文/江紹華

0 引言

電子設計自動化（electronic design automation，EDA）作為廣義計算機輔助設計（computer aided design，CAD）的一種，屬于研發(fā)設計類工業(yè)軟件，是芯片設計必不可少的、技術含量最高的工具，是芯片產(chǎn)業(yè)“皇冠上的明珠”。自2018年以來，美國憑借其在工業(yè)軟件、集成電路（IC）關鍵核心技術的優(yōu)勢乃至壟斷地位，對我國科技企業(yè)實施打擊制裁，影響我國科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展，特別是在EDA軟件這一芯片和工業(yè)軟件交叉的領域，更是成為我國被美國“卡脖子”的重災區(qū)。為此，本文研究當前國內(nèi)外EDA軟件產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的情況，緊跟技術發(fā)展前沿了解全球范圍內(nèi)EDA軟件的發(fā)展現(xiàn)狀，剖析我國EDA發(fā)展現(xiàn)狀和問題、風險及機遇，并思考如何解決問題、應對風險和把握機遇，為解決我國EDA軟件“卡脖子”問題，實現(xiàn)芯片產(chǎn)業(yè)鏈的安全提供思路。

1 全球EDA軟件產(chǎn)業(yè)發(fā)展概述

盡管EDA軟件科技含量極高且在芯片產(chǎn)業(yè)尤其是芯片設計業(yè)中不可或缺，但其產(chǎn)值規(guī)模較小，只占半導體產(chǎn)業(yè)規(guī)模2.6%，呈現(xiàn)“小而精”的特點。2015－2020年，全球EDA市場規(guī)模年增長率在8%左右，接近115億美元，行業(yè)規(guī)模穩(wěn)步增長，有望在未來能達到300億美元的規(guī)模（見圖1）。

圖1 全球EDA軟件行業(yè)市場規(guī)模

市場分布方面，2020年美國和亞太地區(qū)EDA軟件營收分別達到48.8億美元和40.2億美元，合計占據(jù)全球市場近80%份額。同時，亞太地區(qū)的EDA軟件營收增速明顯快于美國，有望成為全球最大的市場。

企業(yè)方面，經(jīng)過三十多年的發(fā)展和企業(yè)間的并購和重組，目前全球EDA軟件市場呈現(xiàn)“三足鼎立”的格局：美國新思科技（Synopsys）、美國楷登電子科技（Cadence）和德國明導國際（Mentor Graphics）三大巨頭企業(yè)占全球市場份額合計超過75%。Synopsys成立于1986年，是世界排名第一的電子設計自動化工具和服務提供商，擁有全球先進的芯片設計及驗證、國際互連協(xié)議（IP ）集成、軟件安全和質(zhì)量測試技術，為客戶提供芯片設計及驗證平臺，并在邏輯綜合工具和時序分析工具領域具有突出優(yōu)勢。Synopsys在全球范圍內(nèi)擁有15000多名員工，2020年營業(yè)收入36.9億美元，全球市場占有率超過30%。Cadence成立于1988年，為市場提供軟件、硬件和IP和服務，提供從芯片到電路板再到系統(tǒng)的設計與功能實現(xiàn)。Cadence的軟件曾被多家全球知名半導體企業(yè)作為全球設計的標準，足見其業(yè)內(nèi)地位。Cadence在全球范圍內(nèi)擁有約9000名員工，2020年營業(yè)收入達26.8億美元，全球市場占有率超過20%。Mentor Graphics是全球第三大EDA提供商，成立于1981年，致力于提供世界上最全面的電子設計自動化軟件、硬件和服務，業(yè)務范圍包括IC設計、驗證和制造，IC封裝設計與驗證，電子系統(tǒng)設計與制造，于2017年被德國西門子公司收購。

