讀懂EDA：想要賣芯片，留下買水錢

　　在淘金熱潮中，誰能穩(wěn)賺不賠?不是淘金者，而是賣水人;在火熱的芯片投資熱潮中，也少不了這樣的“賣水人”——EDA廠商。

　　EDA賽道熱鬧異常，先是合見工軟獲得11億元人民幣的Pre-A輪融資，后是華大九天登陸創(chuàng)業(yè)板，首日收盤暴漲129.43%。做EDA憑什么能拿到這么多錢?

　　本文是“國產(chǎn)替代”系列的文章，關(guān)注EDA國產(chǎn)替代。在本文中，你將了解到：EDA的作用和特征，EDA發(fā)展歷史，EDA技術(shù)和應(yīng)用的變革，國產(chǎn)EDA及背后的思考。

　　沒有EDA，就沒有芯片

　　EDA(Electronic Design Automation，電子設(shè)計自動化)，是利用計算機輔助完成集成電路芯片的設(shè)計、制造、封測的大型工業(yè)工具。它是最基礎(chǔ)、最上游的領(lǐng)域，貫穿了集成電路產(chǎn)業(yè)鏈的每個環(huán)節(jié)。

　　簡單地說，EDA就是芯片設(shè)計師的畫筆和畫板，就像操作文檔要用Word，制作圖片要用Photoshop一樣，它能高效設(shè)計、控制及管理數(shù)十億電路元件在一顆芯片里協(xié)同工作。[1]

　　EDA算法密集，融合了圖形學(xué)、計算數(shù)學(xué)、微電子學(xué)、拓?fù)溥壿媽W(xué)、材料學(xué)及人工智能等多學(xué)科的算法技術(shù)，必須經(jīng)過長時間技術(shù)積累和持續(xù)大規(guī)模研發(fā)投入，才能滿足新工藝的應(yīng)用需求。

　　EDA工具包括硬件和軟件兩部分。軟件是工具的核心，分為仿真工具、設(shè)計工具、驗證工具三種類型;硬件是用來加速仿真、驗證速度的服務(wù)器和專用工具。[3]

　　EDA軟件工具的三種類型，制表丨果殼硬科技

　　資料來源丨新思科技[4]

　　EDA非常重要，倘若它出現(xiàn)問題，產(chǎn)業(yè)下游的集成電路、電子信息和數(shù)字經(jīng)濟都會崩潰。沒有EDA，就不可能設(shè)計和制造當(dāng)今的芯片。

　　芯片設(shè)計過程極為復(fù)雜，要求設(shè)計精細(xì)度很高，稍有偏差就會導(dǎo)致芯片報廢，項目崩盤;同時，從90nm、65nm進化到3nm/2nm，制造成本攀升，所需設(shè)計步驟也越來越多，設(shè)計也越來越困難。[6]

　　EDA能發(fā)揮計算機輔助設(shè)計(TCAD)、面向制造的設(shè)計 (DFM)、硅生命周期管理 (SLM)三大關(guān)鍵功用，保證最終產(chǎn)品的良率和性能。一方面，EDA將復(fù)雜的芯片設(shè)計流程拆分成高級綜合、邏輯綜合、原理圖布局等若干步驟，并配備豐富的工具組件庫和可復(fù)用的參考架構(gòu);另一方面，EDA能利用仿真、驗證等工具在芯片生產(chǎn)前糾正錯誤。[7]

　　EDA擁有三個關(guān)鍵功用，制表丨果殼硬科技

　　EDA還與另一個細(xì)分市場密切掛鉤——半導(dǎo)體知識產(chǎn)權(quán)(半導(dǎo)體IP核)。所謂IP核，就是半成品芯片，提供不同復(fù)雜度的預(yù)設(shè)計電路，分為軟核、硬核、固核三類。鑒于IP核的使用和重復(fù)使用都依賴EDA工具，同時EDA和IP核還可以捆綁銷售，通常業(yè)界將兩者視為一個市場[4]。雖然EDA巨頭都擁有自己的IP核產(chǎn)品，但隨著市場擴大及IP供應(yīng)商增加，現(xiàn)在的趨勢是將EDA和IP核獨立出來。

