路長且艱，國產(chǎn)EDA的發(fā)展之路

逼則反兵，走則減勢。緊隨勿迫，累其氣力，消其斗志，散而后擒，兵不血刃，這是三十六計中“欲擒故縱”的精義，卻被美國在EDA領(lǐng)域應(yīng)用的游刃有余，中國也因此錯失了發(fā)展國產(chǎn)EDA的20余年的重要時機，作為數(shù)千億集成電路、萬億電子信息的必不可少的支撐產(chǎn)業(yè)，EDA被譽為芯片領(lǐng)域的“工業(yè)母機”，國產(chǎn)EDA的發(fā)展路長且艱。

一、EDA是何方神圣

為什么說EDA那么重要，EDA全稱是電子設(shè)計自動化。打開芯片的封裝外殼，在高倍顯微鏡下對其表面進行觀察，將會看到無數(shù)規(guī)則擺放的器件和連線，這是芯片的版圖。IC設(shè)計和制造這個版圖的各個環(huán)節(jié)都需要用到相應(yīng)的EDA工具。EDA工具是集成電路設(shè)計、制造、封裝、測試等工作的必備工具，貫穿了下圖所示的整個集成電路產(chǎn)業(yè)鏈。

為什么EDA如此重要，這是因為隨著集成電路產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，設(shè)計規(guī)模、復(fù)雜度、工藝先進性等不斷提升。根據(jù)加州大學(xué)圣迭戈分校AndrewKahng教授在2013年的推測，2011年設(shè)計一款消費級應(yīng)用處理器芯片的成本約4,000萬美元，如果不考慮1993年至2009年的EDA技術(shù)進步，相關(guān)設(shè)計成本可能高達77億美元，EDA技術(shù)進步讓設(shè)計效率提升近200倍。同時，可重復(fù)使用的平臺模塊、異構(gòu)并行處理器的應(yīng)用、基于先進封裝集成技術(shù)的芯粒技術(shù)等成為驅(qū)動設(shè)計效率提升的重要方式，而上述方式的應(yīng)用同樣也是與EDA技術(shù)的進步相輔相成的。因此，EDA工具的發(fā)展從整體上提升了芯片設(shè)計的效率，從而平抑了芯片設(shè)計的總體成本。

另外從市場價值來看，根據(jù)賽迪智庫數(shù)據(jù)，2020年EDA行業(yè)的全球市場規(guī)模超過70億美元，卻支撐著數(shù)十萬億美元規(guī)模的數(shù)字經(jīng)濟。在中國這個全球規(guī)模最大、增速最快的集成電路市場，EDA杠桿效應(yīng)更大?？梢韵胂?，一旦EDA這一產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)出現(xiàn)問題，包括集成電路設(shè)計企業(yè)在內(nèi)的全球集成電路產(chǎn)業(yè)必將受到重大影響，由EDA工具、集成電路、電子系統(tǒng)、數(shù)字經(jīng)濟等構(gòu)成的倒金字塔產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)穩(wěn)定將面臨巨大挑戰(zhàn)。

二、EDA的使用場景

一個完整的集成電路設(shè)計和制造流程主要包括工藝平臺開發(fā)、集成電路設(shè)計和集成電路制造三個階段。

各階段主要內(nèi)容及細分環(huán)節(jié)如下：

①工藝平臺開發(fā)階段主要由晶圓廠（包括晶圓代工廠、IDM制造部門等）主導(dǎo)完成，在其完成半導(dǎo)體器件和制造工藝的設(shè)計后，建立半導(dǎo)體器件的模型并通過PDK或建立IP和標(biāo)準(zhǔn)單元庫等方式提供給集成電路設(shè)計企業(yè)（包括采用fabless的芯片設(shè)計公司、半導(dǎo)體IP公司、IDM設(shè)計部門等）。