從國際三大EDA巨頭的發(fā)展歷史可以發(fā)現(xiàn)他們的共同特點：一是極度重視研發(fā)，高投入打造優(yōu)勢產(chǎn)品。EDA軟件涉及數(shù)學、物理、計算機、芯片設計、芯片制造工藝、封裝等多個領域知識，開發(fā)難度大，是典型的技術驅(qū)動、創(chuàng)新驅(qū)動的行業(yè)，需要高額的研發(fā)投入以維持產(chǎn)品的快速迭代升級和市場競爭力。二是頻繁并購整合，補齊細分領域的短板。一方面EDA行業(yè)增速相對較低，發(fā)展平穩(wěn)，不利于企業(yè)的內(nèi)生高速增長從而快速擴張產(chǎn)品線；另一方面EDA軟件涉及電子、芯片設計的方方面面，企業(yè)很難憑自身力量覆蓋所有的設計流程并在每個細分領域保持競爭力，因此收購兼并細分領域EDA公司、初創(chuàng)團隊就成為一個快速實現(xiàn)各零散點工具技術整合、搶占市場的重要手段。三大EDA巨頭在發(fā)展的過程中，共計發(fā)生200多次并購交易，平均每家公司每年就有2次左右的并購。三是與上下游產(chǎn)業(yè)鏈深度綁定，構(gòu)建出EDA廠商、芯片設計廠商和下游代工廠三方共贏的產(chǎn)業(yè)生態(tài)。EDA軟件因其與芯片設計、制造工藝緊密相關，在軟件開發(fā)的過程中與產(chǎn)業(yè)鏈上下游的深度合作有助于廠商加深對芯片設計和工藝的理解，以生產(chǎn)出穩(wěn)定、可靠和符合產(chǎn)業(yè)實際需求的軟件，并及時快速地迭代升級。在半導體發(fā)展早期，芯片設計企業(yè)通常會下設CAD軟件部門，用于支撐集成電路產(chǎn)品開發(fā)，但隨著集成電路復雜度越來越高，CAD軟件的研發(fā)難度增大、成本升高，芯片設計企業(yè)難以單獨承受，促使EDA軟件開發(fā)脫離芯片設計企業(yè)，成為獨立軟件設計服務商并服務全體芯片設計企業(yè)，但其與產(chǎn)業(yè)鏈上下游的協(xié)同仍然緊密。此外，與產(chǎn)業(yè)下游代工廠的深度綁定或結(jié)盟形成利益共同體，還可降低被競爭對手替代的風險。

2 國內(nèi)EDA軟件產(chǎn)業(yè)發(fā)展概述

2.1 發(fā)展沿革

受巴黎統(tǒng)籌委員會實施禁運和貿(mào)易限制的影響，我國自1986年起研發(fā)國產(chǎn)EDA軟件，于1993年成功發(fā)布了熊貓EDA系統(tǒng)。但后因禁運解除，國外EDA軟件得以進入國內(nèi)市場，熊貓EDA軟件競爭力不足而未能得以廣泛使用，導致國產(chǎn)EDA軟件發(fā)展緩慢。直至2008年，《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006－2020年）》將EDA軟件列入重點支持方向，由此推動了國內(nèi)EDA產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，陸續(xù)涌現(xiàn)了北京華大九天科技股份有限公司（以下簡稱“華大九天”）、國微集團（深圳）有限公司（以下簡稱“國微集團”）、上海概倫電子股份有限公司（以下簡稱“概倫電子”）等本土EDA優(yōu)質(zhì)企業(yè)。

近幾年，受益于我國集成電路產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，我國EDA市場保持高速增長，2020年市場規(guī)模達66.2億元，2018－2020年間的年均復合增長率高達21.4%。從市場份額占比來看，Synopsys、Cadence、Mentor Graphics、華大九天、安似科技有限公司（Ansys）為在我國市場排名前五的EDA軟件供應商，合計占市場份額的85.4%。但是目前國內(nèi)的EDA企業(yè)普遍規(guī)模較小，并以提供細分領域工具為主，未能提供全流程產(chǎn)品、完整解決方案，幾乎沒有與芯片設計、產(chǎn)業(yè)下游代工廠商共建生態(tài)體系的企業(yè)。

華大九天在2009年成立，是國內(nèi)最大的EDA軟件廠商，也是全球唯一可提供全流程平板顯示電路設計EDA軟件的廠商，主要產(chǎn)品包括模擬電路設計全流程EDA軟件系統(tǒng)、數(shù)字電路設計EDA軟件和晶圓制造EDA軟件。華大九天技術水平處于國內(nèi)領先，并在部分代表性點工具產(chǎn)品達到國際領先，但產(chǎn)品完整性不足。據(jù)測算，華大九天的產(chǎn)品僅覆蓋集成電路開發(fā)所需軟件工具的1/3左右，還遠不能提供完整的解決方案。國內(nèi)其他廠商則僅在相對單一的細分領域工具方面具備競爭力。