　　三種類型IP核，資料來源丨方正證券[8]

　　EDA是跟著集成電路變遷的。經(jīng)歷了CAD/CAM(計算機輔助設(shè)計/計算機輔助制造)、CAE(計算機輔助工程)、ESDA(電子系統(tǒng)設(shè)計自動化)到EDA(電子設(shè)計自動化)四個階段，階段轉(zhuǎn)換本質(zhì)上是芯片描述抽象層級的變化，精度依次提升。

　　復(fù)盤EDA市場發(fā)展行徑，與晶圓代工、數(shù)字芯片等發(fā)展歷史非常類似，都是從玩家稀少到百花齊放，再到優(yōu)勝劣汰，并購為僅剩1~2家、至多3~4家超大集合體的局面。

　　1964年~1978年，芯片晶體管密度低，集成度低，企業(yè)入局率低， Applicon、Calma和Computervision三家公司主導(dǎo)當(dāng)時的CAD/CAM市場;

　　1979年~1992年，CAE成為新貴，相關(guān)企業(yè)參與率突然急劇上升，轉(zhuǎn)折點在于ASIC(商用專用集成電路)的出現(xiàn)，讓設(shè)計團隊可以接觸到以前為大型系統(tǒng)OEM預(yù)留的定制芯片，Daisy Systems、Mentor Graphics和Valid Logic三家公司主導(dǎo)當(dāng)時的CAE市場;[9]

　　90年代初，技術(shù)一路發(fā)展，高級語言描述開始應(yīng)用，ESDA當(dāng)?shù)溃�并開啟了行業(yè)并購，Synopsys(新思科技)、Cadence(官方譯名楷登電子)、Mentor(現(xiàn)為Siemens EDA)成為新三巨頭;[10]

　　2009年~2014年，巨頭以外的EDA相關(guān)專利申請逐漸減少，市場壟斷態(tài)勢初現(xiàn)，小公司被收購，大公司在競逐中被淘汰;

　　之后的幾年至今，EDA行業(yè)繼續(xù)整合，新思科技、楷登電子、西門子EDA收購許多小型初創(chuàng)公司，包括Forte、Jasper、Springsoft、EVE、Nimbic等，國內(nèi)EDA融資潮起，一些老牌國產(chǎn)品牌開始擠進第二梯隊。

　　EDA發(fā)展階段及特征，制表丨果殼硬科技

　　資料來源丨IEEE Design & Test of Computers[9]

　　EDA不是好做的生意

　　EDA企業(yè)怎么賺錢?一般采取授權(quán)(License)的模式，即向客戶銷售指定版本的軟件，并收取合同約定期間的授權(quán)費。

　　授權(quán)又分為固定期限授權(quán)和永久授權(quán)兩種形式，可以簡單理解為Office 365和Office 2021的關(guān)系。對換代要求低的客戶大多數(shù)選擇永久授權(quán)，對換代要求較高的客戶選擇固定期限授權(quán)。固定期限通常為1~3年，也可以選擇在固定期內(nèi)多次授權(quán)，相當(dāng)于分期付款。[11]

　　固定授權(quán)是國際更為通行的模式，國際先進大廠均采用此形式，2021年，全行業(yè)固定期限內(nèi)一次授權(quán)方式營收占比達55%[12]。這是因為芯片迭代迅速，要面對的物理現(xiàn)象、應(yīng)用和工藝越來越復(fù)雜，這種方式能夠獲得EDA廠商對工具的實時更新、缺陷修復(fù)、技術(shù)支持及性能方面升級等[13]。

