EDA工具基础知识大全

 

01 没有EDA，就没有芯片

EDA（Electronic Design Automation，电子设计自动化），是利用计算机辅助完成集成电路芯片的设计、制造、封测的大型工业工具。它是最基础、最上游的领域，贯穿了集成电路产业链的每个环节。  

简单地说，EDA就是芯片设计师的画笔和画板，就像操作文档要用Word，制作图片要用Photoshop一样，它能高效设计、控制及管理数十亿电路元件在一颗芯片里协同工作。  

EDA算法密集，融合了图形学、计算数学、微电子学、拓扑逻辑学、材料学及人工智能等多学科的算法技术，必须经过长时间技术积累和持续大规模研发投入，才能满足新工艺的应用需求。  


EDA支撑着集成电路设计和制造流程、关键环节，图源丨概伦电子招股书  

EDA工具包括硬件和软件两部分。软件是工具的核心，分为仿真工具、设计工具、验证工具三种类型；硬件是用来加速仿真、验证速度的服务器和专用工具。

 

EDA软件工具的三种类型，制表丨果壳硬科技 资料来源丨新思科技  



设计工具、仿真工具、验证工具在芯片设计流程中位置，资料来源丨IEEE Xplore  

EDA非常重要，倘若它出现问题，产业下游的集成电路、电子信息和数字经济都会崩溃。没有EDA，就不可能设计和制造当今的芯片。   芯片设计过程极为复杂，要求设计精细度很高，稍有偏差就会导致芯片报废，项目崩盘；同时，从90nm、65nm进化到3nm/2nm，制造成本攀升，所需设计步骤也越来越多，设计也越来越困难。  

EDA能发挥计算机辅助设计（TCAD）、面向制造的设计 （DFM）、硅生命周期管理 （SLM）三大关键功用，保证最终产品的良率和性能。一方面，EDA将复杂的芯片设计流程拆分成高级综合、逻辑综合、原理图布局等若干步骤，并配备丰富的工具组件库和可复用的参考架构；另一方面，EDA能利用仿真、验证等工具在芯片生产前纠正错误。  



EDA拥有三个关键功用，制表丨果壳硬科技  

EDA还与另一个细分市场密切挂钩——半导体知识产权（半导体IP核）。所谓IP核，就是半成品芯片，提供不同复杂度的预设计电路，分为软核、硬核、固核三类。鉴于IP核的使用和重复使用都依赖EDA工具，同时EDA和IP核还可以捆绑销售，通常业界将两者视为一个市场。虽然EDA巨头都拥有自己的IP核产品，但随着市场扩大及IP供应商增加，现在的趋势是将EDA和IP核独立出来。
 


三种类型IP核，资料来源丨方正证券  

EDA是跟着集成电路变迁的。经历了CAD/CAM（计算机辅助设计/计算机辅助制造）、CAE（计算机辅助工程）、ESDA（电子系统设计自动化）到EDA（电子设计自动化）四个阶段，阶段转换本质上是芯片描述抽象层级的变化，精度依次提升。  

复盘EDA市场发展行径，与晶圆代工、数字芯片等发展历史非常类似，都是从玩家稀少到百花齐放，再到优胜劣汰，并购为仅剩1~2家、至多3~4家超大集合体的局面。  

1964年~1978年，芯片晶体管密度低，集成度低，企业入局率低， Applicon、Calma和Computervision三家公司主导当时的CAD/CAM市场；  

1979年~1992年，CAE成为新贵，相关企业参与率突然急剧上升，转折点在于ASIC（商用专用集成电路）的出现，让设计团队可以接触到以前为大型系统OEM预留的定制芯片，Daisy Systems、Mentor Graphics和Valid Logic三家公司主导当时的CAE市场；  

90年代初，技术一路发展，高级语言描述开始应用，ESDA当道，并开启了行业并购，Synopsys（新思科技）、Cadence（官方译名楷登电子）、Mentor（现为Siemens EDA）成为新三巨头；  

2009年~2014年，巨头以外的EDA相关专利申请逐渐减少，市场垄断态势初现，小公司被收购，大公司在竞逐中被淘汰；  

之后的几年至今，EDA行业继续整合，新思科技、楷登电子、西门子EDA收购许多小型初创公司，包括Forte、Jasper、Springsoft、EVE、Nimbic等，国内EDA融资潮起，一些老牌国产品牌开始挤进第二梯队。