2.2 短板及原因分析

經(jīng)過多年發(fā)展，我國EDA軟件產(chǎn)業(yè)有了一定發(fā)展基礎，但短板依舊明顯。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：一是人才短缺。一方面，我國EDA軟件研發(fā)人員僅有千余人，與國際EDA巨頭企業(yè)擁有5000名以上軟件研發(fā)人員數(shù)量差距明顯；另一方面，EDA人才培養(yǎng)難度大、周期長，培養(yǎng)一個EDA人才往往需要十年，導致短期內(nèi)人才問題難以解決。二是研發(fā)投入不足。以國內(nèi)最大的EDA廠商華大九天為例，其自成立以來所投入的研發(fā)資金規(guī)模為數(shù)億元，與國外頭部企業(yè)10億美元以上的研發(fā)投入差距巨大。三是產(chǎn)品覆蓋面較窄。目前國內(nèi)EDA企業(yè)普遍存在軟件產(chǎn)品單一、覆蓋面窄、不夠齊全的問題，尤其在數(shù)字電路方面，缺少時序、功耗計算、物理驗證等核心模塊，無法支撐數(shù)字芯片全流程設計，削弱了產(chǎn)品市場競爭力。四是市場競爭激烈。在摩爾定律驅(qū)動下，EDA軟件企業(yè)需要保持長期的高研發(fā)投入，并通過技術領先、用戶習慣培養(yǎng)、兼并中小企業(yè)、與產(chǎn)業(yè)鏈上下游結(jié)盟等多種方式形成競爭壁壘，逐漸演變成壟斷，后來者難以撬動原有市場格局。五是與先進工藝結(jié)合不夠緊密。與傳統(tǒng)工具軟件不同，EDA是芯片設計和制造工藝對接的紐帶，需要與芯片制造工藝緊密結(jié)合，而目前國內(nèi)EDA企業(yè)與先進工藝結(jié)合較弱。一方面，國內(nèi)下游芯片制造廠商工藝較為落后，缺少足夠的工藝設計套件（PDK）支撐EDA廠商針對先進工藝設計、優(yōu)化EDA軟件；另一方面，國際EDA巨頭利用其領先地位，在新工藝開發(fā)的初始階段即與芯片制造廠商緊密合作，并以此取得先發(fā)優(yōu)勢，進一步拉大與國內(nèi)EDA廠商的差距。

3 我國EDA軟件迎來發(fā)展機遇

近年來，數(shù)字經(jīng)濟浪潮席卷全球，作為數(shù)字經(jīng)濟“底座”的半導體及集成電路技術和產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等新興技術不斷向其他技術領域滲透，推動著全球EDA軟件行業(yè)的持續(xù)更新、進步。同時，我國正承接第三次全球半導體產(chǎn)業(yè)遷移，集成電路設計、制造、封測等產(chǎn)業(yè)鏈相關環(huán)節(jié)在國內(nèi)的布局逐步加大、資源進一步聚集，對EDA軟件的需求勢必更加旺盛。此外，外部環(huán)境變化也使EDA軟件國產(chǎn)替代進程進一步加速，我國EDA軟件產(chǎn)業(yè)將迎來新一輪發(fā)展機遇。

3.1 EDA的重要性更加凸顯

隨著芯片制造工藝制程研究已進入5nm、3nm及以下，研發(fā)成本急劇增加、量子效應愈發(fā)明顯，集成電路行業(yè)需采取新的策略——改進EDA軟件以提升芯片的性能，并在芯片設計階段使用EDA軟件進行仿真驗證來規(guī)避量子效應。同時，隨著系統(tǒng)級芯片（SoC）集成度越來越高，其設計日益復雜，EDA軟件驗證需求呈指數(shù)級增長。此外，在后摩爾時代，工藝制程更新趨緩，通過異構(gòu)集成，優(yōu)化芯片框架及系統(tǒng)算法，基于新工藝、新材料、新器件的創(chuàng)新等方法實現(xiàn)芯片性能提升成為必然，這對EDA軟件的復雜功能設計和對新器件的仿真驗證提出了更高的要求，也推動了EDA軟件的進步和迭代。