　　2019年~2021年公司EDA軟件銷售不同授權(quán)模式營收占比，圖源丨東吳證券

　　EDA行業(yè)具有明顯的可持續(xù)增長空間。2020年全球EDA市場營收115.7億美元，2026年全球EDA市場營收213.6億美元，年復(fù)合增長率10.9%。[14]

　　倒金字塔產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)，圖源丨華大九天招股書

　　但EDA也絕對不是一門好做的生意。如今，整個市場分為三級競爭梯隊，國產(chǎn)最高只做到第二梯隊，且份額太小，根據(jù)SIA(美國半導(dǎo)體協(xié)會)數(shù)據(jù)，國內(nèi)EDA/IP占全球市場僅1%。[15]

　　第一梯隊由新思科技、楷登電子、西門子EDA三家企業(yè)組成，處于絕對領(lǐng)先地位，占據(jù)全球78%的市場份額，在中國市場三巨頭擁有超過95%的軟件銷量，擁有全流程EDA產(chǎn)品，業(yè)務(wù)遍布全球，科研實力雄厚;

　　第二梯隊以美國ANSYS公司、Silvaco、Aldec、華大九天等為代表，擁有特定領(lǐng)域全流程產(chǎn)品，在局部領(lǐng)域技術(shù)較為領(lǐng)先;

　　第三梯隊以Altium、概念工程集團(Concept Engineering)、概倫電子、Down Stream Technologies等為代表，這些企業(yè)主要布局點工具，缺少EDA特定領(lǐng)域全流程產(chǎn)品。[16]

　　全球EDA行業(yè)簡要格局，來源丨華大九天招股書[16]

　　誰處于絕對領(lǐng)先地位，市場規(guī)則就由誰制定。但實際上，新思科技、楷登電子、西門子EDA三家公司在市場上的競爭也極為激烈，雖然三家公司整體運營思路相同，但策略也不盡相同。

　　新思科技在營收、業(yè)務(wù)等方面無疑是規(guī)模最大的EDA相關(guān)企業(yè)，但單從EDA產(chǎn)品線來看，楷登電子與新思科技持平，甚至在往年更勝新思科技一籌。從戰(zhàn)略上來看，新思科技強化軟件集成型產(chǎn)品發(fā)展，通過頻繁并購平均發(fā)展旗下各產(chǎn)品線的產(chǎn)品實力。楷登電子實力底蘊扎實，并購動作相對較少也能保持EDA營收穩(wěn)定增長。[17]

　　EDA三巨頭基本情況對比，制表丨果殼硬科技

　　資料來源丨EDP Sciences[18]，《軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品》[19]，《中國集成電路》[20]

　　國內(nèi)EDA發(fā)展曲折緩慢，直到2008年后才開始崛起：早在1981年~1985年，國內(nèi)便陸續(xù)開發(fā)ICCAD一級系統(tǒng)和二級系統(tǒng);1993年，熊貓系統(tǒng)問世;但之后15年里，受“造不如買，買不如租”觀念影響，國內(nèi)EDA被拉開差距，彼時正值新思科技、楷登電子、西門子EDA上升期;2008年，EDA重新成為重點，華大集團將EDA部門獨立出來，名為華大九天;2010年，概倫電子成立[21];2021年12月，概倫電子科創(chuàng)板上市;2022年7月，華大九天創(chuàng)業(yè)板上市。

　　國內(nèi)EDA二級市場情況不完全統(tǒng)計，制表丨果殼硬科技

　　在國產(chǎn)替代風(fēng)潮下，近兩年EDA一級市場非�；钴S，融資金額一度達到11億元人民幣。

　　近兩年內(nèi)國內(nèi)EDA一級市場情況不完全統(tǒng)計，制表丨果殼硬科技

　　仍然需要指出的是，國產(chǎn)EDA以點工具為主，工具鏈不完整，三巨頭則覆蓋了產(chǎn)業(yè)鏈的各個方面。另外，國產(chǎn)EDA目前尚不能滿足尖端制程的要求，由于EDA處在最上游位置，因此EDA必須比芯片的工藝更先進。

