EDA是芯片設計最上游、壁壘最高的部分，也是國內芯片產業幾乎最薄弱的環節。

2020，滄海橫流，疫病橫生，偏偏此時國際關系劍拔弩張。以中美摩擦為劇，一時間火花四濺，駭浪驚濤。

從中興通信事件為始到“516”華為全面進入實體清單，此間已二年有余。

尤其以半導體為首的科技產業被推入風口浪尖，甚至一個企業，便要承受一個國家的命運和擔當。

作為產程密集度、工業自動化程度、技術密集度最高，代表人類最頂級智慧結晶的行業，半導體產業的低國產化、低自給化和產業中低端化，成為此次掣肘中國的利劍。

電子設計自動化—— Electronic Design Automation，簡稱EDA，是芯片設計最上游、壁壘最高的部分，卻是國內芯片產業幾乎最薄弱的環節，被強行推向舞臺中央。

作為產業中樞和設計之母，EDA承載起中國半導體產業生態的塑造之路，其產業位置之重要，見微知著：

以設計自動化為題，EDA以計算機輔助設計（CAD）為橋梁，嫁接超大規模集成電路（VLSI）設計中所涉及的功能設計、綜合、驗證、物理結構（布線、布局和版圖）等流程的全制；

以芯片設計生態為題，EDA發展的產業生態基礎，嫁接了代工廠對于產業上下游的理解，培植高端芯片設計公司，是形成整套半導體系統生態的中樞神經；

以半導體生態為題，EDA作為半導體產業的發展杠桿，將會孕育整個半導體后摩爾時代的產業發展路徑。以摩爾定律為代表的物理極限被打破，使得配套的設計工具和軟件服務，決定了產業未來的發展路徑和天花板。

01?歷史觀瀾：EDA的前世今生

集成電路作為整個半導體產業的核心，其技術設計的復雜性，產業結構的專業化，使得一套完整的EDA軟件成為剛需，較之前有限的晶體管布局和布線難度，現有集成電路設計之繁雜，規模之巨大，均不是單純人力范圍所能覆蓋。

EDA出現之前，傳統設計人員必須通過手工完成設計和布線等基礎工作，彼時前沿的工程師，不過是使用集合方法制造用于電路光繪的專用膠帶（Photo plotter）便可滿足需求。

EDA作為高階的電子設計自動化，并未在彼時呼之欲出，取決于傳統集成電路的復雜程度仍較原始，半導體工業仍延續粗放生產。

隨著數據的快速擴張導致計算量的極限增長，手工設計愈發吃力。為了配合工程師的需求，自動完成掩膜草圖開始出現，提供電路布局和布線的研發工具雨后春筍般出現在設計人員的視野中。

真正的突破出現在1980年，加州理工學院教授Carver Mead和全錄帕洛阿爾托研究中心的程式設計師Lynn Conway共同發表了一篇具有劃時代意義的論文《超大規模集成電路系統導論》 （Introduction to VLSI Systems）。

這篇論文將編程語言構建芯片設計的新思想推向世界。以此成果編寫的《VLSI系統簡介》成為當時標準的課堂教材，在超過一百所高校里使用。

具體展開，EDA到底在芯片設計中扮演著怎樣的重要角色？

芯片設計分為前端和后端，前端調節芯片邏輯，后端完成物理實現。

二者清晰劃分但并不嚴格切分界限，涉及一切工藝相關則統一劃分為后端，前端則對芯片門級網表電路進行邏輯梳理，一則實現對芯片的功能定義，二則為功能實現行為尋找物理路徑，最終形成布局規劃和邏輯輸出。

芯片設計的過程，就是工程師利用程式碼規劃芯片功能的過程。而通過EDA工具，工程師得以將程式碼轉化成為實際電路設計。

再具體一點：

工程師向EDA提供完整的HDL code（Hardware Description Language，硬件描述語言代碼）；

EDA會根據邏輯閘設計圖的規格對該代碼進行修改和調整，生成功能正確的電路圖；

最后供給后端進行布局模擬和電路制作，形成光罩，然后流片成產品

作為邏輯綜合工具的EDA，不僅為設計的邏輯閘提供意見的修改，其更重要的價值是在SoC（System on Chip，系統級芯片）數以億計的今天，大幅度地降低了設計試錯成本。