3.2 新型EDA軟件需求

設計方法學創(chuàng)新和新應用的興起催生對新型EDA軟件和半導體IP核的需求。一方面，隨著芯片技術的不斷發(fā)展，EDA軟件設計方法學也在持續(xù)更新，下一代EDA軟件將基于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺，打通設計和工藝兩個關鍵環(huán)節(jié)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在芯片設計、制造、封測等不同的環(huán)節(jié)流動和共享；另一方面，隨著國內(nèi)5G、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新應用的興起，市場對不同類型芯片的需求急劇增加。而IP核具有模塊化、可復用、設計成熟的優(yōu)點，可降低芯片設計成本、提高設計效率并降低芯片失效比例，其需求勢必十分旺盛。

3.3 云計算和AI賦能

全球范圍來看，EDA軟件與云計算、人工智能技術結(jié)合，從而提升芯片設計的自動化水平、設計效率和芯片性能是未來的兩大發(fā)展方向。EDA軟件與云計算技術結(jié)合，可以將EDA軟件部署在云端，構(gòu)建EDA云平臺，打造云化EDA，具備計算能力強、按需付費、訪問不受地理環(huán)境約束、終端無須配套軟件環(huán)境等優(yōu)勢。EDA軟件與人工智能技術結(jié)合，利用深度學習技術掌握芯片設計布局、布線等環(huán)節(jié)的規(guī)律，將芯片設計的經(jīng)驗固化為機器學習模型，從而實現(xiàn)芯片設計的自動化和智能化，大大降低設計成本和研發(fā)周期。我國云計算、人工智能、大數(shù)據(jù)技術和產(chǎn)業(yè)均具備領先優(yōu)勢，相關專利、人才、技術儲備等創(chuàng)新資源可為國內(nèi)EDA軟件企業(yè)所用，助推國內(nèi)EDA產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)彎道超車。

4 發(fā)展對策建議

基于我國EDA軟件的發(fā)展現(xiàn)狀、存在問題和迎來的機遇，本文從科技攻關、財稅、融資、推廣應用、生態(tài)建設和人才培養(yǎng)等方面提出如下政策建議：

一是加強科技攻關。加大EDA軟件關鍵核心技術攻關投入力度，重點支持國內(nèi)EDA軟件基礎研究、共性技術攻關、前沿領域探索突破。

二是加大財稅政策優(yōu)惠力度。以鼓勵EDA軟件企業(yè)加大研發(fā)投入為導向，對于研發(fā)投入比例較高的企業(yè)實行稅收減免等優(yōu)惠政策，減輕研發(fā)型企業(yè)的支出成本。

三是支持企業(yè)融資。通過政府支持、企業(yè)自籌、產(chǎn)業(yè)基金等其他社會資本參與投資的多元化資金籌措模式，以市場化的方式為國內(nèi)EDA軟件企業(yè)融資，增強EDA軟件企業(yè)在研發(fā)投入、并購、產(chǎn)品線擴張、市場推廣等方面的資金實力，從而加速企業(yè)成長。

四是強化推廣應用。EDA軟件企業(yè)發(fā)展壯大的關鍵在于其產(chǎn)品能夠進入市場、為用戶所用，通過用戶的使用和反饋來不斷改進和迭代升級軟件，提高軟件的競爭力，因此政府應引導、鼓勵和支持國內(nèi)芯片企業(yè)、微電子學院和集成電路研究機構(gòu)等EDA軟件相關用戶采購國產(chǎn)EDA軟件，以應用為牽引，推動國內(nèi)EDA軟件企業(yè)發(fā)展壯大。

五是培育龍頭企業(yè)。通過一定程度的資源集中，重點扶持有發(fā)展?jié)摿Φ膬?yōu)質(zhì)企業(yè)，鼓勵兼并在細分領域具備優(yōu)勢的中小型企業(yè)，直至將其打造為擁有全流程設計能力、具備國際競爭力、與國際巨頭并駕齊驅(qū)的龍頭企業(yè)。

六是打造產(chǎn)業(yè)生態(tài)。采取有力措施推動國內(nèi)EDA軟件企業(yè)與上游芯片設計企業(yè)、下游芯片代工廠共同組建聯(lián)盟，構(gòu)建集成電路產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)合體，打造良性循環(huán)的產(chǎn)業(yè)生態(tài)。

七是重視人才培養(yǎng)。秉持“百年樹人”的理念，以產(chǎn)教融合為原則，鼓勵高校、科研院所與EDA軟件企業(yè)聯(lián)合培養(yǎng)人才，注重項目實踐，并采購國產(chǎn)軟件進行教學、科研；同時，還應創(chuàng)造良好的工作環(huán)境吸引和留住人才。