EDA的發(fā)展歷史及主流廠商

　　引言

　　當(dāng)筆者動(dòng)手寫這篇文章時(shí)，想起了上世紀(jì)1994年2月某一天的北京人民大會(huì)堂，在這里有一場重要的商業(yè)活動(dòng)即將開始，這就是Cadence進(jìn)入中國的開幕式。主席臺(tái)上一條大紅標(biāo)語通欄寫的是：”Cadence Come to China”，宣布這家全球重磅級(jí)EDA供應(yīng)商開始進(jìn)入中國市場。

　　Cadence，一個(gè)全球重要的EDA生產(chǎn)商，也是最早一家進(jìn)入中國市場的EDA供應(yīng)商。

　　Cadence進(jìn)入中國是在上世紀(jì)九十年代，正是中國半導(dǎo)體開始起步的階段。這個(gè)階段有兩個(gè)標(biāo)志：一個(gè)是國家908項(xiàng)目，以無錫華晶6英寸線為中心，全國建立10家Fabless設(shè)計(jì)中心（后來擴(kuò)展到20幾家，涵蓋了IC企業(yè)、整機(jī)企業(yè)、國防研究所和大專院校等）。這是第一次從國家層面布局中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈。第二個(gè)標(biāo)志是80年代末、90年代初清華大學(xué)微電子所徐葭生教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)開發(fā)出16K（2K×8）NMOS-SRAM，該電路采用3μmNMOS雙層布線工藝。當(dāng)時(shí)國內(nèi)的半導(dǎo)體制造骨干企業(yè)共有五家：無錫華晶、紹興華越、上海貝嶺、上海飛利浦、北京首鋼日電。

　　我當(dāng)時(shí)所在的某國防研究所代表了行業(yè)最高水平的是一條3英寸3微米CMOS工藝線（在CMOS成為主流工藝前是NMOS工藝）。這就是Cadence進(jìn)入中國時(shí)的半導(dǎo)體市場背景。

　　EDA進(jìn)入中國的意義

　　在Cadence進(jìn)入中國的第二年，另兩家EDA廠家Synopsys和Mentor Graphics也悄悄進(jìn)入中國。在九十年代，中國的集成電路設(shè)計(jì)EDA市場基本被這三家瓜分，只是在設(shè)計(jì)工具的不同領(lǐng)域各領(lǐng)風(fēng)騷而已。國產(chǎn)軟件熊貓只占有極小的一部份領(lǐng)地。

　　EDA進(jìn)入中國的最大意義，是使得國內(nèi)集成電路設(shè)計(jì)工具開始與世界接軌，結(jié)束了過去依靠半手工半自動(dòng)化的CDA（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）時(shí)代。設(shè)計(jì)工具的改善，使得我們?cè)谠O(shè)計(jì)手段方面開始向世界水平靠攏，也在一定程度上加快了我們的集成電路設(shè)計(jì)水平。

　　EDA今天在計(jì)算機(jī)、通信、航天航空等領(lǐng)域的作用已不可置疑。在1993年時(shí)整個(gè)EDA市場還很小，只有19億美元，到2018年達(dá)到97億美元，估計(jì)2019年將超過100億美元。

　　隨著集成電路規(guī)模的極大發(fā)展，現(xiàn)今的芯片設(shè)計(jì)已經(jīng)達(dá)到萬億門級(jí)的集成度，再憑手工完成是一件不可思議的事情。專門為芯片設(shè)計(jì)工程師提供邏輯綜合、布局布線、仿真和驗(yàn)證工具的EDA行業(yè)已經(jīng)成為整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)生態(tài)鏈中最上游、最高端的節(jié)點(diǎn)。

　　EDA作為集成電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)工具，大致經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段：

