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 zzszn   2021-12-06 12:31   24 人閱讀  0 條評論

文/張毅

EDA是什麽?EDA是芯片之母,是芯片設計中最上遊、最高端的產業。TMT產業發展焦點的5G芯片、AI芯片,也是著眼於芯片設計,而芯片設計則離不開設計軟件EDA,EDA可以說是芯片產業鏈中的"任督二脈"。

斷供的EDA工具

芯片禁令下,華為芯片"斷供"危機引發不少國人的關注,尤其是去年五月,美國商務部對華為芯片產業的限製全麵升級,涵蓋芯片設計的上遊軟件、芯片製造的上遊設備以及當前最主要的有台積電代工生產的7nm的芯片製造,進而對華為芯片產業鏈所有環節進行了一次定點式精準打擊。

而在芯片設計環節,首當其衝的就是上遊EDA軟件,雖然華為可以設計芯片,但是IC設計的高端軟件EDA工具仍然基本上由Cadence、Synopsys、Mentor三家美國公司壟斷,而在中國市場,這三家EDA軟件公司更是占據了95%的市場份額。

美國這三大EDA廠商與華為的合作已經先後終止。這意味著,華為自那以後再沒有獲得新工具和新升級服務,但是可以繼續使用華為已經購買和獲得授權的EDA工具。也就是說,目前華為海思還可以采用老版本EDA做IC設計。

眾所周知,華為芯片模式屬於Fabless(無晶圓製造設計)類別,該類芯片企業隻負責芯片的電路設計與銷售,其他的生產、測試、封裝等環節都是外包的。

這樣的芯片企業處於芯片供應鏈中遊,對產業上下遊需求較大,比如上遊的EDA軟件、下遊的芯片製程等方麵。

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圖/華為官方微博

短期看,華為擁有這幾家龍頭EDA廠商的長期軟件授權,大量設計足以在本地軟件上完成,當長期看,更新暫停麵臨的挑戰是在開始一項全新的設計時,上億的晶體管不可能重新畫,需要在線download庫。

從這裏看,也就不難理解,隨著美國芯片禁令的升級,網上會有一個說法,那就是美國一旦禁止了EDA軟件,就真正卡住了華為芯片的命門!

芯片設計之母

如果把芯片製造比作建造一座大廈的話,IC設計就是大廈的設計圖紙,EDA軟件就是這張圖紙的設計工具,隻不過EDA軟件比建築設計軟件的複雜度要高出N個數量級。

EDA是電子設計自動化(Electronics Design Automation)的簡稱,是在電子CAD技術基礎上發展起來的計算機輔助設計軟件係統,融合了應用電子技術、計算機技術、信息處理及智能化技術的最新成果,進行電子產品的自動設計。

利用EDA工具,電子設計師可以從概念、算法、協議等開始設計電子係統,並可以將電子產品從電路設計、性能分析到設計出IC版圖或PCB版圖的整個過程,在計算機上自動處理完成。EDA技術可以廣泛應用於電子、通信、航空航天、機械等多個領域。

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圖/概倫電子IPO招股說明書

隨著芯片工藝要求的提升,製造難度越加複雜,一塊芯片的設計需要經過大量的精密且精確的計算。而人工設計耗時耗力準確性不高的特點逐漸顯現出來,EDA電子設計自動化便應運而生,它可以輔助設計者進行物理設計和功能設計,大量節約人力與時間成本,提高設計效率。

EDA工具的發展創新能很好地平抑芯片設計成本,提高芯片設計效率。EDA 工具的技術進步和應用推廣,能夠推動芯片設計成本保持在合理範圍。據UCSD教授Andrew的推測,2011 年一款消費級應用處理器芯片的設計成本約 4000 萬美元,如果不考慮 1993-2009 年 EDA 技術進步,相關設計成本可能高達 77 億美元,EDA 讓設計成本降低近 200 倍。同時,可重複使用的平台模塊、異構並行處理器的應用、基於先進封裝集成技術的芯粒技術等驅動設計效率不斷提升,縮短設計周期,減少設計偏差,提高流片成功率。

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圖/華大九天IPO招股說明書,賽迪智庫

然而,雖然EDA 是集成電路產業甚至是數字經濟的上遊關鍵技術支撐,但它在整個集成電路生態中屬於"小而強"的存在。

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圖/華大九天IPO招股說明書

2020 年全球 EDA 市場規模雖僅超過 70 億美元,卻支撐起 4000 億美元的集成電路產業, 支撐著數十萬億規模的數字經濟。一旦 EDA 出現問題,包括集成電路設計在內的全球集成電路產業必將受到重大影響,由 EDA 工具、集成電路、電子係統、數字經濟等構成的倒金字塔產業鏈結構穩定將麵臨嚴峻挑戰。

三大寡頭壟斷的全球EDA市場

全球EDA市場呈現寡頭壟斷的局麵,根據賽迪數據顯示,2019年中國EDA市場規模約為5.8億美元,僅占全球市場的5.6%。中國EDA廠商總營收不到4.2億元,規模隻占全球市場份額的0.6%;中國EDA國產化率約為10%。