　　國內(nèi)外EDA支持工具鏈對比，制表丨果殼硬科技

　　國內(nèi)外企業(yè)EDA產(chǎn)品支持制程對比，資料來源丨頭豹[22]

　　夾縫求生，還能怎么走

　　在高度壟斷之下，國產(chǎn)EDA究竟有哪些還能走的路?我們認(rèn)為有如下幾點：

　　投入打在關(guān)鍵點上

　　EDA需要的投入金額驚人。新思科技和楷登電子十年來凈利率大多數(shù)年份不超過15%，但卻從未因公司經(jīng)營狀況不加而降低研發(fā)投入強度，研發(fā)占比全部高于30%，甚至部分時間研發(fā)占比超過40%。對于較小的EDA公司，這個數(shù)字可能會更高。[23]

　　高額投入意味著三家巨頭豎起了專利高墻，專利圍城導(dǎo)致國產(chǎn)處境極為尷尬。近兩年，所有半導(dǎo)體公司都開始建立一系列自己的知識產(chǎn)權(quán)，希望與競爭對手保持安全距離[24]，國產(chǎn)也需要自己的專利。

　　通過統(tǒng)計三巨頭在EDA關(guān)鍵技術(shù)專利數(shù)量和分布情況來看，發(fā)展程度、重點和專長上沒有太大差異，但研究基本集中在“驗證”“仿真”“布線”三個主題上，“時序分析”和“綜合”兩個部分研究還不多，這意味著“時序分析”“綜合”是能拉開技術(shù)差距的部分[18]。另外，“驗證”占芯片設(shè)計總成本70%以上，是國產(chǎn)EDA正在突破的領(lǐng)域。[25]

　　三大巨頭關(guān)鍵技術(shù)專利數(shù)量和分布情況，信息來源丨EDP Sciences[18]

　　發(fā)展Chiplet是關(guān)鍵點

　　傳統(tǒng)芯片是將所有器件放在單一裸晶(Die)上，功能越多芯片尺寸越大，Chiplet(小芯片)是將大尺寸多核心分散到多個微小裸芯片上，如不同類型的處理器、模擬組件、存儲器等，再用3D立體堆棧的方式，像搭積木一樣組合在一起。[26]

　　Chiplet有多重要?AMD、英特爾、英偉達等頭部IC設(shè)計企業(yè)都推出過基于Chiplet技術(shù)的產(chǎn)品，蘋果也準(zhǔn)備在下一代高端處理器中采用Chiplet技術(shù)[27]。為了讓Chiplet更好發(fā)展，Arm、AMD、Meta、英特爾、谷歌云、微軟、高通、三星、日月光和臺積電還發(fā)起了UCIe產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。[28]

　　實現(xiàn)Chiplet，EDA是關(guān)鍵。目前來說，Chiplet的最大問題是如何將部件組合在一起，誰來將這些部件組合在一起，國產(chǎn)EDA可就這些問題進行研究。

　　做更好用的EDA工具

　　以軟件為核心的EDA，好用，讓更多人能用才是王道。

　　近年來，隨著芯片設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)量和系統(tǒng)運算能力上升，AI(人工智能)和云技術(shù)開始深入EDA。這種模式也逐漸被行業(yè)認(rèn)可，用戶的使用習(xí)慣也隨之改變。另外，傳統(tǒng)SoC設(shè)計需要在RTL級別下使用硬件描述語言進行邏輯、驗證，后來EDA逐漸開始支持C/C++/SystemC，學(xué)習(xí)晦澀難懂的語言不再是硬性要求。[29]

　　這種變化得益于設(shè)計方法學(xué)的進化，最終目的在于提升設(shè)計效率、確保設(shè)計正確性、提升芯片生產(chǎn)良率、加速設(shè)計流程，國產(chǎn)EDA也應(yīng)當(dāng)遵循這種模式進行發(fā)展。

