EDA软件介绍分析与EDA软件发展前景解密

　　（来源：工业软件行业观察（作者：原力，原标题：国外怎么看中国EDA的发展）

　　美国对于华为的制裁也是长达两年之久，在今年美国也是加大了制裁的力度，这次全面的禁令直接让华为命悬一线，甚至被传要出售荣耀来断臂求生。大家讨论最多的就是华为芯片代加工的问题，只要任何一个生产环节使用了美国的软件以及硬件设备就无法和华为合作，这也是让华为的芯片供应出现问题，相比另外一条禁令，断供芯片还算是小事。

　　

　　这就是华为设计芯片时使用美国EDA工具也需要向美国申请许可证，目前针对这一禁令是难以找到解决的办法，这可谓是华为的命门。

　　到目前为止，EDA等工业软件就是目前中国制造最大的短板，EDA是整个集成电路领域规模最小，但是又不可替代的重要存在，其实整个EDA的市场规模还是较小，但是少了这个工具，全球的芯片设计、研发和生产就会停滞不前。最关键的是这一重要的工具还处于了垄断的地位，Cadence、Synopsys和西门子旗下的Mentor Graphics，这三家公司就是全球EDA市场的绝对垄断者。

　　

　　EDA工具就是典型的“卡脖子”技术，目前国内在模拟IC拥有自主的完整设计平台，例如华大九天，而且他在平板显示器也拥有全流程的设计平台，并与国际上主要平台显示器大厂合作；还有一些单点或芯片某些制程阶段上的专用的EDA工具；也有一些工具在一定程度上满足AI芯片这样相对简单的芯片设计。这些都是相当不错的成果，而且更重要的是，这些是在和国外巨头们竞争的夹缝中完成的，既没有投资商的青睐，也几乎没有什么像样的扶持。

　　国内“卡脖子”和受制于人的大讨论已经持续了相当长的时间，观点五花八门，这里就不作评价了。编译整理本文的主要目的是想看看国外EDA领域的专家怎么看待国产EDA的发展，或者从这些专家视角，或者过来人的看法上揣摩一下国产EDA发展的路径。

　　为了让文中有些专业说法更容易理解，先在这里把有些可能造成疑问的知识简单普及一下：

　　1、 XXnm 制程是什么意思？

　　芯片的制程就是制造工艺，芯片制程常常用90nm、65nm、40nm、28nm、22nm、14nm来表示。CPU内集成了以亿为单位的晶体管，这种晶体管由源极、漏极和位于它们之间的栅极所组成，电流从源极流入漏极，栅极则起到控制电流通断的作用。所谓的XXnm其实指的是，CPU上形成的互补氧化 物金属半导体场效应晶体管栅极的宽度，也被称为栅长。栅长越短，则可以在相同尺寸的硅片上集成更多的晶体管。

　　2、 什么是FinFET？

　　FinFET 全称Fin Field-Effect Transistor，中文名叫鳍式场效应晶体管，是一种新的互补式金氧半导体晶体管。FinFET命名根据晶体管的形状与鱼鳍的相似性。这种设计可以改善电路控制并减少漏电流，缩短晶体管的闸长。

　　3、 为什么在14nm以下，电源及热效应控制非常重要？

　　制程工艺到一定程度下，电路与电路之间的距离降低到一定程度就会出现量子隧穿效应，量子隧穿是一个量子力学概念，既这些电子呈现的是不可知规律运动会造成半导体的漏电率急剧上升，这就需要更多的能源来控制电子运动上。宏观上表现为处理器的发热量增加，但是性能没有太大的变化。

　　4、 为什么说7nm是物理极限？

　　栅长大于7nm的时候一定程度上能有效解决漏电问题。而在采用现有芯片材料的基础上，晶体管栅长一旦低于7nm，晶体管中的电子就很容易产生量子隧穿效应，为芯片的制造带来巨大的挑战。除非寻找到新的材料来替代硅制作7nm以下的晶体管，不然现有材料能实现7nm量产就是已经是极限了。

　　5、 为什么说EDA在14nm制程上是个分水岭？

　　芯片设计公司希望通过工艺升级生产更高性能，更低功耗和更小芯片。为解决7nm漏电效应，为了满足相应工艺的生产规则，需要在支持芯片设计尤其是后端设计阶段的EDA工具增加了大量的硬性规则，使EDA设计的变通性大大降低，而在14nm以上，则没有太多硬性规则。所以在14nm以下，EDA工具必须结合特定芯片厂商的工艺制程，而在14nm以上则不需要。