②集成電路設(shè)計階段主要由集成電路設(shè)計企業(yè)主導(dǎo)完成，其基于晶圓廠提供的PDK或IP和標(biāo)準(zhǔn)單元庫進行電路設(shè)計，并對設(shè)計結(jié)果進行電路仿真及驗證。若仿真及驗證結(jié)果未達設(shè)計指標(biāo)要求，則需對設(shè)計方案進行修改和優(yōu)化并再次仿真，直至達到指標(biāo)要求方能進行后續(xù)的物理實現(xiàn)環(huán)節(jié)。物理實現(xiàn)完成后仍需對設(shè)計進行再次仿真和驗證，最終滿足指標(biāo)要求并交付晶圓廠進行制造。在大規(guī)模集成電路設(shè)計過程中，由于工藝復(fù)雜、集成度高等因素，電路設(shè)計、仿真及驗證和物理實現(xiàn)環(huán)節(jié)往往需要反復(fù)進行。

③集成電路制造階段主要由晶圓廠根據(jù)物理實現(xiàn)后的設(shè)計文件完成制造。若制造結(jié)果不滿足要求，則可能需要返回到工藝開發(fā)階段進行工藝平臺的調(diào)整和優(yōu)化，并重新生成器件模型及PDK提供給集成電路設(shè)計企業(yè)進行設(shè)計改進。

上述三個設(shè)計與制造的主要階段均需要對應(yīng)的EDA工具作為支撐，包括用于支撐工藝平臺開發(fā)和集成電路制造兩個階段的制造類EDA工具以及支撐集成電路設(shè)計階段的設(shè)計類EDA工具。

三、國產(chǎn)EDA丟失的20年

EDA如此重要，難道國人之前就沒有意識到他的重要性么？事實并非如此。時間回到20世紀(jì)70至80年代，彼時，由于巴黎統(tǒng)籌委員會對中國實施的禁運管制，中國無法購買到國外的EDA工具，中國就已經(jīng)開始進行了EDA技術(shù)的自主研發(fā)與攻關(guān)，1986年的時候，中國拿出了兩彈一星的精神，動員了全國17個單位，一共200多個專家聚集到華大九天的前身（也就是北京集成電路設(shè)計中心）聯(lián)合攻關(guān)，終于在1990年的時候發(fā)布了熊貓EDA，也一舉打破了西方技術(shù)的封鎖。

眼看他國產(chǎn)EDA要起高樓，然而就在這時，老美不知從哪里學(xué)來的咱老祖宗的三十六計之欲擒故縱，直接放開了對EDA的封鎖，國外幾大巨頭迅速進入了中國，帶來了更成熟的技術(shù)與產(chǎn)業(yè)鏈、更低廉的價格，市場是冷靜和無情的，缺少持續(xù)政策支持和市場支持時，結(jié)果可想而知，還未成熟的熊貓EDA創(chuàng)業(yè)未半而中道崩殂，眼看他樓又塌了。

四、EDA國際三巨頭

在這中國缺席的這20年間，國外EDA巨頭憑借不斷的收并購，實現(xiàn)了IC全流程的自動化設(shè)計，在行業(yè)內(nèi)保持了高度的壟斷地位，前三大巨頭新思科技、鏗騰電子、西門子EDA占據(jù)了全球78%以上的市場。

其中新思科技的產(chǎn)品線最為全面，它的優(yōu)勢在于數(shù)字前端、數(shù)字后端和驗證測試；鏗騰電子的優(yōu)勢在于模擬和混合信號的定制化電路和版圖設(shè)計；西門子EDA在物理驗證領(lǐng)域優(yōu)勢較為突出，在印制電路板方面也有一定優(yōu)勢。

五、國產(chǎn)EDA的目前進展

2008年4月，國家科技重大專項“核心電子器件、高端通用芯片及基礎(chǔ)軟件產(chǎn)品”實施方案經(jīng)國務(wù)院常務(wù)會議審議并原則通過。作為《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》所確定的國家十六個科技重大專項之一，EDA行業(yè)重新獲得了鼓勵和扶持。

2008年以來，國內(nèi)EDA領(lǐng)域涌現(xiàn)了華大九天、概倫電子、廣立微電子、國微集團和芯和半導(dǎo)體等公司。至此，中國本土EDA企業(yè)開始進入市場的主流視野。