　　第一階段是CAD時(shí)代，CAD即計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。在二十世紀(jì)七十到八十年代，設(shè)計(jì)人員依靠手工完成電路圖的輸入、布局和布線。由于這一時(shí)期的電路集成度不高（幾百到上千個(gè)晶體管），依靠手工在坐標(biāo)紙上描繪出晶體管圖形（版圖），輸入到圖形發(fā)生器再用“刻紅膜”的方式制做光刻版。到了70年代中期，可編程邏輯技術(shù)出現(xiàn)了，開發(fā)人員嘗試將整個(gè)設(shè)計(jì)工程自動(dòng)化，不再僅僅滿足于完成光刻掩模版的出圖。這個(gè)時(shí)期的CAD主要功能是交互圖形編輯，晶體管級(jí)版圖設(shè)計(jì)、布局布線、設(shè)計(jì)規(guī)則檢查，門級(jí)電路模擬和驗(yàn)證等。這是EDA的雛形時(shí)期。第二階段是EDA走向商業(yè)化。這一時(shí)代的特點(diǎn)是可編程邏輯器件開始成熟，這一階段的標(biāo)志是卡弗爾。米德和琳?？稻S在1980年發(fā)表的《超大規(guī)模集成電路系統(tǒng)導(dǎo)論》。該論文第一次提出用語言編程的方式設(shè)計(jì)芯片，在這一思想萌發(fā)下的硬件描述語言VHDL和Verilog產(chǎn)生了，這為EDA的商業(yè)化打下非常好的基礎(chǔ)。時(shí)至今日，盡管所用語言和工具仍在不斷發(fā)展，但通過編程語言設(shè)計(jì)、驗(yàn)證電路，利用工具綜合得到底層物理設(shè)計(jì)的途徑，仍然沒有改變。這一時(shí)期，EDA開始走向商業(yè)化。第三階段是系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段。九十年代，隨著硬件語言的標(biāo)準(zhǔn)化和集成電路設(shè)計(jì)方法的不斷發(fā)展，推動(dòng)了EDA設(shè)計(jì)工具的普及和發(fā)展。這個(gè)時(shí)期出現(xiàn)了設(shè)計(jì)方法的各種流派：全定制設(shè)計(jì)、半定制設(shè)計(jì)，ASIC設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)單元庫、門陣列、可編程邏輯陣列等。這個(gè)階段，設(shè)計(jì)師開始從電路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)，由于EDA工具可實(shí)現(xiàn)從系統(tǒng)行為級(jí)描述到系統(tǒng)綜合、系統(tǒng)仿真與系統(tǒng)測試，真正實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的自動(dòng)化。這個(gè)時(shí)期的EDA技術(shù)特征是高級(jí)語言描述、系統(tǒng)級(jí)仿真和綜合技術(shù)。這一時(shí)期正向（Top Down）設(shè)計(jì)方法成為主流。

　　進(jìn)入21世紀(jì)后，EDA技術(shù)得到更大發(fā)展。主要特點(diǎn)是，在仿真驗(yàn)證和設(shè)計(jì)兩個(gè)層面支持標(biāo)準(zhǔn)硬件語言的EDA軟件工具功能更加強(qiáng)大，更大規(guī)模的可編程邏輯器件不斷推出，系統(tǒng)級(jí)、行為級(jí)硬件描述語言趨于更加高效和簡單。

　　EDA主流廠商

　　經(jīng)過近三十年的市場博弈，全球EDA市場的幾大玩家基本沒有變，還是前面提及的Cadence、Synopsys和Mentor Graphics，這三家壟斷市場的格局并沒有改變。只不過Mentor被西門子收購，名字變成了西門子Mentor。

　　二十多年來，這三家EDA公司似乎各守自己的地盤，在自己擅長的領(lǐng)域不斷深耕細(xì)作，三家在中國公司的人事也都互相友好，有些還在幾家之間跳來跳去，倒也相安無事。三家競爭而友好，在全球半導(dǎo)體技術(shù)和市場的動(dòng)態(tài)變化中能一直保持相對(duì)平衡的格局，在業(yè)界也是一道另類風(fēng)景。

　　從規(guī)模來看，Synopsys目前全球最大，2018年市場份額32.1%，Cadence僅次于Synopsys，2018年市場占有率22.0%，Mentor Graphics的占有率在10%左右。