　　上面的问题也是在整理这些文章时候曾经疑惑的，弄清楚这些问题，那么国产EDA发展的最大瓶颈也就比较清楚了：如果没有自主可控的14nm以下芯片设计、工艺及生成能力，探讨国产EDA在未来的竞争就没有意义。

　　而另外一个瓶颈则是人才，如果文中所说的数据是准确的，国内EDA开发的工程师只有1500名的话，那么显然会面临无人可用的困境。软件本质上就是劳动密集型产业，而工业软件更是这样，不仅仅需要程序员，还需要大量的工程科学家，数学家，物理学家等等参与其中。不过事实一再证明：再宏大的软件，真正的核心人员也就是几个人而已。

　　不过本人还是比较赞同Brian Bailey在文章中的观点：“与半导体制造宏伟计划的投资相比，EDA对中国来说几乎是小钱。 ”“如果有了足够的时间和资金投入，又没有什么压力非得在明天就要从EDA软件上盈利，那么中国的EDA开发企业还不努力，那就真是疯了。 ”

　　一、中国发展EDA的优劣势

　　这是Brian Bailey近期发表在《半导体工程》的评论文章，Brian Bailey是《半导体工程》EDA技术的编辑。

　　Semiconductor Engineering（半导体工程）由芯片设计师，工程师，新闻工作者，最终用户，行业组织和标准机构创建，旨在提供对日益复杂的设计，测试，验证，集成和制造半导体任务的见解，并深入探索行业发展的所有市场动态。

　　像大家所知道的，如果没有好的EDA流程，中国的半导体投资将会面临风险。所以，虽然中国自己的商业EDA事业目前还未成功，但这项任务必然会继续下去。

　　目前，中国还没有向世界宣布它已经准备好推出一套EDA工具。世界其他国家只满足于看到他们到目前为止所做的不合格的尝试，并认为他们不具备开发具有竞争力EDA软件的能力而将把计划取消。但实际是，鉴于当前的国际政治氛围，中国十有八九正在努力解决这个问题。

　　中国正在致力于利用所有最新技术建设世界级晶圆厂产能。政府正在筹集必要的资金来确保实现这一目标，而且他们拥有实现这一目标的耐力。中国已经拥有了14nm制程finFETs，并且正在致力于研究7nm制程。为了不依赖西方国家设备，中国甚至正在发展自己的EUV能力。

　　但是中国仍然存在一个巨大的弱点。他们后端设计软件严重依赖美国EDA工具。14nm是在EDA中所说的转折点，因为小于14nm晶圆厂无法独立完成，需要晶圆厂和EDA之间进行紧密合作。到那时，中国就不能再使用盗版软件用于后端设计了。相反，他们将不得不与美国EDA公司合作，这可能会带来问题。但即使没有这个问题，如果美国决定不再向中国出售EDA软件，或者向任何希望在中国晶圆厂制造芯片的公司出售EDA软件，那么中国的晶圆厂就会闲置。我认为这不会发生。

　　我确信中国现在正在政府支持下研究自己的EDA工具。这些工具目前可能不是很好，也不能与美国EDA达到同样的优化设计，但就像制造业一样，自主必须从某一阶段开始学习和起步。中国不需要开发EDA软件卖给别人。他们只需要确保自己的要求能够得到支持。而且，如果西方继续提高技术壁垒，他们的芯片设计公司将会有一条退路。因此，我相信他们会对任何这样的计划保持沉默，并继续购买市场上最好的工具，直到他们拥有足够的竞争力。提前传宣对中国没有任何好处。

　　现在让我们关注一下中国发展自己的EDA可能拥有的优势。

　　首先，虽然EDA公司能够看到大量设计对发展EDA是有好处的，但这些EDA公司必须非常谨慎地处理这些数据。如果设计数据被泄露，EDA公司就会遇到大麻烦。但中国却不是这样，他们的政府可以让他们的EDA研究团队看到中国正在进行的每一个设计的全部。而随着人工智能能够逐渐取代传统启发式技术，人工智能成为驾驭设计工具的一种方式，这种趋势对中国来说无疑是一个优势。考虑到正在申请的专利数量，中国在人工智能各个领域可能处于领先地位，而且他们可以获得更多用于人工智能拥有训练和学习的数据。