而國際市場上,2019年全球EDA市場為102.5億美元,EDA市場呈現寡頭壟斷的局麵,主要由Synopsys,Cadence和Mentor三巨頭瓜分,國內EDA市場超過85%的份額也由三大廠商占據。

2020 年,新思科技(Synopsys)、楷登電子(Cadence)與西門子 EDA(原 Mentor Graphics) 作為目前僅有的擁有設計全流程 EDA 工具解決方案的企業,集中了全球超 77%的 EDA 工具市場。其他企業缺少布局設計全流程工具技術的綜合實力,在各自擅長的 領域開發麵向特定流程或個別環節的工具瓜分剩餘市場份額,Ansys 憑借熱分析、壓 電分析等優勢點工具,Keysight EEsof 憑借電磁仿真、射頻綜合等優勢點工具,獲得 市場第四、第五的位置。

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圖/內圈至外圈分別為2018-2020年數據 數據來源:賽迪智庫集成電路研究所

對於EDA這樣一個在半導體上遊領域擁有至關重要地位的領域,"卡脖子"的感覺是胃腸讓人難受的。沒有了美國的EDA,180nm/350nm以上的部分老工藝線可以用破解版或國產替代版繼續做,但亞微米級130nm/90nm開始,就很難離得開EDA正版授權了,到了22nm工藝以下,沒有美國的EDA可話可以說是寸步難行的。

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圖/華大九天IPO招股說明書

同時,芯片EDA工具軟件與芯片代工廠具有高度的綁定關係,代工廠進行工業研發一般都會采用EDA軟件廠商免費提供的IP庫,隨著基礎IP的積累越來越多,直接導致代工廠發給客戶的設計數據包PDK都采用了三大巨頭的軟件。

由於PDK更新非常頻繁,尤其是新工藝,隨著各種測試片的反饋會不斷迭代,頭部代工廠采用的都是最新版本的EDA軟件,因此終端客戶必須采用最新的EDA版本。特別是每一顆SOC必不可少的接口類IP,均被三大巨頭所壟斷。

因此,EDA軟件的國產化替代勢在必行!

砥礪前行的國產EDA企業

EDA設計軟件危機其實並非第一次,早在20世紀80年代之前,巴黎統籌委員會對我國實施禁運,國外EDA無法進入中國,反而推動了我國EDA設計企業快速發展。

1988年開始啟動國產EDA工具熊貓係統, 1993年中國第一個自研EDA係統"熊貓"麵世,國內單位踴躍使用,短時間內熊貓EDA便在近20家設計公司投入使用,完成近200個芯片品種,當時中國與世界領先水平的差距並沒有那麽大,

1994年國外取消了對華禁運,因為依賴進口,EDA自主化進入沉寂期。

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2008年,EDA軟件再度起航,先後成立了華大九天、芯願景等企業,並成立核高基EDA重大專項。

而到2019年,中國EDA廠商逐步獲得了世界認可。但是目前,國產EDA市場份額仍然較低,但據中國半導體行業協會的數據,2019年中國大陸IC設計產業銷售規模已經突破3,000億元,IC設計企業數量已達到1,780家,中國大陸已經擁有了僅次於美國與中國台灣的世界第三大規模IC設計產業。

下遊應用產業的高速發展,為國產EDA企業成長提供了廣闊的空間。根據賽迪智庫給出了具體的數據,2020年我國EDA行業市場規模達到66.2億元,同比增長20%,成為全球EDA行業增速較快的區域市場。

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圖/華大九天IPO招股說明書

雖然海外EDA巨頭在人才壁壘(強大的研發實力)、工藝壁壘(與先進工藝的結合)、產品壁壘(完備的產品線)等方麵構築了EDA產業壁壘,但本土EDA廠商已經在部分領域、部分環節,本土頭部廠商已經初步形成了局部競爭優勢,如概倫電子在SPICE建模領域,華大九天在模擬電路仿真領域都已具備一定優勢,假以時日,國內本土EDA廠商一定能夠實現從局部到核心的全麵,從而讓卡脖子成為過去!

寫在最後:本土生態成破局關鍵

在當前的國際局勢下,本土EDA廠商與本土Fabless、Foundry之間已經建立了緊密的相互扶持的關係。從長期的視角看,在支持中國本土半導體產業走向高端化的過程中,相信國內頭部EDA廠商的技術與產品也將實現蛻變。

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除了華大九天在麵板領域的成功案例之外,近年來AI、5G、工業互聯網、汽車電子等行業在國內快速發展,中國未來有望在這些領域成為"標準"製定的參與者,這些領域的興旺也催生了很多尚未完全被海外EDA工具滿足的需求,這些都將為國內EDA廠商帶來新的機會。

EDA的"國產替代"不能跟芯片的國產替代相提並論,芯片的用戶是係統廠,最好的係統廠都在中國,可以幫助設計公司快速迭代產品,市場容量也夠大。但EDA的用戶群,最好的設計和製造公司都在海外,真正卡脖子的工具需要被先進工藝和設計迭代,這個不是靠錢能解決的,同時本土市場規模相對小得多,幾大領先EDA公司中國銷售占比都隻占其全球收入10%左右,比主流芯片廠商在中國的比例要小得多。

唯有本土整個EDA生態都成長起來,本土EDA企業才能擁有足夠的成長空間!

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