大規模集成電路的復雜度，已經遠超人類設計仿真的控制極限。因此，在動輒流片費用百萬千萬計的今天，任何一家芯片公司都無法承受數次流片失敗的成本。設計環節的絲毫差錯，都可能導致巨大的財務損失。

EDA的出現，至少將此成本縮減超百倍。

隨后，集成電路的布道者們開始大肆宣傳集成電路與承載的人類命運，幾乎和集成電路所能承載的復雜程度直接關聯。這在當時看起來幾乎荒誕的理論，在40年后的今天一語中的 ——

通過編程語言設計和驗證電路預期行為，并通過邏輯綜合工具軟件得到低抽象級物理設計的研發途徑，迄今為止仍然是數字集成電路設計的思想基礎和工程基礎。

在這個基礎之上，EDA的商業化在上世紀80年代高速發展：

1981年，日后主宰全球EDA市場的三大巨頭之一Mentor Graphics悄然誕生，日后名聲飛揚的Xpedition、PADS、Mentor EE均誕生于此；

1986年，Gateway提出Verilog，這是迄今為止最流行的高級抽象語言；

同年，三巨頭之二Synopsys誕生于美國加州Mountain View；

1987年，美國國防部資助的VHDL（Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language，超高速集成電路硬件描述語言）問世，將設計實體分為內外部分，日后被廣泛應用于機械工程、儀器科學和計算機科學中；

1988年，第三家巨頭Cadence誕生在美國加州San Jose。

產業規模的急速擴張和競爭逐步加劇，導致分工模式進一步細化。

EDA猶如達摩克斯的利劍，精確切分原來由IDM （Integrated Device Manufacturer，集約化制造商）主導的半導體產業生態，逐步演化成了Fabless（無工廠僅設計） + Foundry（代工廠） + OSAT（Out Sourced Assembly and Testing，封測代工廠）的產業格局。

后來耳熟能詳的IC設計、IC制造和IC封裝，三大核心板塊逐漸形成。

因為EDA，產業生態的上中下游，第一次被清晰的展現出來。

“當價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數目，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍?！?/p>

——戈登·摩爾（英特爾創始人之一）

摩爾定律作為半導體行業的金科玉律已運轉多年，應驗了無數半導體發展的重大時刻，并像圣經一般，收斂了整個芯片產業上下游的發展和演化規律，使其達到了實質意義上的統一。

而EDA的迭代，數年來也追隨摩爾定律有序發展，承載了人類迄今為止超大規模集成電路的設計，發展和產業化演進。

但凡事終有極限，物理性征的限制，使得摩爾定律大有被替代更新的趨勢。

在2019年人類撬開7nm大門后，傳統EDA支撐下的IC設計遭遇瓶頸，對復雜設計的不斷追求和提升集成電路性能，并縮小尺寸的要求進一步提升。

如何在EDA上追趕并超越摩爾定律，成為人類觸碰下一代超大規模集成電路的核心要素 —— AI，物聯網和虛擬現實等技術的不斷更迭，人類對集成電路的要求也越發提升，對EDA的智能型要求也愈發提升。

以IT產業為例，手機和服務器為代表的設備更替周期從2010年全面到來至今年為止，人類社會對智能手機、大規模數據中心的替代基本結束。下一代智能終端包括和5G相關的各類硬件及軟件工具將再一次帶來設備更迭的產業浪潮。

