芯片之母EDA：主宰4500亿全球半导体市场，国产率却不到5%
在“华为事件”的刺激下，“卡脖子”之痛很难隐去。在中美关系紧张的局势下，中国半导体产业正处于如剑在喉的不确定处境。
eda软件在全球不过区区100亿美元的产值，却主宰着将4500亿美元的全球半导体市场。一旦eda受制于人，如同如剑在喉，整个芯片软件发展都将会摆停。
这便是来自“芯片之母”的魅力，体量不大，容易被人忽视。可一旦到了关键时刻，就会变成致命的武器。
整理 | 机器之能
数据显示，2019年全球eda软件市场规模103亿美元。对于4500 亿美元的全球半导体市场而言不值得一提。但如果缺少eda，全球所有的芯片设计公司都将停摆，由此可见eda的重要性。
当前，eda市场份额被国外三大eda巨头，synopsys、cadence和被西门子收购的mentor graphics紧紧掌握着，这三大“龙头”占据全球eda市场的份额超过60%。
再将eda市场进一步聚焦可见，2018年，中国以华大九天、广立微、芯禾科技为首的10余家eda公司销售额约3.5亿元，只占到全球市场份额的0.8%。全球视野下的国内份额与巨头份额形成巨大反差。
更让人捉摸不透的是，国外三大eda巨头在国内的销售额占据95%，而留给国内eda企业的份额仅有不到5%。为何会产生如此大的差距，又该如何补齐？
一
位居芯片产业宝座
eda究竟有多重要？一句话概括，eda是芯片之母，是芯片产业皇冠上的明珠。
这句话听起来有点虚，简而言之，eda的重要性可以理解为，eda是集成电路产业链里极其重要的关键环节，芯片设计离不开eda。
为什么芯片设计必须要eda软件？一般而言，软件、互联网产品可以先有雏形，再逐步迭代优化，更换成本较低。而芯片产品只要制造出来就不可更改，需要用到eda软件进行虚拟的设计、模拟、仿真，就像在米粒上刻画航空母舰模型。这样一来，方便在真实产线上流片生产的时候一次性成功，从而减少设计成本和时间成本。
芯片产业链及芯片设计程
然而，eda并不是单纯只指一种软件或者某种程序，而是指利用辅助设计软件来完成集成电路设计中的一系列工作，又称电子设计自动化。如果将eda按照芯片设计的不同流程划分，具体用到的eda工具类型又可分为功能设计、布局、验证、仿真模拟等。
芯片设计流程有多个步骤，从写代码开始到最终交给代工厂生产的版图，涉及到verilog代码、前仿真、后端设计、验证、后仿真等步骤。
与工具软件不同的是，一般用到的工具软件更新需要新算法、新逻辑的支持，而eda软件是基于工艺参数的，只要工艺参数更新，eda就要更新一次。鉴于这一点，芯片eda工具软件最大的特点是，与芯片代工厂高度绑定。
芯片设计过程需要代工厂提供工艺设计工具包，称之为pdk，里面包含器件信息、工艺信息和验证文件等。当芯片代工厂开发新工艺时，eda软件厂商就需要获得代工厂新工艺的pdk工具包，基于pdk工具包开发新版本的软件。
要做好eda这门生意，不仅要与芯片代工厂密切联系，还需要牵涉诸多精细化且复杂的设计流程。而这门生意被三大美国eda巨头（synopsys、cadence和西门子旗下的mentorgraphics）牢牢掌握着，中国在这一块的布局甚是少，且起步晚。
在当前如此紧张的中美关系下，面对芯片设计如此重要的环节，如果一旦受制于人，相当于扼住了中国的所有牵涉高端芯片产业的咽喉。
现在中国在这一块的布局又手握着多大的筹码呢？
二
巨头瓜分国内市场，仅剩不到5%
根据 esd alliance 数据，2019 年全球 eda 软件市场规模为 105 亿美元，同比增长 8.3%。全球大部分 eda 软件市场被美国三大eda巨头占据，全球市场份额超过 64%。而这三大eda巨头在中国的市场份额更是超过95%。
令人尴尬的是，留给中国的市场份额就仅剩不到5%，部分被ansys等其它外国公司占据，留给华大九天、芯愿景、芯禾科技等国产eda公司的就仅剩极少份额。
中国eda产业的发展可用“起得早却赶了个晚集”来形容。国内eda产业发展始于上世纪八十年代中后期，1994 年之前，“巴黎统筹委员会”对中国实施禁运管制，国内无法买到国外的 eda 软件工具，倒逼国内自主研发 eda 工具。
国内于1986年开始研发国产首款eda熊猫系统，1991年熊猫系统原型发布，打破国内设计软件空缺的状态，直到1993 年该系统正式问世。当时熊猫系统与国外的商业eda软件相比，差距仅有五年左右。
