【专栏】路长且艰，国产EDA的发展之路
科飞同学 · 零壹财经 2022-01-17 17:59:42 阅读：910
作者：科飞同学 来源：硬科技杂谈
逼则反兵，走则减势。紧随勿迫，累其气力，消其斗志，散而后擒，兵不血刃，这是三十六计中“欲擒故纵”的精义，却被美国在EDA领域应用的游刃有余，中国也因此错失了发展国产EDA的20余年的重要时机，作为数千亿集成电路、万亿电子信息的必不可少的支撑产业，EDA被誉为芯片领域的“工业母机”，国产EDA的发展路长且艰。
一、EDA是何方神圣
为什么说EDA那么重要，EDA全称是电子设计自动化。打开芯片的封装外壳，在高倍显微镜下对其表面进行观察，将会看到无数规则摆放的器件和连线，这是芯片的版图。IC设计和制造这个版图的各个环节都需要用到相应的EDA工具。EDA工具是集成电路设计、制造、封装、测试等工作的必备工具，贯穿了下图所示的整个集成电路产业链。
另外从市场价值来看，根据赛迪智库数据，2020年EDA行业的全球市场规模超过70亿美元，却支撑着数十万亿美元规模的数字经济。在中国这个全球规模最大、增速最快的集成电路市场，EDA杠杆效应更大。可以想象，一旦EDA这一产业基础出现问题，包括集成电路设计企业在内的全球集成电路产业必将受到重大影响，由EDA工具、集成电路、电子系统、数字经济等构成的倒金字塔产业链结构稳定将面临巨大挑战。
一个完整的集成电路设计和制造流程主要包括工艺平台开发、集成电路设计和集成电路制造三个阶段。
①工艺平台开发阶段主要由晶圆厂（包括晶圆代工厂、IDM制造部门等）主导完成，在其完成半导体器件和制造工艺的设计后，建立半导体器件的模型并通过PDK或建立IP和标准单元库等方式提供给集成电路设计企业（包括采用fabless的芯片设计公司、半导体IP公司、IDM设计部门等）。
②集成电路设计阶段主要由集成电路设计企业主导完成，其基于晶圆厂提供的PDK或IP和标准单元库进行电路设计，并对设计结果进行电路仿真及验证。若仿真及验证结果未达设计指标要求，则需对设计方案进行修改和优化并再次仿真，直至达到指标要求方能进行后续的物理实现环节。物理实现完成后仍需对设计进行再次仿真和验证，最终满足指标要求并交付晶圆厂进行制造。在大规模集成电路设计过程中，由于工艺复杂、集成度高等因素，电路设计、仿真及验证和物理实现环节往往需要反复进行。
③集成电路制造阶段主要由晶圆厂根据物理实现后的设计文件完成制造。若制造结果不满足要求，则可能需要返回到工艺开发阶段进行工艺平台的调整和优化，并重新生成器件模型及PDK提供给集成电路设计企业进行设计改进。
上述三个设计与制造的主要阶段均需要对应的EDA工具作为支撑，包括用于支撑工艺平台开发和集成电路制造两个阶段的制造类EDA工具以及支撑集成电路设计阶段的设计类EDA工具。
三、国产EDA丢失的20年
EDA如此重要，难道国人之前就没有意识到他的重要性么？事实并非如此。时间回到20世纪70至80年代，彼时，由于巴黎统筹委员会对中国实施的禁运管制，中国无法购买到国外的EDA工具，中国就已经开始进行了EDA技术的自主研发与攻关，1986年的时候，中国拿出了两弹一星的精神，动员了全国17个单位，一共200多个专家聚集到华大九天的前身（也就是北京集成电路设计中心）联合攻关，终于在1990年的时候发布了熊猫EDA，也一举打破了西方技术的封锁。
眼看他国产EDA要起高楼，然而就在这时，老美不知从哪里学来的咱老祖宗的三十六计之欲擒故纵，直接放开了对EDA的封锁，国外几大巨头迅速进入了中国，带来了更成熟的技术与产业链、更低廉的价格，市场是冷静和无情的，缺少持续政策支持和市场支持时，结果可想而知，还未成熟的熊猫EDA创业未半而中道崩殂，眼看他楼又塌了。