5.1華大九天，已提交IPO

華大九天成立于2009年，自成立以來一直聚焦于EDA工具的研發(fā)工作。公司初始團隊部分成員曾參與“熊貓ICCAD系統(tǒng)”的研發(fā)工作。

目前，公司主要產(chǎn)品包括模擬電路設(shè)計全流程EDA工具系統(tǒng)、數(shù)字電路設(shè)計EDA工具、平板顯示電路設(shè)計全流程EDA工具系統(tǒng)和晶圓制造EDA工具等EDA工具軟件，并圍繞相關(guān)領(lǐng)域提供技術(shù)開發(fā)服務(wù)。

1、模擬集成電路設(shè)計

對模擬電路進行結(jié)構(gòu)設(shè)計、版圖設(shè)計、功能和物理驗證的全過程。這一過程包括原理圖編輯、電路仿真、版圖編輯、物理驗證、寄生參數(shù)提取、可靠性分析等環(huán)節(jié)。

公司目前既有模擬電路設(shè)計全流程EDA工具系統(tǒng)可支持的集成電路工藝制程具體情況如下表所示：

公司目前主要既有模擬電路設(shè)計全流程EDA工具系統(tǒng)中，電路仿真工具支持最先進的5nm量產(chǎn)工藝制程，處于國際領(lǐng)先水平；其他模擬電路設(shè)計EDA工具支持28nm工藝制程，與已支持5nm先進工藝的同類領(lǐng)先工具仍存在一定差距。

2、數(shù)字電路設(shè)計EDA工具

數(shù)字電路設(shè)計是指電路功能設(shè)計、邏輯綜合、物理實現(xiàn)以及電路和版圖分析驗證的過程。這一過程通常分為數(shù)字前端和數(shù)字后端兩部分，主要包括單元庫準(zhǔn)備、邏輯仿真、邏輯綜合、布局布線、寄生參數(shù)提取、時序分析與優(yōu)化、物理驗證和版圖集成與分析等環(huán)節(jié)。

公司目前既有數(shù)字電路設(shè)計EDA工具可支持的集成電路工藝制程具體情況如下表所示：

根據(jù)上表，公司目前已發(fā)布的數(shù)字電路設(shè)計EDA工具中，單元庫/IP質(zhì)量驗證工具、高精度時序仿真分析工具、時序功耗優(yōu)化工具、版圖集成與分析工具和時鐘質(zhì)量檢視與分析工具均可支持目前國際最先進的5nm量產(chǎn)工藝制程，處于國際領(lǐng)先水平；單元庫特征化提取工具開發(fā)完成時間較短，目前可支持40nm量產(chǎn)工藝制程，與同類國際領(lǐng)先工具仍存在一定差距。整體來看，公司已發(fā)布的數(shù)字電路設(shè)計EDA工具中，除個別工具外均達到國際領(lǐng)先水平，可支持5nm量產(chǎn)工藝制程。

此外，公司目前在數(shù)字電路EDA領(lǐng)域僅覆蓋數(shù)字電路設(shè)計的部分流程，尚未實現(xiàn)全流程工具覆蓋。

3、平板顯示電路設(shè)計全流程EDA工具系統(tǒng)

平板顯示電路設(shè)計與模擬電路的設(shè)計理念、設(shè)計過程和設(shè)計原則有一定的相似性。公司在已有模擬電路設(shè)計工具的基礎(chǔ)上，結(jié)合平板顯示電路設(shè)計的特點，開發(fā)了全球領(lǐng)先的平板顯示電路設(shè)計全流程EDA工具系統(tǒng)。

4、晶圓制造EDA工具

公司針對晶圓制造廠的工藝開發(fā)和IP設(shè)計需求，提供了相關(guān)的晶圓制造EDA工具，包括器件模型提取工具、存儲器編譯器開發(fā)工具、單元庫特征化提取工具、單元庫/IP質(zhì)量驗證工具、版圖集成與分析工具以及模擬電路設(shè)計全流程EDA工具等，為晶圓制造廠提供了重要的技術(shù)支撐。

