步將進入下一創(chuàng)新階段。在這種背景下，美國又一次走在了世界前列，推出了一項為期 5 年、總值 15 億美元的電子復興計劃（ERI），用以支持芯片技術(shù)的開發(fā)。美國國會也增加了對 ERI 的投入，每年額外注資 1.5 億美元。

ERI 的目標是不再依賴摩爾定律的“等比例微縮”道路，繼續(xù)推進電子器件性能的大幅提升，保持美國的領(lǐng)先地位，滿足國防部需求的同時推動半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展，被業(yè)界譽為將開啟下一次電子革命。ERI 計劃將專注于開發(fā)用于電子設(shè)備的新材料，開發(fā)將電子設(shè)備集成到復雜電路中的新體系結(jié)構(gòu)，以及進行軟硬件設(shè)計上的創(chuàng)新。

2018 年 7 月 23-25 日，DARPA 為 ERI 計劃召開了首次年度峰會，在會上，DARPA 公布了 2017 年 9 月首批啟動的 6 大項目合作研究團隊，旨在扶持和培養(yǎng)在材料與集成、電路設(shè)計和系統(tǒng)架構(gòu)三方面的創(chuàng)新性研究。

IDEA 和 POSH 兩個項目共同的目標是克服芯片設(shè)計日益復雜化和成本的問題。POSH 項目的目標是創(chuàng)建一個開源的硅模塊庫，IDEA 項目希望能夠生成各種開源和商業(yè)工具，以實現(xiàn)自動測試這些模塊，以及將其加入到 SoC 和印刷電路板中。兩個項目將投入 1 億美元，成為有史以來投資最大的 EDA 研究項目之一。EDA 三巨頭公司 Cadence 公司獲得了第一批入圍扶持項目中的最高資助額 2410 萬美元用以 IDEA 項目研究，Synopsys 在 Posh 項目的研發(fā)也獲得 610 萬美元的資金補助。

2.4 美國 EDA 巨頭下一代技術(shù)發(fā)展前沿

隨著 IC 設(shè)計復雜度的提升，新工藝的發(fā)展，EDA 行業(yè)有非常大的發(fā)展空間，目前產(chǎn)業(yè)兩大發(fā)展方向：人工智能、云計算等技術(shù)應(yīng)用在 EDA 軟件，目前 Cadence 領(lǐng)先。

云計算+EDA

2018 年，Cadence 推出了第一個能夠廣泛用于電子系統(tǒng)和半導體開發(fā)的廣泛云產(chǎn)品組合——CadenceCloud Portfolio。云技術(shù)的應(yīng)用主要有三大優(yōu)點：快速部署可提高工程效率并加速項目完成；通過靈活的解決方案和大規(guī)模可擴展的云就緒工具實現(xiàn)無痛采用；經(jīng)過驗證的解決方案據(jù)有很好的安全性，被許多客戶信賴和使用。

人工智能+EDA

芯片敏捷設(shè)計是未來發(fā)展的一個主要方向，深度學習等算法能夠提高 EDA 軟件的自主程度，提高 IC 設(shè)計效率，縮短芯片研發(fā)周期。據(jù) Cadence 的報告顯示，機器學習在 EDA 的應(yīng)用可以分為四個方面：數(shù)據(jù)快速提取模型；布局中的熱點檢測；布局和線路；電路仿真模型。Cadence 致力于研究將機器學習應(yīng)用在 Virtuoso 平臺上，并參與了 ERI 中智能設(shè)計芯片項目。新思科技也在利用人工智能加速時序驗證。

3 國內(nèi) EDA 產(chǎn)業(yè)發(fā)展迫在眉睫

EDA 市場供應(yīng)商高度集中，現(xiàn)在的 EDA 產(chǎn)業(yè)主要由 Cadence、Synopsys 和西門子旗下的 MentorGraphics 壟斷。在中國市場，EDA 銷售額的 95%由以上三家瓜分，剩余的 5%還有部分被 Ansys 等其它外國公司占據(jù)，給華大九天、芯禾科技等國產(chǎn) EDA 公司留下了極少的份額，且后者在工具的完整性方面與三強相比，有明顯的差距。而 EDA 的重要性不言而喻，一旦 EDA 受制于人，整個芯片軟件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都可能停擺，發(fā)展國產(chǎn) EDA 迫在眉睫。

3.1 國內(nèi) EDA 公司概覽

國內(nèi)從上世紀八十年代中后期開始，就投入到 EDA 產(chǎn)業(yè)的研發(fā)當中。國內(nèi)為了更好發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)，在 1986 年開始研發(fā)我國自有的集成電路計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)——熊貓系統(tǒng)，并在攻堅多年之后，于 1993 年國產(chǎn)首套 EDA 熊貓系統(tǒng)問世。之后的國內(nèi) EDA 發(fā)展曲折而緩慢。

因各種因素影響，國產(chǎn) EDA 產(chǎn)業(yè)沒有取得實質(zhì)性成功，但在這個過程中，國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)多個 EDA 廠商萌芽。據(jù)相關(guān)資料顯示，在 2008 年，國內(nèi)從事 EDA 研究領(lǐng)域涌現(xiàn)了華大電子、華天中匯、芯愿景、愛克賽利、圣景微、技業(yè)思、廣立微和訊美等公司。之后十年發(fā)展，華大九天、芯禾科技、廣立微、博達微等幾個企業(yè)從國產(chǎn) EDA 陣型中展露生機。