　　中国的第二个优势是，他们不必理会现有商业EDA工具中长期起来的所有遗留问题。由于EDA公司都曾在发展时期做过一些古怪和独特的事情，现有的EDA中曾经插入了无数的调整和变通方法，这些都成为了该工具遗产的一部分，即使软件开发公司已经不再需要它们，但却不能删除这些遗留问题（注：这说的是软件中的各种补丁问题，一套软件越庞大，越复杂，开放周期越长，其中包含的潜在的陷阱，和无法被取代的遗留项就越多，只能不断的打补丁，这是任何软件都存在的现实，对于存在大量算法的软件来说更是这样，前人所写的编码，对于后来者来说，很可能就是不知所云，但商业软件一般没有能力和资本在新版本把代码推倒重来，即使是微软这样的公司也做不到）。当从一张白纸上开始，更可能开发出一套干净的工具。还有一种可能，中国可能不允许自己的设计公司玩那种一次性的疯狂把戏。如果一家公司开发出了真正独特而优秀的技术，那么该技术更有可能与他人分享。合作往往会带来更快的创新。

　　中国的第三个优势是，现在全球的EDA格局正在迅速变化。20年前，我们有逻辑综合。后来，时序不能闭合时，合成必须完全重新设计以考虑布局和时序。于是，物理合成应运而生。我们正处在另一个可能导致EDA工具再次被改写的变革的风口浪尖上，那就是电源。电源已经上升为一个主要的优化因素，但更重要的是，热量会损坏芯片或导致芯片过早老化，不能在不考虑功耗和散热性的情况来设计芯片了。此外，熟悉电源的布局和布线工具可能会产生更好的布局，从而使芯片运行起来更冷更快。功率也必须在系统级考虑，尤其是当需要进行异构硅集成时，热模型和热量/功率分析必须在芯片堆栈之间进行。

　　因此，如果EDA公司打算进行根本性的软件重构，他们就必须投入与中国公司相同的资金和精力来实现这一点。与半导体制造计划的成本相比，EDA计划对中国来说几乎是小钱。但是美国的个别公司却并非如此，它们必须获利才能实现融资。

　　现有EDA软件的开发团队规模并不是特别大，而且开发一套合格的EDA所需要的时间也不是那么长。这也是80、90年代有那么多EDA初创公司的原因。是的，虽然随着当今工具和方法论之间的紧密集成，这比那时创建EDA单一功能的工具要困难得多，但是如果有了足够的时间和资金投入，又没有什么压力非得在明天就可以宣布要从EDA软件上盈利，那么中国的EDA开发企业还不努力，那就真是疯了。

　　二、中国EDA之问

　　这是Stewart Randall于2019年11月发表在《Technode》上的两篇有关中国EDA软件评论文章的第一篇。Stewart Randall是Intralink公司的电子和嵌入式软件主管。

　　Intralink是英国一家专门为进入东北亚的美国和欧洲公司提供市场准入和业务发展服务的咨询公司。公司大多数客户是由机构支持的技术公司，但它也适用于广泛领域的中型和跨国公司。

　　中国能否在集成电路（IC）领域实现独立自主？这是一个经常被问到的问题，在接下来的几个月里，我们打算阐明中国在哪些方面有优势，哪些方面存在缺陷。这是个复杂的问题，但我们可以先给出结论：中国不会太快实现芯片独立。

　　原因有很多，但一个重要原因是电子设计自动化工具（EDA），这是目前IC设计的一个关键层，基本上由美资或至少受美国出口管制的公司主导。对于一些专业应用来说，会有一些国产替代，而且更多的替代产品也即将出现，但EDA这个类别是中国努力实现芯片独立的阿喀琉斯之踵，特别是对于那些全球野心的中国公司来说。

　　什么是EDA工具？

　　简单来说EDA工具是用来设计IC和印刷电路板的软件工具。尽管全球4，500-5，000亿美元的芯片产业中，它们只占大约100亿美元左右，但EDA对半导体的设计和创新至关重要。

　　不同功能的EDA工具在设计流程中完成不同的任务工作，所有的芯片设计人员不仅要进行设计，还要对芯片进行分析、验证和调试。这不是依靠手工就可以完成的各种，尤其是考虑到现代设计会可能包含数百亿个晶体管的复杂性。EDA工具可以细分为五种主要的子类别：设计、仿真、验证、制造准备和功能安全。这些工具针对的任务混合在一起执行也没有问题，但成熟的做好还是更倾向于坚持一套流程，以保持芯片设计更简单、快速和便宜。

　　谁是主要供应商？

　　虽然EDA行业出现过很多公司，但目前该行业主要由三家龙头企业主导：Synopsys、Cadence和MentorGraphics。这些企业都是美国公司，直到最近，Mentor被西门子收购，但它的总部仍然设在美国，并且除了所有权外其他都依然是一家美国公司。这三家公司加起来大约占据全球EDA市场的60%到70%，其中Synopsys就占了三分之一以上。