好景不长，1994年“巴统”解散，国外eda公司迅速进入中国市场。最先进入国内市场的eda巨头是cadence公司，是eda行业销售排名第二的公司，在1988年由sda与ecad两家公司兼并而成。cadence于1994年在京参加亚洲电子设计自动化及测试研讨展览会，不久便宣布成立北京办事处。
紧接着第二年，synopsys（新思）公司也宣布在北京成立办事处。synopsys仅次于cadence，于1995年进入中国市场。
当时国内重心在快速发展集成电路产业，无暇顾及自主化设计软件。在“造不如买”思维的驱使下，大多国内企业依赖国外eda企业的技术与工具。据了解，在synopsys北京办事处成立之前，北京集成电路设计中心、华晶半导体公司、电子部54所、清华大学、复旦大学等均已采用了synopsys的产品和技术。
转眼之间，国内eda市场发生巨大的变化。受限于市场、技术等方面的因素，留给国产eda生存环境十分狭小，即使能够研发出全套的eda工具，在短期内也难以与三巨头企业的产品抗衡。这一窘境导致国内公司（华为、联想等）在使用eda软件时不得不依赖国外厂商。
国内公司所用eda软件基本情况，图片来自东兴证券研究所
例如，华为用的是synopsys的haps（专为asic/soc设计者提供的高性能、高容量的基于fpga的原型验证板）、以及cadence的allegro（先进pcb设计布线工具）以及mentor graphics的dxdesigner（前端管理工具）。
联想用的是cadence的allegro以及mentor graphics的pads（制作pcb板的软件）。
三巨头基本都能提供全套的芯片设计ead解决方案。例如synopsys的产品线相对全面，其优势产品包括数字前端、数字后端和ptsignoff。synopsys有垄断市场90%的tcad器件仿真和垄断50%的dfm工艺仿真。
芯片设计部分流程使用的三大eda厂商工具
cadence产品涵盖电子设计的整个流程，包括系统级设计、功能验证、集成电路综合及布局布线、ic物理 验证、模拟混合信号及射频集成电路设计、全定制集成电路设计、pcce设计和硬件仿真建模等。mentor graphic在后端布局布线、pcb方面比较有优势。
据方正证券提供的数据显示，2018年，synopsys全球eda市场占比达到32.10%；cadence次之，占比为22.00%；mentor graphic占比为10%。
对比来看，国内eda企业与三巨头差距甚远。2018年，中国以华大九天、广立微、芯禾科技为首的10余家eda公司销售额约3.5亿元，只占到全球市场份额的0.8%。2018年，我国eda软件市场份额约为5亿美元左右，中国eda企业仅占5%左右，竞争力较弱。
三
巨大差距如何弥补？
国内eda产业发展并非一蹶不振。2008年，国家“核高基”重大科技专项正式进入实施阶段，eda领域得到国家的支持，催生出华大九天、芯愿景、广立微、芯禾科技、概伦电子等企业。
本土eda企业龙头华大九天也正是在这个时候抓住契机，脱颖而出。2009年中国华大集成电路设计集团，与国投高科技共同投资，将华大的eda部门独立出来，成为独立法人公司。
就算如此，国内eda企业与国外三巨头仍然拉开一大段距离，包括技术、工艺等方面。国内ic设计厂商都会谨慎选择国内eda企业，一旦未能流片成功，或者是良率很低甚至无法工作，给ic设计厂商留下的损失是巨大的。
面对国内厂商这块难题，显然国外eda厂商占据天然的优势。三大eda公司在新工艺开发阶段与全球领先的晶圆制造厂进行全方位合作，因此对工艺理解很到位。国内eda厂商只能在工艺开发完以后拿到部分数据，无法接触到先进工艺的核心部分，难以针对先进工艺设计、改良eda软件，拉开巨大差距。
国信证券认为，国产eda差距与国外的差距体现在三个方面。
一是缺少数字芯片设计的核心工具模块，无法支撑数字芯片全流程设计。
二是对先进工艺支撑不够，暂未进入先进代工厂的联盟。
三是缺乏制造及测试eda系统，无法支持集成电路封测的应用需求。
以数字电路为例，在soc设计主流程的eda工具中，大多来自synopsys与cadence公司，尤其是时序和功耗检查以及定制设计两步，完全由这两家垄断，国产eda在许多工具上仍有缺失。
以华大九天为例，单独评估集成电路产业所需的eda工具，华大九天已有的产品线占集成电路所需工具的三分之一左右，另有三分之二是空白。