公司的晶圓制造EDA工具具體如下圖所示：

5.2概倫電子，已上市

上海概倫電子股份有限公司成立于2010年3月，經(jīng)過12年的發(fā)展，公司目前的主要產(chǎn)品及服務(wù)的關(guān)系如下圖：

公司的制造類EDA工具主要用于晶圓廠工藝平臺的器件模型建模，為集成電路設(shè)計階段提供工藝平臺的關(guān)鍵信息，作為該階段電路仿真及驗證的基礎(chǔ)；

公司的設(shè)計類EDA工具主要用于設(shè)計階段的電路仿真與驗證，是整個集成電路設(shè)計流程從前端設(shè)計到后端驗證的核心EDA工具；

公司的半導(dǎo)體器件特性測試儀器是測量半導(dǎo)體器件各類特性的工具，為制造類EDA工具提供高效精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支撐；

概倫電子的優(yōu)勢與劣勢都非常明顯，優(yōu)勢在于，公司聚焦在某些特定的EDA工具上，相比于全品類覆蓋的公司，全心聚焦使得概倫電子將特定EDA工具做的更加專精，公司器件建模及驗證EDA工具作為國際知名的EDA工具，在全球范圍內(nèi)已形成較為穩(wěn)固的市場地位，得到全球領(lǐng)先晶圓廠的廣泛使用，包括臺積電、三星電子、聯(lián)電、格芯、中芯國際等全球前十大晶圓代工廠中的九家。報告期內(nèi)，來自于上述九家晶圓代工廠的器件建模及驗證EDA工具收入占公司制造類EDA工具的累計收入比例超過50%。公司電路仿真及驗證EDA工具在市場高度壟斷的格局下，已在全球存儲器芯片領(lǐng)域取得較強的競爭優(yōu)勢，部分實現(xiàn)對全球領(lǐng)先企業(yè)的替代，得到全球領(lǐng)先存儲器芯片廠商的廣泛使用，包括三星電子、SK海力士、美光科技等全球規(guī)模前三的存儲器廠商。報告期內(nèi)，來自于前述三家存儲器廠商的收入占公司設(shè)計類EDA工具收入的比例超過40%。

而公司的劣勢主要在于：與新思科技、鏗騰電子、西門子EDA等國際競爭對手相比，公司在產(chǎn)品種類豐富度上存在較為明顯的差距。前述國際競爭對手豐富多樣的產(chǎn)品種類可以滿足下游客戶的多方面需求，為其提供一站式采購選擇。公司產(chǎn)品種類相對國際競爭對手較少，導(dǎo)致公司在產(chǎn)品銷售協(xié)同效應(yīng)上處于劣勢，同時在公司經(jīng)營中產(chǎn)品失敗的風(fēng)險難以分散，如果公司現(xiàn)有產(chǎn)品在特定時期技術(shù)更新有所落后，無法滿足客戶需求，可能會由于缺少其他可供推廣的產(chǎn)品而對公司經(jīng)營成果及市場地位造成影響。

5.3廣立威，已申報IPO

公司成立于2003年，相比于華大九天和概倫電子時間較早，主要里程碑時間可參考下圖。

公司在集成電路成品率提升領(lǐng)域深耕多年，利用業(yè)界領(lǐng)先的高效測試芯片自動設(shè)計、高速電性測試和智能數(shù)據(jù)分析的全流程平臺與技術(shù)方法，為Foundry與Fabless廠商提供從EDA軟件、測試芯片設(shè)計服務(wù)、電性測試設(shè)備到數(shù)據(jù)分析等一系列產(chǎn)品與服務(wù)，緊密聯(lián)系制造端和設(shè)計端需求，保證芯片的可制造性，在提高芯片性能、成品率、穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，有效加快產(chǎn)品面市速度。

EDA如何提升芯片良率呢？提升芯片成品率的關(guān)鍵在于對制造工藝過程進行完整有效地監(jiān)控檢測，同時結(jié)合制造過程中其他數(shù)據(jù)進行精準(zhǔn)快速的分析，及時發(fā)現(xiàn)問題和潛在風(fēng)險，并反饋至集成電路制造端（Foundry廠商）和設(shè)計端（Fabless廠商），改進工藝和設(shè)計以提升成品率。

