電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展研究＊

文/江紹華

0 引言

電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（electronic design automation，EDA）作為廣義計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（computer aided design，CAD）的一種，屬于研發(fā)設(shè)計(jì)類(lèi)工業(yè)軟件，是芯片設(shè)計(jì)必不可少的、技術(shù)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(lái)，美國(guó)憑借其在工業(yè)軟件、集成電路（IC）關(guān)鍵核心技術(shù)的優(yōu)勢(shì)乃至壟斷地位，對(duì)我國(guó)科技企業(yè)實(shí)施打擊制裁，影響我國(guó)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(lǐng)域，更是成為我國(guó)被美國(guó)“卡脖子”的重災(zāi)區(qū)。為此，本文研究當(dāng)前國(guó)內(nèi)外EDA軟件產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的情況，緊跟技術(shù)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(guó)EDA發(fā)展現(xiàn)狀和問(wèn)題、風(fēng)險(xiǎn)及機(jī)遇，并思考如何解決問(wèn)題、應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)和把握機(jī)遇，為解決我國(guó)EDA軟件“卡脖子”問(wèn)題，實(shí)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(shè)計(jì)業(yè)中不可或缺，但其產(chǎn)值規(guī)模較小，只占半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)規(guī)模2.6%，呈現(xiàn)“小而精”的特點(diǎn)。2015－2020年，全球EDA市場(chǎng)規(guī)模年增長(zhǎng)率在8%左右，接近115億美元，行業(yè)規(guī)模穩(wěn)步增長(zhǎng)，有望在未來(lái)能達(dá)到300億美元的規(guī)模（見(jiàn)圖1）。

圖1 全球EDA軟件行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模

市場(chǎng)分布方面，2020年美國(guó)和亞太地區(qū)EDA軟件營(yíng)收分別達(dá)到48.8億美元和40.2億美元，合計(jì)占據(jù)全球市場(chǎng)近80%份額。同時(shí)，亞太地區(qū)的EDA軟件營(yíng)收增速明顯快于美國(guó)，有望成為全球最大的市場(chǎng)。

企業(yè)方面，經(jīng)過(guò)三十多年的發(fā)展和企業(yè)間的并購(gòu)和重組，目前全球EDA軟件市場(chǎng)呈現(xiàn)“三足鼎立”的格局：美國(guó)新思科技（Synopsys）、美國(guó)楷登電子科技（Cadence）和德國(guó)明導(dǎo)國(guó)際（Mentor Graphics）三大巨頭企業(yè)占全球市場(chǎng)份額合計(jì)超過(guò)75%。Synopsys成立于1986年，是世界排名第一的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具和服務(wù)提供商，擁有全球先進(jìn)的芯片設(shè)計(jì)及驗(yàn)證、國(guó)際互連協(xié)議（IP ）集成、軟件安全和質(zhì)量測(cè)試技術(shù)，為客戶提供芯片設(shè)計(jì)及驗(yàn)證平臺(tái)，并在邏輯綜合工具和時(shí)序分析工具領(lǐng)域具有突出優(yōu)勢(shì)。Synopsys在全球范圍內(nèi)擁有15000多名員工，2020年?duì)I業(yè)收入36.9億美元，全球市場(chǎng)占有率超過(guò)30%。Cadence成立于1988年，為市場(chǎng)提供軟件、硬件和IP和服務(wù)，提供從芯片到電路板再到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)。Cadence的軟件曾被多家全球知名半導(dǎo)體企業(yè)作為全球設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，足見(jiàn)其業(yè)內(nèi)地位。Cadence在全球范圍內(nèi)擁有約9000名員工，2020年?duì)I業(yè)收入達(dá)26.8億美元，全球市場(chǎng)占有率超過(guò)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(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件、硬件和服務(wù)，業(yè)務(wù)范圍包括IC設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和制造，IC封裝設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造，于2017年被德國(guó)西門(mén)子公司收購(gòu)。