再者，在研发投入上的差距明显。据半导体行业观察资料显示，华大九天，过去十年间所投研发资金也只有几个亿，而synopsys2018近一年的研发投入约为10.8亿美元，cadence2018年的研发投入约为8.7亿美元。
具体在人数上，我国约有1500人的eda软件开发工程师，但在本土eda公司和研究单位工作的工程师只有300人左右，其他大部分都是在三大巨头工作。
纵观半导体产业发展几十年，可以清晰看到欧美政府对eda产业提供的长期、持久的支持，政策、资金投入以及人才应有尽有。而国内eda产业如要实现突围，绝不是仅靠一时半会真金白银就能够砸出来的，这需要长期且持久的投入。在这之前，顶层设计是必不可少的一环。
至于如何做，成为国内eda企业突围的关键。正视“差距”，放大中国的“后发优势”。破局的关键恰好是中国代工厂。
截至2019年，中国拥有全球头部的ic设计公司以及全球最多的代工厂，2019年中国大陆光晶圆厂达到86 座。只有eda软件、ic设计公司和代工厂一起合力，才能实现国产真正突破。最关键的，仍是离不开eda企业自身的硬核能力，只有不断提升其软件的能力才能够在eda市场占领一席之地。
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二
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对比来看，国内eda企业与三巨头差距甚远。2018年，中国以华大九天、广立微、芯禾科技为首的10余家eda公司销售额约3.5亿元，只占到全球市场份额的0.8%。2018年，我国eda软件市场份额约为5亿美元左右，中国eda企业仅占5%左右，竞争力较弱。
三
巨大差距如何弥补？
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就算如此，国内eda企业与国外三巨头仍然拉开一大段距离，包括技术、工艺等方面。国内ic设计厂商都会谨慎选择国内eda企业，一旦未能流片成功，或者是良率很低甚至无法工作，给ic设计厂商留下的损失是巨大的。
面对国内厂商这块难题，显然国外eda厂商占据天然的优势。三大eda公司在新工艺开发阶段与全球领先的晶圆制造厂进行全方位合作，因此对工艺理解很到位。国内eda厂商只能在工艺开发完以后拿到部分数据，无法接触到先进工艺的核心部分，难以针对先进工艺设计、改良eda软件，拉开巨大差距。
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一是缺少数字芯片设计的核心工具模块，无法支撑数字芯片全流程设计。
二是对先进工艺支撑不够，暂未进入先进代工厂的联盟。
三是缺乏制造及测试eda系统，无法支持集成电路封测的应用需求。
以数字电路为例，在soc设计主流程的eda工具中，大多来自synopsys与cadence公司，尤其是时序和功耗检查以及定制设计两步，完全由这两家垄断，国产eda在许多工具上仍有缺失。
以华大九天为例，单独评估集成电路产业所需的eda工具，华大九天已有的产品线占集成电路所需工具的三分之一左右，另有三分之二是空白。
再者，在研发投入上的差距明显。据半导体行业观察资料显示，华大九天，过去十年间所投研发资金也只有几个亿，而synopsys2018近一年的研发投入约为10.8亿美元，cadence2018年的研发投入约为8.7亿美元。
具体在人数上，我国约有1500人的eda软件开发工程师，但在本土eda公司和研究单位工作的工程师只有300人左右，其他大部分都是在三大巨头工作。
纵观半导体产业发展几十年，可以清晰看到欧美政府对eda产业提供的长期、持久的支持，政策、资金投入以及人才应有尽有。而国内eda产业如要实现突围，绝不是仅靠一时半会真金白银就能够砸出来的，这需要长期且持久的投入。在这之前，顶层设计是必不可少的一环。
至于如何做，成为国内eda企业突围的关键。正视“差距”，放大中国的“后发优势”。破局的关键恰好是中国代工厂。
截至2019年，中国拥有全球头部的ic设计公司以及全球最多的代工厂，2019年中国大陆光晶圆厂达到86 座。只有eda软件、ic设计公司和代工厂一起合力，才能实现国产真正突破。最关键的，仍是离不开eda企业自身的硬核能力，只有不断提升其软件的能力才能够在eda市场占领一席之地。
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