　　EDA工具在設(shè)計方法學(xué)層面的發(fā)展方向，資料來源丨華大九天招股書[16]

　　開源化增強EDA領(lǐng)域研究

　　近幾年，開源風(fēng)潮盛行，誕生了開放的硅知識產(chǎn)權(quán)生態(tài)系統(tǒng)。開源EDA工具能快速引導(dǎo)國產(chǎn)EDA找到方向，同時還能為科學(xué)發(fā)展創(chuàng)造了全新生態(tài)系統(tǒng)。

　　開源EDA有五大可行性：其一，能夠快速識別最新基準(zhǔn)測試結(jié)果，從而可以快速確定新的EDA解決方案，推動技術(shù)發(fā)展;其二，開源工具能夠加速EDA研究，可以在現(xiàn)有開源工具和組件的基礎(chǔ)上以更快的速度實現(xiàn)迭代，降低進入門檻;其三，由于EDA改進可能會被下游工具所掩蓋，完整開源的EDA工具能夠確保改進堅持到最后;其四，具有標(biāo)準(zhǔn)I/O格式交換的開源工具，能夠在開源工具和閉源工業(yè)間形成健康的生態(tài)系統(tǒng)，加快學(xué)術(shù)界和工業(yè)界知識傳播;其五，開發(fā)者社區(qū)能夠發(fā)現(xiàn)更多后門或漏洞，能夠帶來更值得信賴的設(shè)計過程。[30]

　　各種力量應(yīng)該擰成一股繩

　　EDA貫穿芯片整個產(chǎn)業(yè)鏈，各個工具也環(huán)環(huán)相扣。三巨頭均不同程度地采取收購整合方式，實現(xiàn)全流程工具的覆蓋。國內(nèi)目前僅有華大九天一家公司實現(xiàn)部分設(shè)計全流程方案，整體市場仍然呈現(xiàn)碎片化、地理化分散。[31]

　　EDA工具的兩種突破方案對比，圖源丨華福證券[32]

　　推進整合并非易事，何況國產(chǎn)EDA仍處在初期，不具備大規(guī)模并購條件。因此，國內(nèi)可采取更為特色化的整合形式，通過行業(yè)龍頭牽動行業(yè)合作，加之政府扶持，因勢利導(dǎo)，形成合理的互惠模式。具體擁有三種銷售形式[31]：

　　捆綁銷售：采取多個公司點工具的捆綁式銷售，并讓工具之間產(chǎn)生關(guān)聯(lián);

　　定制開發(fā)合作：大型EDA廠商向小型廠商定制開發(fā)，后者完成開發(fā)后，雙方共享產(chǎn)權(quán)和技術(shù)，實現(xiàn)合作共贏;

　　產(chǎn)業(yè)孵化：先發(fā)展起來的EDA廠商為有技術(shù)基礎(chǔ)的初創(chuàng)企業(yè)導(dǎo)入業(yè)界資源。

　　另外，人才和團隊、技術(shù)和產(chǎn)品、市場和生態(tài)、資金與政策、法律與規(guī)范、軟件與硬件六大因素對EDA來說缺一不可，但現(xiàn)今EDA領(lǐng)域人才短缺，技術(shù)覆蓋不全面，生態(tài)建設(shè)不完整。這背后需要政府主導(dǎo)、資本市場助力，發(fā)揮了產(chǎn)學(xué)研集成效應(yīng)，帶動集成電路發(fā)展。[33]

　　當(dāng)國內(nèi)力量都擰成一股繩時，繼而可構(gòu)建自主的標(biāo)準(zhǔn)化�，F(xiàn)如今，EDA所設(shè)領(lǐng)域廣泛，體系和功能繁雜，標(biāo)準(zhǔn)化工作涉及的范圍也很廣，國內(nèi)可進一步推進自己的標(biāo)準(zhǔn)化工作。[34]

　　當(dāng)各種資源整合在一起，占領(lǐng)市場必然會水到渠成。