從國(guó)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(diǎn)：一是極度重視研發(fā)，高投入打造優(yōu)勢(shì)產(chǎn)品。EDA軟件涉及數(shù)學(xué)、物理、計(jì)算機(jī)、芯片設(shè)計(jì)、芯片制造工藝、封裝等多個(gè)領(lǐng)域知識(shí)，開(kāi)發(fā)難度大，是典型的技術(shù)驅(qū)動(dòng)、創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)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(jí)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。二是頻繁并購(gòu)整合，補(bǔ)齊細(xì)分領(lǐng)域的短板。一方面EDA行業(yè)增速相對(duì)較低，發(fā)展平穩(wěn)，不利于企業(yè)的內(nèi)生高速增長(zhǎng)從而快速擴(kuò)張產(chǎn)品線；另一方面EDA軟件涉及電子、芯片設(shè)計(jì)的方方面面，企業(yè)很難憑自身力量覆蓋所有的設(shè)計(jì)流程并在每個(gè)細(xì)分領(lǐng)域保持競(jìng)爭(zhēng)力，因此收購(gòu)兼并細(xì)分領(lǐng)域EDA公司、初創(chuàng)團(tuán)隊(duì)就成為一個(gè)快速實(shí)現(xiàn)各零散點(diǎn)工具技術(shù)整合、搶占市場(chǎng)的重要手段。三大EDA巨頭在發(fā)展的過(guò)程中，共計(jì)發(fā)生200多次并購(gòu)交易，平均每家公司每年就有2次左右的并購(gòu)。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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)、制造工藝緊密相關(guān)，在軟件開(kāi)發(fā)的過(guò)程中與產(chǎn)業(yè)鏈上下游的深度合作有助于廠商加深對(duì)芯片設(shè)計(jì)和工藝的理解，以生產(chǎn)出穩(wěn)定、可靠和符合產(chǎn)業(yè)實(shí)際需求的軟件，并及時(shí)快速地迭代升級(jí)。在半導(dǎo)體發(fā)展早期，芯片設(shè)計(jì)企業(yè)通常會(huì)下設(shè)CAD軟件部門(mén)，用于支撐集成電路產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，但隨著集成電路復(fù)雜度越來(lái)越高，CAD軟件的研發(fā)難度增大、成本升高，芯片設(shè)計(jì)企業(yè)難以單獨(dú)承受，促使EDA軟件開(kāi)發(fā)脫離芯片設(shè)計(jì)企業(yè)，成為獨(dú)立軟件設(shè)計(jì)服務(wù)商并服務(wù)全體芯片設(shè)計(jì)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(jìng)爭(zhēng)對(duì)手替代的風(fēng)險(xiǎn)。

2 國(guó)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(huì)實(shí)施禁運(yùn)和貿(mào)易限制的影響，我國(guó)自1986年起研發(fā)國(guó)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(yùn)解除，國(guó)外EDA軟件得以進(jìn)入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，熊貓EDA軟件競(jìng)爭(zhēng)力不足而未能得以廣泛使用，導(dǎo)致國(guó)產(chǎn)EDA軟件發(fā)展緩慢。直至2008年，《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006－2020年）》將EDA軟件列入重點(diǎn)支持方向，由此推動(dòng)了國(guó)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(jiǎn)稱(chēng)“華大九天”）、國(guó)微集團(tuán)（深圳）有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“國(guó)微集團(tuán)”）、上海概倫電子股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“概倫電子”）等本土EDA優(yōu)質(zhì)企業(yè)。

近幾年，受益于我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，我國(guó)EDA市場(chǎng)保持高速增長(zhǎng)，2020年市場(chǎng)規(guī)模達(dá)66.2億元，2018－2020年間的年均復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)21.4%。從市場(chǎng)份額占比來(lái)看，Synopsys、Cadence、Mentor Graphics、華大九天、安似科技有限公司（Ansys）為在我國(guó)市場(chǎng)排名前五的EDA軟件供應(yīng)商，合計(jì)占市場(chǎng)份額的85.4%。但是目前國(guó)內(nèi)的EDA企業(yè)普遍規(guī)模較小，并以提供細(xì)分領(lǐng)域工具為主，未能提供全流程產(chǎn)品、完整解決方案，幾乎沒(méi)有與芯片設(shè)計(jì)、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(guó)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(shè)計(jì)EDA軟件的廠商，主要產(chǎn)品包括模擬電路設(shè)計(jì)全流程EDA軟件系統(tǒng)、數(shù)字電路設(shè)計(jì)EDA軟件和晶圓制造EDA軟件。華大九天技術(shù)水平處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先，并在部分代表性點(diǎn)工具產(chǎn)品達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先，但產(chǎn)品完整性不足。據(jù)測(cè)算，華大九天的產(chǎn)品僅覆蓋集成電路開(kāi)發(fā)所需軟件工具的1/3左右，還遠(yuǎn)不能提供完整的解決方案。國(guó)內(nèi)其他廠商則僅在相對(duì)單一的細(xì)分領(lǐng)域工具方面具備競(jìng)爭(zhēng)力。