　　從技術(shù)上看，這三家EDA廠商各有自己的獨(dú)特優(yōu)勢，或者說針對(duì)解決設(shè)計(jì)流程的重點(diǎn)有所不同。

　　如果粗略地劃分，EDA工具分為三部份：前端（Verilog數(shù)字描述、以及數(shù)?；旌希缓蠖耍≒lace＆Routing布局與布線）；驗(yàn)證（DRC／LVS 等）。

　　三大 EDA 供應(yīng)商都能提供全套的芯片設(shè)計(jì)解決方案，包括模擬、數(shù)字前端（圖形編輯、邏輯綜合）、后端（Layout）、DFT（可測性設(shè)計(jì)）、Signoff 等一整套設(shè)計(jì)工具。Cadence 的強(qiáng)項(xiàng)在于模擬和混合信號(hào)的模擬仿真和版圖設(shè)計(jì)，Synopsys的優(yōu)勢在于邏輯綜合、數(shù)字前端、數(shù)字后端和PT signoff，而Mentor的優(yōu)勢是 Calibre signoff 和 DFT，在PCB設(shè)計(jì)方向更顯特色。

　　此外，Cadence 和 Synopsys 還提供 IP 授權(quán)（硬核和軟核），這對(duì)中小規(guī)模的設(shè)計(jì)公司很具吸引力。

　　從歷史來看，EDA最早期的玩家是Calma、Computer Vision與Applicon幾家，曾在七十年代并駕齊驅(qū)。進(jìn)入八十年代后，Mentor Graphics、Daisy、Valid開始崛起。日后還有一個(gè)Avanti，就是那個(gè)后來與Cadence有過一場曠日持久訴訟的公司，Avanti敗訴后被Synopsys收購。

　　經(jīng)過二十多年的市場競爭，存活下來并發(fā)展壯大的還是這三家公司。Cadence、Synopsys和西門子Mentor這三家公司占據(jù)了全球EDA市場近70%的市場份額。

　　從這三家最近幾年在中國的布局，可以看出EDA正在朝一個(gè)系統(tǒng)化、本土化方向發(fā)展。2017年底Cadence與南京市政府合作，投資上億元成立“南京凱鼎電子技術(shù)有限公司”，就是為了研發(fā)和技術(shù)支持更加本土化。Synopsys更加雄心勃勃，在武漢設(shè)立一座新思科技武漢全球研發(fā)中心，并于2019年12月落成啟用。新思科技全球總裁陳志寬形容這座研發(fā)中心，“電子設(shè)計(jì)進(jìn)入新時(shí)代，新思科技武漢全球研發(fā)中心落成是新思科技在中國發(fā)展的重要里程碑?！痹谶@之前，Synopsys武漢的研發(fā)中心已經(jīng)運(yùn)行了7年。

　　國內(nèi)EDA企業(yè)狀況

　　談到國內(nèi)的EDA行業(yè)，首先要說的是華大九天，即我們業(yè)界非常熟悉的命名為“國寶級(jí)”的熊貓IC CAD系統(tǒng)。

　　華大九天成立于2009年，其前身是原華大電子“熊貓”EDA設(shè)計(jì)平臺(tái)。這個(gè)平臺(tái)曾承擔(dān)過國家重大科技攻關(guān)研發(fā)項(xiàng)目熊貓IC CAD系統(tǒng)的研發(fā)，并獲國家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，雖然獲獎(jiǎng)但在市場化道路上充滿了艱辛和坎坷。在九十年代國家908項(xiàng)目的推動(dòng)下，作為國家布局的設(shè)計(jì)中心都曾購買過熊貓系統(tǒng)，但隨著幾家國際巨頭公司的進(jìn)入，它的市場化道路更加艱辛。

　　作為國家隊(duì)，華大九天目前已發(fā)展成為我國規(guī)模最大、技術(shù)最強(qiáng)的EDA龍頭企業(yè)?？梢蕴峁┤鞒虜?shù)模混合信號(hào)芯片設(shè)計(jì)系統(tǒng)、SoC后端設(shè)計(jì)分析及優(yōu)化解決方案、平板（FPD）全流程設(shè)計(jì)系統(tǒng)、IP以及面向晶圓制造企業(yè)的相關(guān)服務(wù)，其客戶覆蓋國內(nèi)眾多集成電路企業(yè)。