因此，對集成電路的要求、設計復雜度的要求和可靠性的要求將更勝彼時，定制化、高個性化、私有化的要求也會隨著產業周期的變革愈發高漲。

EDA工具除了設計，服務能力和智能化程度，必然會進一步劃分EDA市場的終極格局和生態構成。

02?生態為王：EDA催生的IP生態

芯片設計所形成的重復使用設計模塊，被稱為我們常聽到的IP（Intellectual Property，知識產權核）。

一個成功的IP設計往往擁有獨家版權，并且將成為未來功能化芯片設計改良的母版，被各大公司采購和重復利用，造就了高通、英特爾等巨頭。

并不是每個新的芯片都需要重復設計每個細節，各家公司可以通過購買成熟可靠的IP方案，在原有的IP基礎上搭建特定的客戶需求和技術方案，從而縮短設計開發流程，提高可靠性，將芯片的產業價值和規模最大化。

作為已經存在世間超過50年的傳統型工業，集成電路工業已積累了數以萬計的成熟IP供市場使用，現有的不少SoC廠商通過發掘市場中成熟的IP進行自我演進，并在功能上精確嫁接客戶需求，縮短整個交付流程：

研發周期、交付周期和迭代周期同比例得到精簡和優化，這個產業思路逐步擴大到各個SoC廠商成為固定套路，整合和發掘IP滿足客戶需求并大規模出貨，成為廠商迅速實現規?；?，集成化優勢壁壘的通途。

在串聯IP商業價值上，EDA為IP內核提供了三種表現形式：

HDL語言形式的加密軟核。設計周期短，投入少且布線靈活，但后續工序與前序被切斷，性能難以持續優化；

網表形式的固核。通過頭文件或GUI（Graphical User Interface，圖形用戶接口）進行參數操作，收斂其他電路設計與該內核之間的接口；

版圖形式的硬核。從掩膜出發，針對特定工藝進行功耗和尺寸的優化，不提供RTL（Register Transfer Level，寄存器轉換級電路），因而更易于實現IP保護。

可以看出，三種特定的表現形式使得IP模塊和芯片設計企業的研發體系高度耦合。

作為具備先發優勢的歐美廠家，IP的豐富程度，與SoC企業的深度耦合經驗和歷史，讓雙方的競爭力成為一個密不可分的有效整體。

分立的EDA公司一枝獨秀絕不能支撐整個體系，需要與系統級開發商深度耦合，系統級開放商對產業深度理解并挖掘客戶需求，最終反饋到IP設計，再反向傳導至EDA完成閉環。

不斷的演進和替代，才能形成真正的生態和競爭模式。

EDA企業，SoC廠商，IP授權方深度和長期捆綁，最終決定了EDA產業贏家通吃的基本局面。新進者無論具備怎樣密集和有效的設計基礎和能力，都很難打破現有的產業格局。

不過如前面所述，隨著科技發展和產業周期迭代，傳統數字電路IP生產的方式方法，也在悄然發生改變。頂層架構設計和模塊指標的模擬IP，如今已可自動生成和生產。自動IP的生成逐步成熟，使最優設計完全可以通過本身有效的數據收斂，得到理論上的最優解。

2018年，半導體IP市場規模約為46億美元，而模擬IP自動生成領域，下穿到垂類行業（如射頻、數模混合、處理器等）的話，當前基數均可忽略不計。

作為新興行業，自動模擬IP生成工具的優化和產業化，未來將很可能成為EDA新的戰場，跳過SoC形成的原有格局，在新格局上重新競爭，重新劃分江湖。

03?S、C、MG：EDA三座大山

EDA從無到有，并最終成為撬動整個半導體行業的杠桿和基石，前面提到的三大EDA廠商以江湖盟主的姿態，霸占產業山頭。

提EDA，Synopsys就是不可逾越的大山，是EDA世界當之無愧的王者，行業制定者和領軍人。在EDA的發展軌跡上，提供整體解決方案即Total solution，并從整體方案往下延展行業渠道的公司，往往更有競爭力 ——猶如在半導體行業里掌握分立器件技術的公司比比皆是，但是捏合起來成為整體卻艱難異常。

縱觀美國半導體巨頭發展簡史，掌握Total solution能力的巨頭，往往是從單一器件和單一能力入手切入市場，通過大規模的整合并購，完成自我能力的塑造和建設。

以Synopsys為例，34年的發展歷史上，從幼年期收購Zycad公司的VHDL仿真業務入手，使得Synopsys一夜間掌握了前后端一體化的EDA能力，如此甜頭在往后的歲月里被不斷復制，加強，逐步衍生出全套的技術解決和工程驗證能力，最終成為一代領軍。