2.2 短板及原因分析

經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，我國(guó)EDA軟件產(chǎn)業(yè)有了一定發(fā)展基礎(chǔ)，但短板依舊明顯。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是人才短缺。一方面，我國(guó)EDA軟件研發(fā)人員僅有千余人，與國(guó)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(zhǎng)，培養(yǎng)一個(gè)EDA人才往往需要十年，導(dǎo)致短期內(nèi)人才問(wèn)題難以解決。二是研發(fā)投入不足。以國(guó)內(nèi)最大的EDA廠商華大九天為例，其自成立以來(lái)所投入的研發(fā)資金規(guī)模為數(shù)億元，與國(guó)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(guó)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(wèn)題，尤其在數(shù)字電路方面，缺少時(shí)序、功耗計(jì)算、物理驗(yàn)證等核心模塊，無(wú)法支撐數(shù)字芯片全流程設(shè)計(jì)，削弱了產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。四是市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈。在摩爾定律驅(qū)動(dòng)下，EDA軟件企業(yè)需要保持長(zhǎng)期的高研發(fā)投入，并通過(guò)技術(shù)領(lǐng)先、用戶習(xí)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(jìng)爭(zhēng)壁壘，逐漸演變成壟斷，后來(lái)者難以撬動(dòng)原有市場(chǎng)格局。五是與先進(jìn)工藝結(jié)合不夠緊密。與傳統(tǒng)工具軟件不同，EDA是芯片設(shè)計(jì)和制造工藝對(duì)接的紐帶，需要與芯片制造工藝緊密結(jié)合，而目前國(guó)內(nèi)EDA企業(yè)與先進(jìn)工藝結(jié)合較弱。一方面，國(guó)內(nèi)下游芯片制造廠商工藝較為落后，缺少足夠的工藝設(shè)計(jì)套件（PDK）支撐EDA廠商針對(duì)先進(jìn)工藝設(shè)計(jì)、優(yōu)化EDA軟件；另一方面，國(guó)際EDA巨頭利用其領(lǐng)先地位，在新工藝開(kāi)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(shì)，進(jìn)一步拉大與國(guó)內(nèi)EDA廠商的差距。

3 我國(guó)EDA軟件迎來(lái)發(fā)展機(jī)遇

近年來(lái)，數(shù)字經(jīng)濟(jì)浪潮席卷全球，作為數(shù)字經(jīng)濟(jì)“底座”的半導(dǎo)體及集成電路技術(shù)和產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等新興技術(shù)不斷向其他技術(shù)領(lǐng)域滲透，推動(dòng)著全球EDA軟件行業(yè)的持續(xù)更新、進(jìn)步。同時(shí)，我國(guó)正承接第三次全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)遷移，集成電路設(shè)計(jì)、制造、封測(cè)等產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)環(huán)節(jié)在國(guó)內(nèi)的布局逐步加大、資源進(jìn)一步聚集，對(duì)EDA軟件的需求勢(shì)必更加旺盛。此外，外部環(huán)境變化也使EDA軟件國(guó)產(chǎn)替代進(jìn)程進(jìn)一步加速，我國(guó)EDA軟件產(chǎn)業(yè)將迎來(lái)新一輪發(fā)展機(jī)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(jìn)入5nm、3nm及以下，研發(fā)成本急劇增加、量子效應(yīng)愈發(fā)明顯，集成電路行業(yè)需采取新的策略——改進(jìn)EDA軟件以提升芯片的性能，并在芯片設(shè)計(jì)階段使用EDA軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證來(lái)規(guī)避量子效應(yīng)。同時(shí)，隨著系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC）集成度越來(lái)越高，其設(shè)計(jì)日益復(fù)雜，EDA軟件驗(yàn)證需求呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。此外，在后摩爾時(shí)代，工藝制程更新趨緩，通過(guò)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(shí)現(xiàn)芯片性能提升成為必然，這對(duì)EDA軟件的復(fù)雜功能設(shè)計(jì)和對(duì)新器件的仿真驗(yàn)證提出了更高的要求，也推動(dòng)了EDA軟件的進(jìn)步和迭代。

3.2 新型EDA軟件需求

設(shè)計(jì)方法學(xué)創(chuàng)新和新應(yīng)用的興起催生對(duì)新型EDA軟件和半導(dǎo)體IP核的需求。一方面，隨著芯片技術(shù)的不斷發(fā)展，EDA軟件設(shè)計(jì)方法學(xué)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(tái)，打通設(shè)計(jì)和工藝兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在芯片設(shè)計(jì)、制造、封測(cè)等不同的環(huán)節(jié)流動(dòng)和共享；另一方面，隨著國(guó)內(nèi)5G、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新應(yīng)用的興起，市場(chǎng)對(duì)不同類(lèi)型芯片的需求急劇增加。而IP核具有模塊化、可復(fù)用、設(shè)計(jì)成熟的優(yōu)點(diǎn)，可降低芯片設(shè)計(jì)成本、提高設(shè)計(jì)效率并降低芯片失效比例，其需求勢(shì)必十分旺盛。