　　

　　就我个人而言，我在中国还没有遇到一家无工厂芯片设计供应商说过他们没有采用Synopsys或Cadence的设计流程，或者没有使用它们的工具。虽然有些公司可能会用其他公司的工具来补充Cadence或Synopsys的部分流程，但这通常针对的是极少情况，这些在他们的设计任务中并不占主要地位。

　　从我所掌握的情况来看，中国95%左右的EDA市场是由这三家公司瓜分掉的。

　　这对中国意味着什么？

　　与我的客户和业内的中国人交谈后发现，Synopsys和Cadence无法再与华为或BIS实体名单上的任何企业合作。在华为昇腾910 AI芯片的发布会上，华为轮值董事长进一步证实了Synopsys和Cadence不能再与华为合作。

　　这不是一场灾难。像海思这样的公司将不再从EDA供应商那里获得支持，但他们依靠当前的授权还可以使用这些工具，并且知道如何使用它们。如果他们在2020年之前继续推出芯片，我不会感到惊讶。

　　美国海思的禁售成为法规，海思将无限期地失去授权。这将意味着海思得不到他的竞争对手能够获得的技术支持，如所有最新的补丁、更新和改进。也许当前的许可证可能已经到期，因此无法续签。

　　那么中国企业能用什么工具呢？他们能多快地重新培训那些从大学时代就开始依赖美国工具的工程师来使用一套全新的工具？显然会使设计芯片的速度会放缓，这会导致竞争落后于对手。

　　有替代品吗？

　　一家纯粹的中国公司可能会偷偷使用未经许可的EDA工具。事实上，这种情况被认为在中国比较普遍。我所接触到的很多纯国内公司都会在设计流程的某个环节这样使用工具。

　　不过上市公司，尤其像华为这样的国际大公司，就无法心存侥幸了。因为侵犯知识产权所负的法律责任太大。

　　也许像华为这样的公司可以使用第三方设计服务，这将绕过BIS实体名单这个问题，但这意味着要外包设计。那这会意味着不再需要大量的设计工程师。而对于海思这颗中国IC设计皇冠上的明珠来说，不可能承认它不再设计芯片，至少不是整个设计。为了解决这个问题，中国必须要有自己的EDA解决方案。

　　三、中国的EDA工具为什么落后

　　这是Stewart Randall于2019年11月发表在《Technode》上的两篇有关中国EDA软件评论文章的第二篇。

　　我在上周写道，电子设计自动化（EDA）工具是中国争取集成电路（IC）独立自主的一个致命弱点。虽然这些工具在全球IC市场上只占100亿美元，相对较小。 但这些由美国或与美国有关联的三大龙头企业主导的工具对所有IC设计都至关重要。

　　这种EDA依赖带来的问题不仅仅是华为和其IC设计子公司海思的问题，不仅仅是美国实体名单上其他希望自己设计芯片的公司的问题，也不仅仅是中国所有半导体公司的问题，而是中国政府面临的问题。这听起来并不夸张，中国所有的“自主研发”芯片都在使用以美国为主的EDA工具进行设计、验证、确认等工作。中国芯片可能会抢占新闻头条，但中国政府知道中国企业并不都是像他们希望的那样自力更生。

　　虽然只做中国国内的企业有可能逃避版权的惩罚，但如果他们想成为全球范围内有力竞争者，则肯定会采取遵守知识产权的做法。所以中国必须开发自己的EDA工具。中国的国内公司，乃至华为，都在一直坚持开发EDA工具，不过我们尚未看到任何公开的显著成果。华为公司所做的事情并不十分透明，而中国国内其他公司所取得的成果在成熟度和功能尚存较大欠缺。

　　中国EDA发展滞后

　　

　　中国从80年代中期就开始在EDA研发上投入，开发出了“Panda IC设计系统”。 不过，在我来到中国后，还没有见到过真正使用这个系统的企业，所以我只能认为它并未取得成功。目前在中国比较知名的公司，包括华大九天、芯和、广立微电子、概伦电子、ProPlus、蓝海微和奥卡思微电。

　　但这些公司大多不能提供完整的设计流程。 唯一例外的是华大九天提供完整模拟IC的设计流程，它在平板显示器方面与一些最大的制造商合作，包括，三星，CSOT，HKC和京东方。其他客户包括理光、SK Hynix、Marvell和Sandisk。