國內(nèi) EDA 企業(yè)難以提供全流程產(chǎn)品，但在部分細分領(lǐng)域具有優(yōu)勢，個別點工具功能強大。例如華大九天是世界唯一提供全流程 FPD 設(shè)計解決方案的供應(yīng)商，具有較強市場競爭力。廣立微電子在良率分析和工藝檢測的測試機方面產(chǎn)品具有明顯優(yōu)勢。概倫電子在 SPICE 建模工具及噪聲測試系統(tǒng)方面技術(shù)處于領(lǐng)先地位，業(yè)內(nèi)稱“黃金標準”。

3.2 國內(nèi) EDA 產(chǎn)業(yè)短板

3.2.1 產(chǎn)品不齊全

目前國內(nèi) EDA 企業(yè)面對的第一個短板就是產(chǎn)品不夠全，尤其在數(shù)字電路方面。

SOC 設(shè)計主流程的 EDA 工具數(shù)量中，來自 Synopsys 與 Cadence 公司的占有大部分，尤其是時序和功耗檢查以及定制設(shè)計兩步，完全由上述兩家壟斷，國產(chǎn) EDA 在許多工具上仍有缺失。

傳統(tǒng) EDA 公司在數(shù)據(jù)端，收集數(shù)據(jù)測試上通常沒有布局，而本土 EDA 企業(yè)的優(yōu)勢定位在于：廣立微電子在良率優(yōu)化端的軟件和測試機；在數(shù)據(jù)端，博達微的快速參數(shù)測試方案；在仿真輸入端，中國公司具有很強的主導性；在仿真端，華大九天和概倫電子實力強勁；在后端，芯禾具有完整的解決方案和競爭力。

雖然在局部形成了突破，但在像物理驗證、綜合實力方面離主流差距還是很大，國內(nèi) EDA 廠商還“沒有能力全面支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展”，總體上還是很難離開三大巨頭公司的平臺。

以華大九天為例，單獨評估集成電路產(chǎn)業(yè)所需的 EDA 工具，華大九天已有的產(chǎn)品線占集成電路所需工具的三分之一左右，另外還有三分之二目前是空白。

國內(nèi) EDA 研發(fā)崛起策略：一、，目標定位整套 EDA 工具，國內(nèi)各廠多樣化合作，在研發(fā)上加大投入，積極擴展待開發(fā)領(lǐng)域，滿足下游設(shè)計和制造領(lǐng)域的多樣化需求；二、在現(xiàn)有從數(shù)據(jù)到模型再到仿真的一個完整閉環(huán)，并在機器學習、算法、數(shù)據(jù)挖掘上國內(nèi)技術(shù)和國外并無太大差距的基礎(chǔ)上，可以利用數(shù)據(jù)驅(qū)動設(shè)計繞開傳統(tǒng)大公司的限制，這是實現(xiàn)本土 EDA 崛起又一策略。

3.2.2 人才短缺、投入不足

我國約有 1500 人的 EDA 軟件開發(fā)工程師，但在本土 EDA 公司和研究單位工作的工程師只有 300 人左右，其他大部分都是在三大巨頭工作。而放大到全球，對比于 Synopsys 7000 多的研發(fā)人員（當中有 5000 多從事 EDA 的研發(fā)），這個差距更是明顯。

在研發(fā)投入上面，國產(chǎn) EDA 與三巨頭相比也差距明顯。據(jù)半導體行業(yè)觀察資料顯示，本土 EDA 企業(yè)龍頭華大九天，過去十年間所投研發(fā)資金也只有幾個億，而 Synopsys2018 近一年的研發(fā)投入約為 10.8 億美元，Cadence2018 年的研發(fā)投入約為 8.7 億美元。

3.2.3 市場培育較難，市場拓展周期較長

目前，EDA 市場被三巨頭壟斷，國產(chǎn) EDA 生存環(huán)境十分狹小，即使能夠研發(fā)出全套的 EDA 工具，在短期內(nèi)也難以與三巨頭企業(yè)的產(chǎn)品抗衡。國產(chǎn) EDA 缺乏市場，反作用于 EDA 的研發(fā)，造成惡性循環(huán)。

目前國際環(huán)境存在不確定性，美國對中國高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的限制仍在繼續(xù)，這給我國的 IC 產(chǎn)業(yè)帶來了巨大挑戰(zhàn)，但同時也面臨著新的機遇。國產(chǎn) EDA 公司化危為機，市場生態(tài)迎頭趕上，是實現(xiàn)國產(chǎn)化替代、產(chǎn)業(yè)自主可控的重要一步。

3.2.4 缺乏與先進工藝的結(jié)合

EDA 是設(shè)計和工藝對接的紐帶，而國內(nèi) EDA 廠商與先進工藝結(jié)合比較弱。

一方面，三大 EDA 公司有天然優(yōu)勢，在新工藝開發(fā)階段與全球領(lǐng)先的晶圓制造廠進行全方位合作，因此對工藝理解很到位。國內(nèi) EDA 廠商只能在工藝開發(fā)完以后拿到部分數(shù)據(jù)，無法接觸到先進工藝的核心部分，難以針對先進工藝設(shè)計、改良 EDA 軟件，造成與三巨頭的客觀差距。

另一方面，國內(nèi)在 PDK 方面不足，對國產(chǎn) EDA 發(fā)展不利。EDA 工具與工藝結(jié)合的重要支撐是工藝設(shè)計套件（PDK），PDK 開發(fā)非常復雜，需要較大投入，目前國內(nèi) EDA 廠商都比較缺乏 PDK 基礎(chǔ)，這與中國整個半導體生態(tài)不夠成熟直接相關(guān)，需要半導體行業(yè)整體的進步。
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