作者：夏珍
放眼世界，我們面對的是百年未有之大變局，而半導體行業又挺立在大變局的潮頭，成為大國競爭力的焦點。
根據美國半導體產業協會（SIA）發布的數據顯示，2021年全球售出1.15萬億顆芯片，銷售額達到創紀錄的5559億美元，同比增長26%。根據半導體調研機構IC Insights發布的數據顯示，2021年中國大陸制造的半導體價值為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，全球的半導體產業正在蓬勃發展，國內的半導體市場容量非常大，國產替代迫在眉睫。

圖 | 中國IC市場和中國IC自產情況對比，圖源：IC Insights

此外，根據有關專業機構的統計，2021年全球EDA市場規模為130億美元左右，而中國EDA市場規模約為120億元人民幣。這意味著，規模為130億美元的EDA市場，正在撬動規模為5559億美元的半導體產業，所以在全球科技環境不對等的情況下，要發展中國的半導體產業，首先就要保障貫穿整個半導體產業鏈生命周期的EDA工具的安全可控。
然而現實是，Synopsys、Cadence和Siemens EDA這三家EDA巨頭以較完整的全流程產品壟斷了全球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。為了改變這一現象，過去的兩三年中資本涌入、地方政府關心、到處追捧，神州大地涌現出幾十家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。本文試圖從歷史經驗借鑒、后摩爾時代半導體產業的發展趨勢，以及中國EDA產業的國情出發，來探討什么才是適合中國EDA發展的道路。
襁褓中的半導體產業，EDA故事的起點
EDA故事的起點要從上世紀70年代說起，那時候芯片復雜度低，芯片設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輔助進行集成電路版圖編輯、PCB布局布線，相繼出現了許多二維CAD、三維系統分析與設計（SAD）軟件。但是，初代的EDA大都附屬在機械CAD的供應商之下，比如當年大名鼎鼎的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行直接制圖設計，雖然在電路繪圖的步驟有或多或少的工具應用，但本質上還是所見即所得（WYSIWYG）的人工直接設計。

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

與此同時，一款由加州大學伯克利分校Ron Rohrer和Larry Nagel團隊研發的代碼開源的仿真器——SPICE正在經歷它關鍵的版本更新迭代，不斷向IC設計標準演進。隨著IC復雜度的提升，該技術的使用者越來越多，到了70年代末，絕大部分半導體公司都已經用上了SPICE。
進入上世紀80年代后，電路設計開始引入抽象化，開發出硬件語言（例如Veriog & VHDL）來描述電路行為或者定義信號連接，從此設計師可以直接采用高級語言“設計電路板”，然后通過邏輯綜合工具把抽象的設計自動轉化成機器語言，形成由各種邏輯門組成的電路組合。而硬件抽象語言的標準化也使得專門的商業軟件工具的開發和推廣成為可能，從而形成早期的基于不同任務點的EDA專業工具。根據歷史記載，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，是當時最賺錢的設計自動化公司。
據悉，這些早期的點工具已經可以基于標準格式的數據交換，通過組合，對硬件抽象語言進行自動處理，直到產生可制造的物理設計，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；而且得益于當時硬件設計制造流程的相對簡單，這些點工具的局部優化往往和整體優化不相關或者不產生矛盾，從而有效推動了半導體設計制造的快速發展，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時代的發展過程中，電路設計規模越來越大，功能越來越復雜，為了提高工作效率，優化設計方法學，更有效率地保障點工具以及制造任務執行正確性，簽收類型的工具逐漸發展成熟，例如靜態時序分析工具、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時代完整的設計驗證流程和方法學。
茁壯的半導體產業，EDA全流程平臺初長成
進入上世紀90年代，硬件語言的標準化和集成電路設計方法不斷發展，EDA市場上出現了設計方法的各種流派，比如全定制設計、半定制設計，ASIC設計、標準單元庫、門陣列、可編程邏輯陣列等。
與此同時，隨著半導體工業持續按照摩爾定律的節奏往前發展，元器件的物理尺寸指數級縮微，芯片上的元件呈指數級增長，系統功能集成的復雜度指數級增長，而且物理制造工藝和材料選擇也越來越需要反饋到設計層面進行提前考量。