　　除了华大在它的最擅长的领域相对取得了成功之外，中国的自主EDA软件总体上一直非常艰难，不过这是什么原因导致的呢？

　　造成这种差距有几个原因：中国EDA工具不够全面，没有足够具备开发此类软件技能的工程师，市场准入困难，以及中国企业没有足够的渠道跟上芯片制造业发展。

　　什么阻碍了中国EDA的发展？

　　全面性： 中国EDA工具根本不全面，尤其是在数字设计方面。大多数数字设计过程由Synopsys和Cadence主导。即使在设计流程的一两个阶段上，中国企业拥有具有竞争力的产品很难打入市场，因为三巨头具有支持用户从规格到生产的开发的能力而建立了行业垄断的壁垒。所以中国企业只有打造一个整体解决方案，才能开始在国内展开各种层面上的竞争，但即便如此，也会由于各种因素而困难重重。

　　人才：中国大部分EDA工具开发工程师实际上是为三大巨头工作的：在中国有1500多名这样的工程师，其中只有300名在国内公司工作。再看Synopsys一家公司，在全球就拥有超过5000名这样的工程师。另外想要进入EDA行业的国内企业还必须与利润更丰厚，待遇更好的行业争夺软件人才。例如在阿里巴巴、腾讯等公司进行应用软件开发，薪酬待遇要比在一家苦苦挣扎的中国EDA公司高的多。

　　市场准入： 国内超过95%的市场被三巨头所占据，这造成市场准入难度很高。即使有公司能够开发出一整套工具，短期内也很难获从三巨头手里抢夺到可观的市场份额。芯片企业已经习惯了一定的设计流程，更麻烦的是，中国工程师们自大学时代起开始就使用来自三巨头的EDA。这些困难都使得国内EDA行业对潜在的投资者吸引力降低，进一步而限制了其发展。

　　与先进工艺的集成： 设计与工艺之间的联系是EDA流程的关键部分。三巨头与世界领先的晶圆厂和晶圆代工厂合作，对他们的工艺流程有着深入的了解，而中国国内企业往往只有在开发出新工艺新流程后才能接触到，即便能接触到，也不一定能得到完全的准入。这使得国内企业很难设计和改进自己的软件，从而得以与三大巨头的产品展开竞争。

　　版权问题：如上曾提到过的，EDA工具在中国存在比较严重的版权问题。因为这些工具价格昂贵。芯片的知识产品很难“破解”，但是软件就比较容易。一般只关注中国国内市场的企业，就容易通过这种方法来节省成本。这也意味着政府可能会将EDA工具的投资排在较低的优先级，因为即使被禁运，仍然可能获得用于军用等专用芯片设计的软件工具。

　　国家支持的EDA

　　中国政府已经开始在支持EDA工具的开发，我预计未来几年内支持力度会加大。现在，国内开发EDA的企业可向政府申请返还30%的开发成本，上限为3000万元人民币（约合430万美元）。

　　中国政府还资助了一些公司。例如，国威集团从中央和深圳市政府获得了4亿元人民币开发经费。另外，华大九天在过去几年中也获得了数亿资金，它们不仅来自于风险投资，还来自于国有的“大基金”。

　　政府资助显然值得欢迎，也起到了一定的帮助作用，但是和三大巨头内部的研发投入相比，这点小钱根本算不上什么。如果中国真的想在EDA领域实现独立，还需要做更多的工作。中国政府最近宣布的290亿美元半导体基金，可能会在一定程度上对EDA的发展有所帮助，但是其中有多少会投入到EDA领域还有待观察。我猜测，与投资于存储器、晶圆厂设备和传统无工厂芯片的金额相比，这个数字很小。

　　结束语

　　中国目前在EDA上的困境为国内企业带来了机遇。政府投资，加上庞大的国内市场，意味着EDA行业有足够的环境来成长和改善。不过，中国需要以渐进方式来发展EDA，不应让EDA企业过于依赖政府的扶持。如果把所有的东西都由国产同类产品（如果有的话）替代，可能意味着产品上市时间变慢，最终产品也会落后。一刀切地采用国家采购政策是有风险的，可能会阻碍创新。只有当国产EDA工具或整个设计工艺在某种程度上处于相对公平的竞争环境时，才应该进行国产化转换，而且扶持也应该基于阶段性目标，以避免造成类似国企的低效运作。

　　我可以预见未来国内EDA企业将在中国国内某些芯片开展竞争，例如模拟设计或更简单的物联网设计。不过在全球范围内的竞争将会更困难，如果不能从国外晶圆厂和代工厂获得最先进的工艺技术，国内EDA公司将始终处于劣势。中国可以减少对国外的依赖，但至少目前还没有办法在这个领域完全独立。