四、EDA国际三巨头
在这中国缺席的这20年间，国外EDA巨头凭借不断的收并购，实现了IC全流程的自动化设计，在行业内保持了高度的垄断地位，前三大巨头新思科技、铿腾电子、西门子EDA占据了全球78%以上的市场。
2008年4月，国家科技重大专项“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品”实施方案经国务院常务会议审议并原则通过。作为《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》所确定的国家十六个科技重大专项之一，EDA行业重新获得了鼓励和扶持。
2008年以来，国内EDA领域涌现了华大九天、概伦电子、广立微电子、国微集团和芯和半导体等公司。至此，中国本土EDA企业开始进入市场的主流视野。
5.1华大九天，已提交IPO
华大九天成立于2009年，自成立以来一直聚焦于EDA工具的研发工作。公司初始团队部分成员曾参与“熊猫ICCAD系统”的研发工作。
目前，公司主要产品包括模拟电路设计全流程EDA工具系统、数字电路设计EDA工具、平板显示电路设计全流程EDA工具系统和晶圆制造EDA工具等EDA工具软件，并围绕相关领域提供技术开发服务。
对模拟电路进行结构设计、版图设计、功能和物理验证的全过程。这一过程包括原理图编辑、电路仿真、版图编辑、物理验证、寄生参数提取、可靠性分析等环节。
2、数字电路设计EDA工具
数字电路设计是指电路功能设计、逻辑综合、物理实现以及电路和版图分析验证的过程。这一过程通常分为数字前端和数字后端两部分，主要包括单元库准备、逻辑仿真、逻辑综合、布局布线、寄生参数提取、时序分析与优化、物理验证和版图集成与分析等环节。
此外，公司目前在数字电路EDA领域仅覆盖数字电路设计的部分流程，尚未实现全流程工具覆盖。
3、平板显示电路设计全流程EDA工具系统
平板显示电路设计与模拟电路的设计理念、设计过程和设计原则有一定的相似性。公司在已有模拟电路设计工具的基础上，结合平板显示电路设计的特点，开发了全球领先的平板显示电路设计全流程EDA工具系统。
公司针对晶圆制造厂的工艺开发和IP设计需求，提供了相关的晶圆制造EDA工具，包括器件模型提取工具、存储器编译器开发工具、单元库特征化提取工具、单元库/IP质量验证工具、版图集成与分析工具以及模拟电路设计全流程EDA工具等，为晶圆制造厂提供了重要的技术支撑。
公司的晶圆制造EDA工具具体如下图所示：
上海概伦电子股份有限公司成立于2010年3月，经过12年的发展，公司目前的主要产品及服务的关系如下图：
公司的设计类EDA工具主要用于设计阶段的电路仿真与验证，是整个集成电路设计流程从前端设计到后端验证的核心EDA工具；
公司的半导体器件特性测试仪器是测量半导体器件各类特性的工具，为制造类EDA工具提供高效精准的数据支撑；
概伦电子的优势与劣势都非常明显，优势在于，公司聚焦在某些特定的EDA工具上，相比于全品类覆盖的公司，全心聚焦使得概伦电子将特定EDA工具做的更加专精，公司器件建模及验证EDA工具作为国际知名的EDA工具，在全球范围内已形成较为稳固的市场地位，得到全球领先晶圆厂的广泛使用，包括台积电、三星电子、联电、格芯、中芯国际等全球前十大晶圆代工厂中的九家。报告期内，来自于上述九家晶圆代工厂的器件建模及验证EDA工具收入占公司制造类EDA工具的累计收入比例超过50%。公司电路仿真及验证EDA工具在市场高度垄断的格局下，已在全球存储器芯片领域取得较强的竞争优势，部分实现对全球领先企业的替代，得到全球领先存储器芯片厂商的广泛使用，包括三星电子、SK海力士、美光科技等全球规模前三的存储器厂商。报告期内，来自于前述三家存储器厂商的收入占公司设计类EDA工具收入的比例超过40%。