制造過程中的檢測包括物理檢測和電性檢測：

①物理檢測：主要通過光學(xué)、電子束等方法獲取制造過程中的缺陷情況和相關(guān)物理參數(shù)（如關(guān)鍵尺寸、薄膜厚度等），一般通過掃描電鏡、電子顯微鏡、光學(xué)儀器等設(shè)備實現(xiàn)；

②電性檢測：在晶圓制造到一定階段或完成制造環(huán)節(jié)后，通過對器件或測試結(jié)構(gòu)的電學(xué)性能測試，獲取相關(guān)電學(xué)參數(shù)，表征工藝狀況和芯片成品率。電性檢測一般通過電性測試機配合探針臺連接到晶圓實現(xiàn)測試。

將物理檢測和電學(xué)檢測所獲取的信息，反饋至晶圓廠用以改進制造工藝，反饋至設(shè)計企業(yè)用以優(yōu)化芯片設(shè)計，從而實現(xiàn)芯片成品率的提升。

而廣立微主要專注于電性檢測技術(shù)，以高效的電性檢測為手段、以實現(xiàn)芯片成品率提升為目的開展業(yè)務(wù)，自主開發(fā)出一系列軟、硬件產(chǎn)品和服務(wù)。對應(yīng)公司的產(chǎn)品與服務(wù)如下：

六、整體數(shù)據(jù)比較

上文主要通過介紹國外幾大巨頭與國內(nèi)頭部3家公司的業(yè)務(wù)覆蓋情況，總體來講，國際三巨頭通過多年的收并購與持續(xù)的高額研發(fā)投入，實現(xiàn)了EDA全產(chǎn)業(yè)鏈的布局，而國內(nèi)幾家公司則憑借著自己在各自領(lǐng)域的優(yōu)勢，也分得了一席之地。為了更加理性地分析國內(nèi)外的競爭差距，通過各家公司的公開披露數(shù)據(jù)，我們來對各個公司的總資產(chǎn)、收入、凈利潤、毛利率、研發(fā)費用投入等情況列于下表中。

從上表數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，雖然國內(nèi)產(chǎn)商在奮起直追，營收及凈利潤增長都相對較快，但市場仍由主要國際知名廠商主導(dǎo)。與上述國際頂級廠商相比，國內(nèi)在品牌影響力、技術(shù)研發(fā)水平、資金實力和市場占有率等方面均存在一定差距。

在研發(fā)費用規(guī)模方面，受制于國內(nèi)公司整體規(guī)模和資金實力，公司的研發(fā)投入絕對規(guī)模遠低于國際主流廠商（普遍在0.4-3%之間）。

在市場占有率方面，國產(chǎn)EDA產(chǎn)品與國際知名廠商相比差距亦較大。如果后續(xù)公司不能持續(xù)加大研發(fā)投入、開拓市場、提高產(chǎn)品服務(wù)水平以適應(yīng)未來市場競爭格局，公司的經(jīng)營業(yè)績可能受到不利影響。

七、寫在最后

臥榻之側(cè)，豈容他人鼾睡，宋太祖的這句話雖然很老，但是放在今天，依舊是競爭的至理名言，市場是無比殘酷的，沒有所謂的禮讓三分、和平發(fā)展。

美國對華為的一紙禁令，直接讓全世界的晶圓廠不允許為華為的先進制程代工芯片，使得華為縱使擁有高端芯片的設(shè)計能力，而沒有代工廠可以為華為制造出合格的芯片。

而現(xiàn)在，筆者想說的是，如果美國對EDA工具再次進行封禁，在半導(dǎo)體領(lǐng)域國產(chǎn)占比非常高的芯片設(shè)計領(lǐng)域，尤其是采用fabless的芯片設(shè)計公司，可能都會面臨巨大的風(fēng)險，所以，在核心技術(shù)領(lǐng)域，未雨綢繆是必需的，一方面，EDA需要政府的政策支持，另外一方面，也需要產(chǎn)業(yè)鏈上下游的共同努力。