3.3 云計(jì)算和AI賦能

全球范圍來(lái)看，EDA軟件與云計(jì)算、人工智能技術(shù)結(jié)合，從而提升芯片設(shè)計(jì)的自動(dòng)化水平、設(shè)計(jì)效率和芯片性能是未來(lái)的兩大發(fā)展方向。EDA軟件與云計(jì)算技術(shù)結(jié)合，可以將EDA軟件部署在云端，構(gòu)建EDA云平臺(tái)，打造云化EDA，具備計(jì)算能力強(qiáng)、按需付費(fèi)、訪問(wèn)不受地理環(huán)境約束、終端無(wú)須配套軟件環(huán)境等優(yōu)勢(shì)。EDA軟件與人工智能技術(shù)結(jié)合，利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)掌握芯片設(shè)計(jì)布局、布線等環(huán)節(jié)的規(guī)律，將芯片設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)固化為機(jī)器學(xué)習(xí)模型，從而實(shí)現(xiàn)芯片設(shè)計(jì)的自動(dòng)化和智能化，大大降低設(shè)計(jì)成本和研發(fā)周期。我國(guó)云計(jì)算、人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)均具備領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，相關(guān)專(zhuān)利、人才、技術(shù)儲(chǔ)備等創(chuàng)新資源可為國(guó)內(nèi)EDA軟件企業(yè)所用，助推國(guó)內(nèi)EDA產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)彎道超車(chē)。

4 發(fā)展對(duì)策建議

基于我國(guó)EDA軟件的發(fā)展現(xiàn)狀、存在問(wèn)題和迎來(lái)的機(jī)遇，本文從科技攻關(guān)、財(cái)稅、融資、推廣應(yīng)用、生態(tài)建設(shè)和人才培養(yǎng)等方面提出如下政策建議：

一是加強(qiáng)科技攻關(guān)。加大EDA軟件關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)投入力度，重點(diǎn)支持國(guó)內(nèi)EDA軟件基礎(chǔ)研究、共性技術(shù)攻關(guān)、前沿領(lǐng)域探索突破。

二是加大財(cái)稅政策優(yōu)惠力度。以鼓勵(lì)EDA軟件企業(yè)加大研發(fā)投入為導(dǎo)向，對(duì)于研發(fā)投入比例較高的企業(yè)實(shí)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(guò)政府支持、企業(yè)自籌、產(chǎn)業(yè)基金等其他社會(huì)資本參與投資的多元化資金籌措模式，以市場(chǎng)化的方式為國(guó)內(nèi)EDA軟件企業(yè)融資，增強(qiáng)EDA軟件企業(yè)在研發(fā)投入、并購(gòu)、產(chǎn)品線擴(kuò)張、市場(chǎng)推廣等方面的資金實(shí)力，從而加速企業(yè)成長(zhǎng)。

四是強(qiáng)化推廣應(yīng)用。EDA軟件企業(yè)發(fā)展壯大的關(guān)鍵在于其產(chǎn)品能夠進(jìn)入市場(chǎng)、為用戶所用，通過(guò)用戶的使用和反饋來(lái)不斷改進(jìn)和迭代升級(jí)軟件，提高軟件的競(jìng)爭(zhēng)力，因此政府應(yīng)引導(dǎo)、鼓勵(lì)和支持國(guó)內(nèi)芯片企業(yè)、微電子學(xué)院和集成電路研究機(jī)構(gòu)等EDA軟件相關(guān)用戶采購(gòu)國(guó)產(chǎn)EDA軟件，以應(yīng)用為牽引，推動(dòng)國(guó)內(nèi)EDA軟件企業(yè)發(fā)展壯大。

五是培育龍頭企業(yè)。通過(guò)一定程度的資源集中，重點(diǎn)扶持有發(fā)展?jié)摿Φ膬?yōu)質(zhì)企業(yè)，鼓勵(lì)兼并在細(xì)分領(lǐng)域具備優(yōu)勢(shì)的中小型企業(yè)，直至將其打造為擁有全流程設(shè)計(jì)能力、具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力、與國(guó)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(dòng)國(guó)內(nèi)EDA軟件企業(yè)與上游芯片設(shè)計(jì)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(shù)人”的理念，以產(chǎn)教融合為原則，鼓勵(lì)高校、科研院所與EDA軟件企業(yè)聯(lián)合培養(yǎng)人才，注重項(xiàng)目實(shí)踐，并采購(gòu)國(guó)產(chǎn)軟件進(jìn)行教學(xué)、科研；同時(shí)，還應(yīng)創(chuàng)造良好的工作環(huán)境吸引和留住人才。