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EDA,国产芯片最薄弱一环

时间:2022-5-13 11:34:00
摘要: 国际EDA公司进入中国,使得国内集成电路设计工具开始与世界接轨,结束了过去依靠半手工半自动化的CDA时代。设计工具的改善,使得我们在设计上不断精细,无论是华为海思,还是后起之秀地平线的芯片设计能力,都可谓不俗。

《孙子兵法》有言,围地则谋,死地则战。

2021年12月23日,华为冬季旗舰新品发布会上,华为消费者业务BG CEO、华为智能汽车解决方案BU CEO余承东带来HUAWEI P50 Pocket旗舰折叠屏手机,不出意外,依然不支持5G。

由于美国政府制裁原因,华为公司并没有获得5G射频芯片供应。至少截至目前,华为Mate 40仍被认为是华为旗舰手机的5G“绝唱”。

余承东不止一次坦言,“华为此前只做设计不做生产”这一决定错误,华为也在尽力“补洞”。但显然,建立独立自主的芯片产业链,绝非一朝一夕之功。

第一步,工欲善其事,必先利其器,要有设计工具,即:EDA。

综合企查查、天眼查等信息,据不完全统计,截至2022年4月,华为旗下哈勃投资与深圳哈勃累计投资中国半导体企业超过70家,其中包括6家国产EDA企业,分别为:阿卡思微、九同方微电子、无锡飞谱电子和立芯软件、云道智造和青芯意诚。

EDA(Electronic Design Automation,电子设计自动化),是指利用计算机辅助设计(CAD)软件,来完成超大规模集成电路(VLSI)芯片的功能设计、综合、验证、物理设计(包括布局、布线、版图、设计规则检查等)等流程的设计方式。

Δ 集成电路行业倒金字塔结构。资料来源:华大九天招股书

与庞大的芯片设计、制造、应用行业相比,EDA市场规模并不大,2020年全球EDA市场规模仅为72亿美元,但却支撑着数十万亿美元规模的数字经济,素有“芯片之母”称号。

EDA软件行业流传着这么一句话:“谁掌握了EDA的话语权,谁就掌握了集成电路的命门,谁就可以对芯片行业的后来者降维打击。”

显然,话语权不在华为,乃至中国这边。

01、“熊猫EDA”未能如愿

中国不是第一次被EDA难住。

1949年12月,成立仅一个月的“巴黎统筹委员会”宣布将中国管制国家名单。此后很长时间,“巴统”成员国对中国禁运军事武器装备、尖端技术产品和稀有物资等三大类上万种产品,EAD显然位列其中。

一家美国公司的负责人在80年代中期曾自傲地表示,该公司的计算机辅助设计软件,在12年内不可能进入中国。

因此,很长时间,我国无法获取国外最新的EDA软件,IC CAD工具(集成电路计算机辅助设计)研发工作也进入了停摆阶段。

EDA行业的发展和集成电路行业高度关联:集成电路制程提升拉动EDA技术迭代升级,EDA技术升级推动集成电路更新换代,两者形成双向正循环。全球EDA行业发展历经计算机辅助设计(广义CAD)、计算机辅助工程(广义CAE)、电子设计自动化(EDA)三个时代。

Δ 全球EDA行业发展历程。资料来源:Strategy Analytics

在经过一段时间的几乎“空白期”后,1986年7月,电子工业部执行国家的决定,确定在北京、上海、无锡建立3个集成电路设计中心,以北京为重点,先行一步。

不久后,国家又将“七五”期间的IC CAD自主开发人物交给了北京集成电路设计中心(后为中国华大集成电路设计中心,并于2009年独立,创立华大九天)牵头,动员了全国17个单位,超120名专家齐聚北京,后续增至300人,共同开展国产EDA研发。

历经3年,攻关组在1991年对外发布新一代CAD系统的原型版。彼时,华裔专家连永君称,这是中国的国宝,并命名“熊猫系统”。

Δ 以“熊猫”命名,足见珍贵

“熊猫系统”问世,打破了外国对中国的EDA工具封锁。其核心部分由28个设计工具组成,共180万行代码,具有集成电路设计所需要的行为功能级描述、版图编辑、逻辑和电路模拟、测试码生成、自动布局布线和版图验证等功能。

经过“磨合”应用证明后,1993年,熊猫系统获得国家科学技术进步一等奖。

3年开发完成后,攻关组又花了3年进行实用化开发,由原华大副总经理刘伟平带队,并于1995年完成熊猫系统2.2。该版本在当年即有56套系统在国内26家集成电路设计单位应用,共完成集成电路产品设计逾200种,并于同年进入国际市场,在包括美国在内的3个国家拥有5家客户,共20余套系统和工具售出。

此时,西方国家决定:低价、开放。

1994年“巴统”禁令取消,海外EDA三巨头大举进入中国市场,便以技术成熟、价格便宜、免费赠送、多方合作等策略,快速收割市场份额。

最先进入中国的是Cadence(楷登电子)。

1994年2月,Cadence在北京人民大会堂举办了进入中国的开幕式。主席台上一条大红标语通栏写的是:”Cadence Come to China”,宣布这家全球重磅级EDA供应商开始进入中国市场。