有意思的是，整合并購作為一種典型擴張手段，三大巨頭具有明顯的不同，這和企業本身的基因高度相關。

Synopsys從誕生初期便立足于為客戶在整體上優化設計環境，核心Knowhow隱藏在產品后不讓客戶直接感知，產品迭代速度和發展，通過內部研發和交易并購解決。

從Astro、DFT到TetraMAX和Vera等產品來看，Synopsys力圖從產品整體的角度，致力優化設計、布局到布線的整體環境，便于客戶在設計流程的前期更加容易熟悉和感知環境，確保在時序和測試覆蓋要求同時滿足的情況下，盡可能提升操作體驗，為客戶的設計服務提供更自由的工具和交付空間。

Cadence從誕生的第一天便是高度混合的個體，前身SDA System和ECAD作為EDA江湖最早出現在公眾視野的頂尖公司，擅長領域和對前后端理解有諸多不同，而二者最終于1988年合二為一，將Cadence瞬然保送至全球第一EDA企業的高度。

從程序方案服務和設計服務，覆蓋從半導體、計算機系統、網絡工程、消費電子及其他各類電子產品的設計，使其覆蓋的產業和技術遠超同類競爭對手，加上常年近40%的研發投入和美國國防部的長期支持，使得Cadence在2002年之前，一直處于全球EDA之巔。

Mentor Graphics的核心是EDA軟硬件耦合，對PCB解決方案的設計上，提供EDA和模擬硬件系統。產業較前兩家有一定差距，沒有提供Total solution的能力，但PCB設計工具方案的完整度，使得該公司仍然穩居世界第三。

產業并購方面，MG自成立至今雖然也有66起并購發生，但產生行業影響力的事件并不多，最終在2016年11月以45億美元賣身西門子，成為西門子數字工廠的一部分。

04?國產替代：圍剿中艱難啟航

伴隨中美對抗走入全新時局，半導體自給率將由主動替換走向被動替換，中國已是全球最大的半導體消費市場，據預測2020年將達到全球半導體消費總額的60%。

然而作為擁有超過86座光晶圓廠的超極半導體大國，卻不得不面臨國內EDA孱弱的現實：

EDA的自給化率卻低于15%；

純EDA國產化率低于5%，今年可能因為SoC工藝迭代而降至3%；

擁有全棧式技術路線，并大規模投入生產制造環節的公司小于5家。

嚴重的產業結構倒掛，既揭開了中國EDA發展的現實，也孕育了巨大的國內需求和替代機會。風險和機會并存，并將在未來的中國半導體生態中長期存在 ——

如果說半導體是中美貿易戰中最被卡脖子的一個問題，那EDA的孱弱則是這個卡脖子問題中最核心之一。

歷史上，EDA從誕生的第一天就進入歐美半導體產業體系被集中保護，從建國初期的“巴統”禁運（巴黎統籌委員會對中國實行禁運，國外EDA無法進入中國），到1988年打破封鎖的熊貓系統橫空出世，再到1994年巴統禁運取消，全球EDA產品全面進入中國。

國內EDA企業經歷了早期探索，還未脫開襁褓卻又迎來國外EDA的豺狼虎豹。隨后市場的凋敝又帶來研發費用不足和資本投入周轉緩慢等連鎖效應，造成了當前中國EDA發展緩慢，難以與三大巨頭抗衡的局面。

一直到2008年國家核高基的鼓勵扶持，以華大九天為首的中國EDA企業開始進入市場的主流視野。持續的技術投入、人才積累、與IP的有效粘連，也讓一批企業從長尾客戶切入，逐漸站穩腳跟。

同時，中國EDA市場的發展必然與本土半導體產業的發展息息相關。中國Fabless廠家已經占據全球四分之一的份額，原創IP逐步出現，急需一批提供與IP相關服務工具強粘連的服務商和渠道商。