到了九十年代晚期，半導體電路設計人員已經很難有效地使用一系列分離的局部點工具來解決整個設計流程中的全局收斂和優化問題。在流程前端進行的局部優化往往被后端所抵消，甚至造成后端無法找到收斂方案，更不用說實現最優方案。
這種點工具之間的乒乓和蹺蹺板效應直接促使EDA業界開始往兩個方面發力：一方面建立適合全流程各種不同算法之間高效通用的數據模型；另一方面開發具有前瞻性能的整體優化算法，把后端設計的要求作為前端算法約束進行綜合考慮的工具。
從congestion-driven的分割和布局技術，到timing-driven的時鐘樹和布局技術，再到后來的manufacturability-driven和yield-driven的物理實現和優化技術等，不僅從技術上通過反復整合消化形成從RTL到GDSII的全流程方法論和工具鏈，更是從商業角度促成了如今的三巨頭聯合壟斷局面，這一階段被稱為EDA 2.0時期。

圖源：IBM

這個階段成功的關鍵在于從全流程的跨度思考問題，找出真正的架構承重點，在這些關鍵技術上聚焦深耕，開發迭代出硬核的錨定產品（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世紀以來半導體設計行業的不斷整合并購，智能手機行業的興起等變化，全球行業競爭逐漸加劇，處于激烈競爭的各個設計公司，不斷地提高對EDA工具流程和技術的期望，以追求更短的產品面市周期。可以看到這一時期，EDA發展的核心思路之一在于如何尋找和建立獨特的技術角度和基礎，更好的加速設計的優化和全局收斂。例如七八年前開始，各家都在設計實現流程的某些環節，不斷積極嘗試和更主動的引入ML/EL等AI技術和方法，來大大提高基于經驗性數據的優化和收斂過程，成就了如今新思的自主芯片設計解決方案DSO.ai和Cadence的智能芯片探索器Cerebrus。
EDA主流企業浮浮沉沉幾十年，經典教訓中尋求后發優勢
伴隨著EDA核心技術的進步，在初步成形的EDA全流程平臺上，業界開始嘗試各個方向的商業性探索。比如2014~2015年左右，大數據和云計算潮流處于風頭浪尖的時候，業界開始有人基于對EDA流程中計算力需求和數據流瓶頸的分析，在一些正式場合曾提出所謂的EDA3.0 EDAaaS：開放工具和技術平臺，用面向大數據和云計算的模式來開展設計服務的轉型。這個探索側重于對現有EDA用戶的硬件設計過程中的計算需求做優化，對用戶已經積累的海量設計數據進行再處理，提取并重組有效信息以簡化和縮減產品設計周期，甚至試圖實現產品本身的優化和差異化等。

圖源：IBM

這一嘗試雖不失為對EDA商業模式的有益探索，但是從提供硬件設計實現的核心技術解決方案到提供設計服務和周邊生態支持的轉型，難以體現EDA自身的核心價值（core competence），長期下去甚至讓EDA產業在核心技術層面逐漸失去競爭力。
然而最終我們發現，這一提議從根本上是偏離EDA本身技術發展路線的，所以至今鮮見成功案例。反倒是近幾年來，EDA產業巨頭們在關鍵技術節點上的進一步深耕，用拳頭產品來錨定進而整合出全流程的平臺，使得以核心技術為主的發展路線至今仍然充滿創新生命力。并且他們不斷擴大對EDA基礎研發上的投入，比如數字設計前后端的融合（Fusion）技術，電路設計與制造的交互優化（DTCO），以及試圖對硅芯片直接抽象到系統級別來延續摩爾定律等諸多領域的著力和嘗試，都是基于對關鍵核心技術的繼續研發和二次開發。

圖 | CAD行業中的企業浮沉史，圖源：億歐

與此同時，幾家EDA主流企業在發展過程中，歷史上都曾經出現過幾個階段，由于一些失誤導致某些產品優勢的喪失和市場的失守。我們將這些歷史上的經典失誤總結為三個方面：“一是對大客戶需求和技術更新的遲鈍；二是極度缺乏技術整合發展的頂層思路；三是過于偏重商業模式的創新。”
所以，在中國發展EDA的道路上，一定要以史為鑒，避開這些經典教訓，才能更好地利用我們的后發優勢。
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字實現主流程上二十來年的你追我趕，各領風騷數年的過程，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是一個產品為王的行業。華大九天副總經理董森華表示：“誰能更快地把握系統級客戶和IC設計公司的真正需求和痛點，擁有更好的產品和技術，并持續優化，誰就能主導市場，獨領風騷。這也是EDA公司為什么需要在發展過程中，不斷的通過技術的更新，產品的迭代，來保持在市場上的產品技術競爭力的原因所在。”
回顧EDA產業的誕生和發展壯大的歷程，可以看到EDA的本質是一個面向電子設計應用，解決具體問題的基礎產業。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據