第二年,另两家EDA厂家Synopsys(新思科技)和Mentor Graphics(现西门子EDA部门)也悄悄进入中国。

凭借更成熟的技术、超低的价格,他们迅速占领中国市场,耗时耗力的“熊猫系统”最终并没有发展起来。2020年,上述“三巨头”在全球市场占比超77%,在中国市场占比近八成。

Δ国内EDA行业格局。资料来源:赛迪智库

国际EDA公司进入中国,使得国内集成电路设计工具开始与世界接轨,结束了过去依靠半手工半自动化的CDA时代。设计工具的改善,使得我们在设计上不断精细,无论是华为海思,还是后起之秀地平线的芯片设计能力,都可谓不俗。

与此同时,自1994到2008年,国家对国产EDA的支持非常有限。缺少政策和市场支持的国内EDA工具研发和应用陷入低谷,与海外差距逐渐拉大。这也导致了国内集成电路产业对国外EDA工具的重度依赖。

由于工具掌握在别人手中,我们始终处于被动位置。

02、本土EDA发展曙光再现

时间来到2008年,转机初现。

在中芯国际被台积电“折腾地”疲惫不堪的2008年,国家核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品(核高基)重大科技与项目也正式进入实施阶段。当年,EDA重新获得了国家的鼓励和支持,被列入《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)》所确定的十六个重大专项之一。

随后,2009年华大九天作为“EDA国家队”从华大集团EDA部门独立出来,继承了熊猫系统的核心技术,承担了十一五、十二五“核高基”专项计划,本土EDA行业也重新迎来了发展的曙光。

Δ 国内EDA主要企业

概伦电子、广立微电子、国微思尔芯、芯和半导体、芯华章、芯愿景等EDA领域一批创业型公司涌现,并拿下了一定的市场。

以国内EDA软件的绝对龙头华大九天为例,2020年在中国EDA市占率约6%,居本土企业首位,份额占比在50%以上。但与国际巨头相比,依然很弱势,国内外EDA软件多年累积的技术差距难以在短时间内抹平。

当下全球EDA行业市场集中度较高,共分为三个梯队。

Δ 全球EDA行业竞争格局

第一梯队为楷登电子、新思科技和西门子EDA,上述三家公司具有显著领先优势,全球市场占比约78%。

第二梯队为华大九天、ANSYS等几家企业,凭借部分领域的全流程工具或在局部领域的领先优势,位列第二梯队,全球市场占比约15%。

第三梯队是一些聚焦于某些特定领域或用途的点工具的企业,整体规模和产品完整度与前两大梯队的企业存在明显差距,全球市场占比约7%。

国产EDA公司与“三巨头”有明显差距,很大一部分原因在于:前者目前仍不能实现全工具链覆盖。由于EDA工具链非常长,涉及软件种类,国内大多从某一环节单点切入,部分流程与环节具备较强竞争力。

Δ我国EDA企业基本是在“点工具”上有所突破。资料来源:东方证券

如:华大九天在模拟IC领域优势明显,概伦电子则在存储器领域储备较深。但对于客户而言,即便是采购国产EDA软件的意愿高涨,但本土厂商仍无法为其提供平台式的产品服务,客户依旧需要购买大量海外“三巨头”的产品,再搭配本土较为成熟的解决方案使用,显然性价比不算高。

而尽管从历史上来看,EDA三巨头的形成不是一蹴而就地,均是通过自研及大量并购同类企业最终形成厚实的技术壁垒。

海外三巨头共发起过200多次收并购,其中Synopsys次数高达80次,为三家中最多。其早在1990年公司就收购了Zycad公司的VHDL仿真业务,并推出了测试综合产品;2002年,公司收购了刚结束与Cadence多年诉讼的Avanti,一举补齐了数字集成电路EDA全流程所需要的团队和技术,成为历史上第一家可以提供顶级前后端完整IC设计方案的领先EDA工具供应商,改变了传统上“Synopsys占前端,Cadence占后端”的格局,也为后续公司市场份额超过Cadence打下坚实基础。

但中国并不具备同等条件。2020年海外EDA企业数量为600+,国内仅22家,且相对技术较弱,国内企业沿循外资EDA巨头通过兼并重组做大的发展路径较为困难。

更深层次的阻碍还在于“生态”。

每一次系统性、革命性的EDA升级换代都是EDA企业和集成电路应用企业上下游合作,在原有的技术基础上开发的新型算法。

国际头部EDA企业与集成电路制造、设计企业具备长期合作基础,其EDA工具工艺库信息完善,能够随先进工艺演进不断迭代,进一步巩固了竞争优势。

Δ EDA产业生态圈。资料来源:中银证券

这意味着市场尾部EDA企业难以获得生产线的最近工艺数据参数,在与工艺紧密相关的工具领域无法进行技术布局。下游用户一旦确定了EDA供应商,短时间更换EDA工具软件的成本较大,因此集成电路制造与设计企业一旦与EDA工具供应商形成稳定的合作关系,不会轻易更换供应商,对合作供应商粘性较强。