因此作為承載熊貓系統等核心技術的華大九天，在國內被稱為EDA的先行者，也是領先者。

盡管2009年公司才正式宣告成立，但從承載熊貓系統的技術、EDA和IP方面的積累，多次增資和更換股東，尤其大股東從華大集成電路到中國電子的轉移，華大九天都擁有了在國內問鼎華山的實力和潛力。

從核心產品和已取得的成就上也可以看出：

模擬IC設計的全流程EDA系統國內唯一，也是全球四大模擬設計全流程平臺，仿真技術可支持7 nm工藝，出貨量過百億，SKU達到數百款；

數字SoC設計優化EDA，覆蓋國內90%以上企業，已基本完成國產化替代；

晶圓制造專用工具，掩膜板處理軟件全球第一；

平板設計EDA全球唯一，國內新建產線超過半數都采用該系統。

華大九天的發展基調也定位在垂類行業的Total solution上，例如在數字SoC設計優化的EDA領域，已經形成從標準單元庫特征化、工藝資料分析檢驗、規則檢車時鐘分析、到一站式版圖分析集成逐一擊破的整體能力。

就像前面所述，EDA的發展并非孤島，華大九天最大的優勢便是中國半導體的海量市場支撐。

盡管產業上下游從當下來看，大多并不具備高端器件的生產及整合能力，但巨大的市場潛力和需求、日趨動蕩的中美關系，加上EDA本身特殊的產業位置，都催生華大九天繼續深入產業上下游，做好整個IC設計的母版和粘合劑。

其次，中國的人工智能產業發展，通信射頻、汽車電子、MEMS（微機電系統）等各領域資本的瘋狂布局，一定會催生以國產化替代為主的EDA浪潮，這個浪潮的核心是通過產業下游催生產業上游的國產化改良和產業流程的再造。

對中低端開發廠商而言，具備定制化能力提供IP和EDA軟件授權的企業大有人在，急需專業EDA技術支持進行設計整合。

同樣，提供集成器件設計和集成能力的制造商雖為數眾多，但下游場景從之前的工業自動化、電子、航空航天等領域，早已滲透到消費級電子產品、通信領域的基站和設備、高性能服務器及計算存儲單元。

一切都在倒逼國內EDA設計企業提供具有中國特色的電路分析服務和設計服務。

除了華大九天，廣立微電子，今年5月申報科創板的芯愿景，還有創業公司中的藍海微科技、博達微科技、奧卡思微電子等等，也通過器件建模、PDK（Process Design Kit，工藝設計包）驗證、形式驗證等產品，為半導體企業提供除去主體設計外的集成電路工藝設計包、半導體參數測試和器件驗證等全流程的服務工具。

05?結尾：戰事才開始

無論是暫時領先的華大九天，還是即將登陸資本市場的芯愿景或早期公司，想要在本輪市場浪潮中獲得有效機會并趕超巨頭，可能需要具備以下三個條件：

打信息差：產品矩陣模仿國外三大巨頭意義不大，基于中國IC設計市場提供定制化方案，勢必要打三大巨頭在中國半導體生態中的信息差；

人才為王：充分利用此時半導體市場的集中火爆，用最大的可能性吸收EDA核心人才，重塑人才梯隊，半導體的核心競爭永遠是人才稀缺性；

共建生態：EDA的發展絕不是孤立存在，客戶替代意愿只能歸為強制替代而不是市場化行為，EDA本身的工作遠沒有建立一個共榮的生態重要。

2020年，作為半導體設計之母的EDA，從最初的高深莫測，裹挾著焦慮和民族情緒，終于走到時代的中央。

在全球疫病當前的今天，中國半導體市場伴隨著資本和政策的簇擁，如火如荼。這份火熱既有市場對于沉寂多年的高科技的確定性補償，更多則體現出民族對于攻破半導體枷鎖的信心，甚至信仰：

一個強大的中國，一定要擁有一顆強大的中國芯。

EDA的中場戰事，才剛剛開始。
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