　　另一家有特色的EDA公司是山東濟(jì)南概倫電子科技有限公司。概倫于2010年3月成立，產(chǎn)品包括電路仿真/良率導(dǎo)向設(shè)計(jì)技術(shù)和半導(dǎo)體器件模型/噪聲測試解決方案，下一步產(chǎn)品方向?yàn)樾乱淮笠?guī)模高精度仿真及設(shè)計(jì)驗(yàn)證平臺(tái)、針對(duì)納米級(jí)制造技術(shù)的半導(dǎo)體器件建模庫平臺(tái)及測試驗(yàn)證系統(tǒng)等。

　　概倫公司的發(fā)起人劉志宏，曾在美國硅谷與胡正明團(tuán)隊(duì)合作，開發(fā)了BSIM3仿真模型，后來的BSIMPro SPICE就是以此為基礎(chǔ)發(fā)展得來。劉志宏博士曾擔(dān)任Cadence全球副總裁。

　　最近概倫電子收購博達(dá)微科技，博達(dá)微主要產(chǎn)品是測試領(lǐng)域的半導(dǎo)體測試系統(tǒng)，以及人工智能算法為核心的半導(dǎo)體測試方案、器件模型以及物理驗(yàn)證工具。兩家公司過去既是競爭對(duì)手，也是合作伙伴，這次收購有助于發(fā)揮雙方各自特長，互補(bǔ)共贏。也是中國EDA行業(yè)的一件好事。

　　廣力微是一家專門為半導(dǎo)體企業(yè)提供性能分析和良率提升方案的公司，2003年成立，總部設(shè)在杭州。提供基于測試芯片的軟硬件系統(tǒng)和整體解決方案，可用于高效測試芯片自動(dòng)設(shè)計(jì)、高速電學(xué)測試和智能數(shù)據(jù)分析的全流程平臺(tái)，該平臺(tái)可有助于提高集成電路性能、良率以及穩(wěn)定性。

　　蘇州芯禾科技是一家專注EDA軟件、集成無源器件IPD和系統(tǒng)級(jí)封裝SiP研發(fā)的公司，2010年成立?？蔀樾酒O(shè)計(jì)公司和系統(tǒng)廠商提供差異化的軟件產(chǎn)品和芯片小型化解決方案，包括高速數(shù)字設(shè)計(jì)、IC封裝設(shè)計(jì)、和射頻模擬混合信號(hào)設(shè)計(jì)等。

　　九同方微電子有限公司，總部設(shè)在武漢，簡稱“九同方”，很容易讓人想起“九頭鳥”，成立于2011年。擁有16名留美博士核心研發(fā)團(tuán)隊(duì)。提供完備的IC流程設(shè)計(jì)工具，從電路原理圖設(shè)計(jì)、電路原理仿真（超大規(guī)模IC電路、RF電路），到3D電磁場全波仿真的IC設(shè)計(jì)全流程仿真能力。

　　其他還有一大批中國本土EDA廠家，如：天津藍(lán)海微科技，產(chǎn)品為layout相關(guān)EDA點(diǎn)工具與服務(wù)；成都奧卡思，由三位硅谷中國博士于2016年在硅谷創(chuàng)立，2018年落地成都高新區(qū)。主要產(chǎn)品驗(yàn)證工具，包括功能特性驗(yàn)證的AveMC與全流程設(shè)計(jì)平臺(tái)MegaEC；深圳鴻芯微納，2018年成立，曾用名“深圳阿凡達(dá)微納技術(shù)有限公司”（還是阿凡達(dá)好啊，你看阿里巴巴，名字起得好很重要?。?，其產(chǎn)品主要為Place&Routing相關(guān)工具；蘇州珂晶達(dá)電子，2011年成立。產(chǎn)品是半導(dǎo)體器件仿真、輻射傳輸和效應(yīng)仿真等技術(shù)領(lǐng)域的數(shù)值計(jì)算軟件和服務(wù)。