而公司的劣势主要在于：与新思科技、铿腾电子、西门子EDA等国际竞争对手相比，公司在产品种类丰富度上存在较为明显的差距。前述国际竞争对手丰富多样的产品种类可以满足下游客户的多方面需求，为其提供一站式采购选择。公司产品种类相对国际竞争对手较少，导致公司在产品销售协同效应上处于劣势，同时在公司经营中产品失败的风险难以分散，如果公司现有产品在特定时期技术更新有所落后，无法满足客户需求，可能会由于缺少其他可供推广的产品而对公司经营成果及市场地位造成影响。
5.3 广立威，已申报IPO
公司成立于2003年，相比于华大九天和概伦电子时间较早，主要里程碑时间可参考下图。
EDA如何提升芯片良率呢？提升芯片成品率的关键在于对制造工艺过程进行完整有效地监控检测，同时结合制造过程中其他数据进行精准快速的分析，及时发现问题和潜在风险，并反馈至集成电路制造端（Foundry厂商）和设计端（Fabless厂商），改进工艺和设计以提升成品率。
①物理检测：主要通过光学、电子束等方法获取制造过程中的缺陷情况和相关物理参数（如关键尺寸、薄膜厚度等），一般通过扫描电镜、电子显微镜、光学仪器等设备实现；
②电性检测：在晶圆制造到一定阶段或完成制造环节后，通过对器件或测试结构的电学性能测试，获取相关电学参数，表征工艺状况和芯片成品率。电性检测一般通过电性测试机配合探针台连接到晶圆实现测试。
将物理检测和电学检测所获取的信息，反馈至晶圆厂用以改进制造工艺，反馈至设计企业用以优化芯片设计，从而实现芯片成品率的提升。
上文主要通过介绍国外几大巨头与国内头部3家公司的业务覆盖情况，总体来讲，国际三巨头通过多年的收并购与持续的高额研发投入，实现了EDA全产业链的布局，而国内几家公司则凭借着自己在各自领域的优势，也分得了一席之地。为了更加理性地分析国内外的竞争差距，通过各家公司的公开披露数据，我们来对各个公司的总资产、收入、净利润、毛利率、研发费用投入等情况列于下表中。
在研发费用规模方面，受制于国内公司整体规模和资金实力，公司的研发投入绝对规模远低于国际主流厂商（普遍在0.4-3%之间）。
在市场占有率方面，国产EDA产品与国际知名厂商相比差距亦较大。如果后续公司不能持续加大研发投入、开拓市场、提高产品服务水平以适应未来市场竞争格局，公司的经营业绩可能受到不利影响。
七、写在最后
卧榻之侧，岂容他人鼾睡，宋太祖的这句话虽然很老，但是放在今天，依旧是竞争的至理名言，市场是无比残酷的，没有所谓的礼让三分、和平发展。
美国对华为的一纸禁令，直接让全世界的晶圆厂不允许为华为的先进制程代工芯片，使得华为纵使拥有高端芯片的设计能力，而没有代工厂可以为华为制造出合格的芯片。
而现在，笔者想说的是，如果美国对EDA工具再次进行封禁，在半导体领域国产占比非常高的芯片设计领域，尤其是采用fabless的芯片设计公司，可能都会面临巨大的风险，所以，在核心技术领域，未雨绸缪是必需的，一方面，EDA需要政府的政策支持，另外一方面，也需要产业链上下游的共同努力。
作者：科飞同学
日期：2022年1月16日
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