  EDA发展阶段及特征，制表

丨果壳硬科技 资料来源丨IEEE Design & Test of Computers    

02 EDA不是好做的生意

EDA企业怎么赚钱？一般采取授权（License）的模式，即向客户销售指定版本的软件，并收取合同约定期间的授权费。  

授权又分为固定期限授权和永久授权两种形式，可以简单理解为Office 365和Office 2021的关系。对换代要求低的客户大多数选择永久授权，对换代要求较高的客户选择固定期限授权。固定期限通常为1~3年，也可以选择在固定期内多次授权，相当于分期付款。  

固定授权是国际更为通行的模式，国际先进大厂均采用此形式，2021年，全行业固定期限内一次授权方式营收占比达55%。这是因为芯片迭代迅速，要面对的物理现象、应用和工艺越来越复杂，这种方式能够获得EDA厂商对工具的实时更新、缺陷修复、技术支持及性能方面升级等。
 


2019年~2021年公司EDA软件销售不同授权模式营收占比，图源丨东吴证券  

EDA行业具有明显的可持续增长空间。2020年全球EDA市场营收115.7亿美元，2026年全球EDA市场营收213.6亿美元，年复合增长率10.9%。  

倒金字塔产业链结构，图源丨华大九天招股书  

但EDA也绝对不是一门好做的生意。如今，整个市场分为三级竞争梯队，国产最高只做到第二梯队，且份额太小，根据SIA（美国半导体协会）数据，国内EDA/IP占全球市场仅1%。  

第一梯队由新思科技、楷登电子、西门子EDA三家企业组成，处于绝对领先地位，占据全球78%的市场份额，在中国市场三巨头拥有超过95%的软件销量，拥有全流程EDA产品，业务遍布全球，科研实力雄厚；

第二梯队以美国ANSYS公司、Silvaco、Aldec、华大九天等为代表，拥有特定领域全流程产品，在局部领域技术较为领先；

第三梯队以Altium、概念工程集团（Concept Engineering）、概伦电子、Down Stream Technologies等为代表，这些企业主要布局点工具，缺少EDA特定领域全流程产品。

 

全球EDA行业简要格局，来源丨华大九天招股书  

谁处于绝对领先地位，市场规则就由谁制定。但实际上，新思科技、楷登电子、西门子EDA三家公司在市场上的竞争也极为激烈，虽然三家公司整体运营思路相同，但策略也不尽相同。  

新思科技在营收、业务等方面无疑是规模最大的EDA相关企业，但单从EDA产品线来看，楷登电子与新思科技持平，甚至在往年更胜新思科技一筹。从战略上来看，新思科技强化软件集成型产品发展，通过频繁并购平均发展旗下各产品线的产品实力。楷登电子实力底蕴扎实，并购动作相对较少也能保持EDA营收稳定增长。
 


EDA三巨头基本情况对比，制表丨果壳硬科技 资料来源丨EDP Sciences，《军民两用技术与产品》，《中国集成电路》  

国内EDA发展曲折缓慢，直到2008年后才开始崛起：早在1981年~1985年，国内便陆续开发ICCAD一级系统和二级系统；1993年，熊猫系统问世；但之后15年里，受“造不如买，买不如租”观念影响，国内EDA被拉开差距，彼时正值新思科技、楷登电子、西门子EDA上升期；2008年，EDA重新成为重点，华大集团将EDA部门独立出来，名为华大九天；2010年，概伦电子成立[21]；2021年12月，概伦电子科创板上市；2022年7月，华大九天创业板上市。
 


国内EDA二级市场情况不完全统计，制表丨果壳硬科技   在国产替代风潮下，近两年EDA一级市场非常活跃，融资金额一度达到11亿元人民币。

 

近两年内国内EDA一级市场情况不完全统计，制表丨果壳硬科技  

仍然需要指出的是，国产EDA以点工具为主，工具链不完整，三巨头则覆盖了产业链的各个方面。另外，国产EDA目前尚不能满足尖端制程的要求，由于EDA处在最上游位置，因此EDA必须比芯片的工艺更先进。
 


国内外EDA支持工具链对比，制表丨果壳硬科技  



国内外企业EDA产品支持制程对比，资料来源丨头豹    

03 夹缝求生，还能怎么走

在高度垄断之下，国产EDA究竟有哪些还能走的路？果壳硬科技团队认为有如下几点：  

投入打在关键点上

EDA需要的投入金额惊人。新思科技和楷登电子十年来净利率大多数年份不超过15%，但却从未因公司经营状况不加而降低研发投入强度，研发占比全部高于30%，甚至部分时间研发占比超过40%。对于较小的EDA公司，这个数字可能会更高。   高额投入意味着三家巨头竖起了专利高墙，专利围城导致国产处境极为尴尬。近两年，所有半导体公司都开始建立一系列自己的知识产权，希望与竞争对手保持安全距离，国产也需要自己的专利。  