　　2014-2019年Q1全球EDA行業(yè)市場規(guī)模及增長（來源：公開資料整理）

　　除了企業(yè)，在高校也有從事EDA軟件研發(fā)的團(tuán)隊(duì)。例如清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系EDA研究室和復(fù)旦大學(xué)專用集成電路與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

　　清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系 EDA 研究室成立于 70 年代初，主要研究高層次綜合、驗(yàn)證和模擬，互連規(guī)劃與優(yōu)化，時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，布圖布局、布線和寄生參數(shù)提取等。華大九天先后與清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、浙江大學(xué)、福州大學(xué)等聯(lián)合建立“華大九天實(shí)驗(yàn)室”。深圳國微與西安電子科技大學(xué)聯(lián)合最近成立“西電國微EDA研究院”。

　　縱觀國內(nèi)EDA企業(yè)，從數(shù)量上看已經(jīng)不少，但相對(duì)比較分散，個(gè)體還比較小。對(duì)于EDA這個(gè)小眾市場，全球三家就可以做到70%占有率。我們多數(shù)EDA公司除了華大九天以外，起步都比較晚。在前有虎、后有狼包抄的市場中，后生雖然可畏但奮力追趕勢必是一件很辛苦的事。所以追趕必須必須要有重點(diǎn)，不能全面出擊。

　　中國EDA行業(yè)最難的突破點(diǎn)應(yīng)該是人才。全球EDA從業(yè)人員從2017年3.72萬人增加到2018年4.28萬人，增加了0.56萬人。雖然人數(shù)在增加，但作為芯片/集成電路產(chǎn)業(yè)鏈的最前端，EDA軟件領(lǐng)域的研發(fā)人才相對(duì)于其他環(huán)節(jié)的人才是少之又少。

　　另一條路是整合購并，通過整合購并的模式使EDA產(chǎn)業(yè)更加集中，產(chǎn)業(yè)分工更加合理。大魚吃小魚，強(qiáng)者恒強(qiáng)在EDA行業(yè)也是一條顛覆不破的真理。從這點(diǎn)來說，概倫收購博達(dá)微無疑是一件非常好的先例。

　　結(jié) 語

　　中國的EDA企業(yè)正處在一個(gè)“夾縫中求生存”的局面，但同時(shí)也面著巨大的機(jī)遇。隨著半導(dǎo)體制造中心向中國大陸轉(zhuǎn)移，EDA產(chǎn)業(yè)的重心也會(huì)向中國轉(zhuǎn)移。正像Cadence和Synopsys不斷擴(kuò)大在中國的研發(fā)能力一樣，我們已經(jīng)意識(shí)到EDA軟件人才培養(yǎng)的重要性?？梢灶A(yù)見，本土的EDA產(chǎn)業(yè)在不斷學(xué)習(xí)和不斷提高的市場化大潮中，也會(huì)逐漸成長壯大起來。

　　后 記

　　在這篇文章寫作即將收尾的一個(gè)中午，我在所工作的軟件園地下餐廳用餐，偶遇一位來自中原河南焦作的小伙子。聊天中得知他的公司叫永中，總部在無錫（軟件園飛魚座），他們公司在開發(fā)一款中國本土的Office軟件，開發(fā)已經(jīng)持續(xù)了20多年，目前有500多人的團(tuán)隊(duì)。據(jù)小倪說，像他這樣的公司還有一家金山，就是我們熟悉的金山詞霸那家公司，在開發(fā)金山WPS，這也是一種基礎(chǔ)文字處理辦公軟件。我想，我們中國的EDA軟件公司什么時(shí)候能夠堅(jiān)持20多年，可能到那時(shí)只剩2～3家企業(yè)了，那時(shí)候也許離成功的希望就更大了。堅(jiān)持研發(fā)，自主創(chuàng)新，只有這樣我們才能在EDA領(lǐng)域做到與世界級(jí)的巨頭抗衡。別無他路。