根據資料顯示，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Siemens EDA后又完成了從TASS International到OneSpin標的的14起EDA相關的收并購案例。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大，EDA工具覆蓋面更廣，當然，強大的并購整合能力是需要深耕產業了解生態，也更需要強有力的資本支持。然而當這些收購者在將收購回來的點工具進行數據轉換或打包時，由于原生開發的點工具沒有統一的流程架構以及覆蓋率數據，就會遇到驗證結果融合問題，呈現碎片化的狀態，所以在效率方面自然是打折扣的。
根據ESD Alliance的數據顯示，2020年全球EDA市場規模為115億美元，2010-2020年10年復合增速為8%，市場規模平穩增長。由此可見，EDA市場容量正在不斷擴大，雖然全球市場已經呈現半壟斷的局面，但也不是沒有國產EDA企業的機會。合見工軟產品方案和市場副總裁敬偉表示：“在EDA領域的眾多細分方向中，驗證伴隨著芯片設計的全過程，隨著工藝的演進和設計的復雜化，驗證工具的開發存在較高的技術壁壘和準入門檻，目前已經成為研發工具成本占比最高的一塊，因此驗證領域的突破對中國芯片產業發展至關重要。后摩爾時代，隨著Chiplet逐漸成為芯片設計業的主流技術趨勢之一，這也帶來了先進封裝設計中所存在的高集成度、高匹配性等復雜問題，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企業很好的突破口。”
在EDA這樣一個人才和技術高度密集的產業中，中國新興的EDA公司如何能真正實現技術和人才的突圍，是一個首先需要考慮的問題。
“作為一個EDA行業的老兵，我認為現代大型SoC 的邏輯和物理實現，是極端硬核的技術產品。EDA工具一個缺失，動輒造成一年兩年的產品延誤，對芯片和系統公司的后果是災難性的。國外領軍企業深度積累幾十年，尚且不敢怠慢，每年投入幾十億美金戰戰兢兢做研發。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模式去超車。花拳繡腿打不過真老虎的。” 鴻芯微納創始人兼CTO王宇成博士強調。
換句話說，中國新興的EDA公司必須要有足夠的、真正極富經驗的高端EDA技術研發人才作為領軍人物和核心骨干，才能駛入中國EDA產業發展的快車道。
然而EDA是一個集數學、物理、化學等基礎科學和電路、機械、計算、光學、信號處理等尖端技術為一體的軟硬件綜合產業，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模的研發團隊，加上原來的本土EDA公司，中國國內有經驗的研發大概也就1000人左右，而能稱為核心研發人員的大概只有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都能輕松超過千人，也就是說至少要1000個有豐富經驗的研發工程師，經過多年的開發，才能完成一個有世界競爭力的產品。
因此，當人才問題成為中國EDA發展的核心難題時，中國要如何實現突破呢？
首先，IC（集成電路）行業被戲稱中印（India & China），在美國有不少資深的中國人在EDA行業中，這些人中也不乏領軍人物。如果能吸引他們回國來帶動和培養團隊，才有機會為產業的發展提供人才支撐。
同時，考慮到產業的可持續發展，自身造血能力不足是中國EDA發展的一大瓶頸，就如同前面提到的，大量EDA產品和技術的研發既需要掌握計算機科學的知識，又需要掌握電子工程的知識。而在現在的產業環境下，大部分優秀的計算機科學人才被人工智能、互聯網等產業炒熱，富有經驗的電子工程人才又因為集成電路行業的高速發展而緊缺。在如今這樣的產業熱潮之下，人力成本高速上漲，很難吸引到優秀的計算機學科和電子工程學科人才投入到跨領域的EDA行業中來。
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的限制、人才的短缺、壟斷打壓等不公平競爭的市場環境，如果中國的EDA企業要想真正實現技術領先與突破，就迫切需要得到來自相關部門和產業的大力支持，制定強有力的政策，來幫助中國的EDA企業吸引人才，留住人才，進而創造出一個良好的發展環境。
寫在最后
中國的EDA企業正在用三分之一、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創業者面臨的巨大挑戰。EDA行業技術壁壘很高，工具鏈也非常長。在現如今，沒有任何一家國內的EDA企業短期內能做到全流程和全工具鏈的覆蓋。如何避免資源分散，如何在各自的領域做最擅長的事情，集中優勢兵力，打攻堅戰，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和產品，進而實現從點到面的突破，通過行業縱橫聯合，而最終實現整個EDA產業的開放與共榮。