通过统计三巨头在EDA关键技术专利数量和分布情况来看，发展程度、重点和专长上没有太大差异，但研究基本集中在“验证”“仿真”“布线”三个主题上，“时序分析”和“综合”两个部分研究还不多，这意味着“时序分析”“综合”是能拉开技术差距的部分。另外，“验证”占芯片设计总成本70%以上，是国产EDA正在突破的领域。

 

三大巨头关键技术专利数量和分布情况，信息来源丨EDP Sciences  

发展Chiplet是关键点

传统芯片是将所有器件放在单一裸晶（Die）上，功能越多芯片尺寸越大，Chiplet（小芯片）是将大尺寸多核心分散到多个微小裸芯片上，如不同类型的处理器、模拟组件、存储器等，再用3D立体堆栈的方式，像搭积木一样组合在一起。  

Chiplet有多重要？AMD、英特尔、英伟达等头部IC设计企业都推出过基于Chiplet技术的产品，苹果也准备在下一代高端处理器中采用Chiplet技术。为了让Chiplet更好发展，Arm、AMD、Meta、英特尔、谷歌云、微软、高通、三星、日月光和台积电还发起了UCIe产业联盟。   实现Chiplet，EDA是关键。目前来说，Chiplet的最大问题是如何将部件组合在一起，谁来将这些部件组合在一起，国产EDA可就这些问题进行研究。  

做更好用的EDA工具

以软件为核心的EDA，好用，让更多人能用才是王道。  

近年来，随着芯片设计基础数据量和系统运算能力上升，AI（人工智能）和云技术开始深入EDA。这种模式也逐渐被行业认可，用户的使用习惯也随之改变。另外，传统SoC设计需要在RTL级别下使用硬件描述语言进行逻辑、验证，后来EDA逐渐开始支持C/C++/SystemC，学习晦涩难懂的语言不再是硬性要求。   这种变化得益于设计方法学的进化，最终目的在于提升设计效率、确保设计正确性、提升芯片生产良率、加速设计流程，国产EDA也应当遵循这种模式进行发展。

 

EDA工具在设计方法学层面的发展方向，资料来源丨华大九天招股书  

开源化增强EDA领域研究

近几年，开源风潮盛行，诞生了开放的硅知识产权生态系统。开源EDA工具能快速引导国产EDA找到方向，同时还能为科学发展创造了全新生态系统。  

开源EDA有五大可行性：其一，能够快速识别最新基准测试结果，从而可以快速确定新的EDA解决方案，推动技术发展；其二，开源工具能够加速EDA研究，可以在现有开源工具和组件的基础上以更快的速度实现迭代，降低进入门槛；其三，由于EDA改进可能会被下游工具所掩盖，完整开源的EDA工具能够确保改进坚持到最后；其四，具有标准I/O格式交换的开源工具，能够在开源工具和闭源工业间形成健康的生态系统，加快学术界和工业界知识传播；其五，开发者社区能够发现更多后门或漏洞，能够带来更值得信赖的设计过程。  

各种力量应该拧成一股绳

EDA贯穿芯片整个产业链，各个工具也环环相扣。三巨头均不同程度地采取收购整合方式，实现全流程工具的覆盖。国内目前仅有华大九天一家公司实现部分设计全流程方案，整体市场仍然呈现碎片化、地理化分散。

 

EDA工具的两种突破方案对比，图源丨华福证券  

推进整合并非易事，何况国产EDA仍处在初期，不具备大规模并购条件。因此，国内可采取更为特色化的整合形式，通过行业龙头牵动行业合作，加之政府扶持，因势利导，形成合理的互惠模式。具体拥有三种销售形式：  

捆绑销售：采取多个公司点工具的捆绑式销售，并让工具之间产生关联；

定制开发合作：大型EDA厂商向小型厂商定制开发，后者完成开发后，双方共享产权和技术，实现合作共赢；

产业孵化：先发展起来的EDA厂商为有技术基础的初创企业导入业界资源。

 另外，人才和团队、技术和产品、市场和生态、资金与政策、法律与规范、软件与硬件六大因素对EDA来说缺一不可，但现今EDA领域人才短缺，技术覆盖不全面，生态建设不完整。这背后需要政府主导、资本市场助力，发挥了产学研集成效应，带动集成电路发展。   当国内力量都拧成一股绳时，继而可构建自主的标准化。现如今，EDA所设领域广泛，体系和功能繁杂，标准化工作涉及的范围也很广，国内可进一步推进自己的标准化工作。  

当各种资源整合在一起，占领市场必然会水到渠成。

 

审核编辑：刘清