显然,海外三巨头与头部Foundry长期捆绑,始终处于工艺的领先地位。而国产厂商缺乏与头部Foundry的合作,导致其EDA工具对先进工艺的支持不够,这也是国产EDA工具在高端芯片领域几乎没有份额。即便是华大九天,其大多数工具仍无法支持28nm以下的制程。

与此同时,海外EDA巨头还拥有丰富的IP(Intellectual Property core,知识产权核或知识产权模块)库。可以理解为,IP就是把部分设计流程固化,当Fabless使用EDA工具进行IC设计时,可以直接把所需功能的IP模块拿来使用,不必再重复设计,这可以极大地优化芯片设计公司的重复劳动率并提升设计灵活度。

当前,主流SoC异构芯片均是基于不同功能的IP进行组合设计。相比于国内EDA企业,海外EDA巨头拥有大量IP核产权,这使得客户面临较高的切换成本,公司与下游客户的关系更加稳固,从而构建具有深度护城河的生态圈。

Δ 2021年全球IP授权市场格局

国外企业多采用“EDA工具全家桶+IP授权”模式,打造丰富、完整的IC设计生态。根据IPnest数据显示,2021年全球半导体IP市场中,除了ARM等专业半导体IP供应商外,Synopsys、Cadence这两大EDA巨头位列全球半导体IP市场的第二、三名,市占率分别为19.7%、5.8%。

此外,国产EDA行业还面临缺钱、缺人等问题。

一方面,人才匮乏。EDA开发工程师是一项综合性岗位,要同时理解数学、芯片设计、半导体器件和工艺,一般来说,培养一名EDA研发人才,从高校课题研究到从业实践的全过程往往需要10年左右时间。据赛迪智库的数据显示,2020年我国EDA行业仅有4400余名人才,其中一半以就职于外企。而Synopsys一家公司全球拥有近1.2万名EDA研发人员,华大九天的这一数字为300余名。

另一方面,资金不足。EDA行业资金消耗巨大,需要长期的资金投入。还是以Synopsys和华大九天对比,前者2018年至2020年三年累计研发投入为228 亿元人民币,是华大九天近60倍。

显然,无论从哪方面来看。目前中国EDA公司还无法与国际巨头抗争。

03、国产EDA迎来最好的时间点

随着2019年到来,中美科技摩擦加剧,美国对我国国内高科技企业的制裁力度不断加大,数次提高对国内部分高科技企业的限制级别,尤其在集成电路和EDA工具领域体现的较为明显。

以华为为例,2019年EDA三巨头终止了与华为海思的合作,为国产芯片的发展蒙上了一层阴影。国内集成电路设计及制造企业开始寻求实现EDA工具软件的进口替代。

这对于国内EDA厂商而言,这或许是化危为机的重要时刻。

与此同时,政策、资金、人才、技术都在向好发展。

Δ 我国在EDA软件领域相关政策支持

政策方面,由于EDA基础研究难度高、周期长,前期投入回报较小,需要政策支持。实际上,美国EDA产业发展也离不开补贴。美国NSF、SRC和国防部等政府机构自20世纪80年以来每年投入千万美元级资金支持EDA发展。

我国近年来也发布了一系列政策、补贴支持。去年11月,《“十四五”软件和信息技术服务业发展规划》明确提出重点突破工业软件,其中EDA软件被列出。

资金方面,随着国家政策对EDA领域的持续扶持,行业也开始受到资本市场认可。自2019年起,我国EDA初创企业的融资环境显著改善,且不乏高瓴资本、红衫资本、深创投、英特尔投资、国家大基金、中芯聚源等知名投资机构身影。据不完全统计,2021年,国内EDA赛道融资事件超15起,融资企业超12家,融资规模或超20亿元。远超2020年的超5起融资事件、超13亿元规模。其中单次融资额最高超4亿元

与此同时,头部企业也在积极寻求上市,截至2021年12月30日,国内已有概伦电子(已上市)、华大九天、广立微与国微思尔芯4家EDA企业申请IPO。

多样化的融资渠道有利于EDA软件公司的长期发展。此外,充沛的资金优势也有助于企业通过外延并购、股权投资等方式快速拓宽业务边界,加快打造EDA软件的平台型公司,以实现芯片设计全流程覆盖。

Δ 2018年至2020年中国EDA行业人才情况。资料来源:赛迪智库

人才方面,尽管与巨头们相比还比较弱小,但发展速度还是较为迅速。根据赛迪智库数据,2018年,中国EDA行业外资企业人数为2100人、本土企业人数为700人;2021年,这两个数字分别增至2400人和2000人。

技术方面,部分企业也取得了突破。其中,以华大九天为例,其模拟电路设计全流程EDA工具系统在电路仿真工具上技术可达到全球先进水平;在平板显示电路设计领域,为成为全球唯一能提供全流程设计解决方案的供应商。根据其招股书,截至到2020年底,公司共拥有已授权发明专利144项,软件著作权50项。

显然,政策、资本、人才都已在为此蓄力。

如今,可能是国产EDA发展最好的机会,谁能突出重围?
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