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    EDA,國產芯片最薄弱一環

    2022-05-13
    來源:賽博汽車
    關鍵詞: EDA 芯片 華為

    2021年12月23日,華為冬季旗艦新品發布會上,華為消費者業務BG CEO、華為智能汽車解決方案BU CEO余承東帶來HUAWEI P50 Pocket旗艦折疊屏手機,不出意外,依然不支持5G。

    由于美國政府制裁原因,華為公司并沒有獲得5G射頻芯片供應。至少截至目前,華為Mate 40仍被認為是華為旗艦手機的5G“絕唱”。

    余承東不止一次坦言,“華為此前只做設計不做生產”這一決定錯誤,華為也在盡力“補洞”。但顯然,建立獨立自主的芯片產業鏈,絕非一朝一夕之功。

    第一步,工欲善其事,必先利其器,要有設計工具,即:EDA。

    綜合企查查、天眼查等信息,據不完全統計,截至2022年4月,華為旗下哈勃投資與深圳哈勃累計投資中國半導體企業超過70家,其中包括6家國產EDA企業,分別為:阿卡思微、九同方微電子、無錫飛譜電子和立芯軟件、云道智造和青芯意誠。

    EDA(Electronic Design Automation,電子設計自動化),是指利用計算機輔助設計(CAD)軟件,來完成超大規模集成電路(VLSI)芯片的功能設計、綜合、驗證、物理設計(包括布局、布線、版圖、設計規則檢查等)等流程的設計方式。

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    Δ 集成電路行業倒金字塔結構。資料來源:華大九天招股書

    與龐大的芯片設計、制造、應用行業相比,EDA市場規模并不大,2020年全球EDA市場規模僅為72億美元,但卻支撐著數十萬億美元規模的數字經濟,素有“芯片之母”稱號。

    EDA軟件行業流傳著這么一句話:“誰掌握了EDA的話語權,誰就掌握了集成電路的命門,誰就可以對芯片行業的后來者降維打擊?!?/p>

    顯然,話語權不在華為,乃至中國這邊。

    01、“熊貓EDA”未能如愿

    中國不是第一次被EDA難住。

    1949年12月,成立僅一個月的“巴黎統籌委員會”宣布將中國管制國家名單。此后很長時間,“巴統”成員國對中國禁運軍事武器裝備、尖端技術產品和稀有物資等三大類上萬種產品,EAD顯然位列其中。

    一家美國公司的負責人在80年代中期曾自傲地表示,該公司的計算機輔助設計軟件,在12年內不可能進入中國。

    因此,很長時間,我國無法獲取國外最新的EDA軟件,IC CAD工具(集成電路計算機輔助設計)研發工作也進入了停擺階段。

    EDA行業的發展和集成電路行業高度關聯:集成電路制程提升拉動EDA技術迭代升級,EDA技術升級推動集成電路更新換代,兩者形成雙向正循環。全球EDA行業發展歷經計算機輔助設計(廣義CAD)、計算機輔助工程(廣義CAE)、電子設計自動化(EDA)三個時代。

    在經過一段時間的幾乎“空白期”后,1986年7月,電子工業部執行國家的決定,確定在北京、上海、無錫建立3個集成電路設計中心,以北京為重點,先行一步。

    不久后,國家又將“七五”期間的IC CAD自主開發人物交給了北京集成電路設計中心(后為中國華大集成電路設計中心,并于2009年獨立,創立華大九天)牽頭,動員了全國17個單位,超120名專家齊聚北京,后續增至300人,共同開展國產EDA研發。

    歷經3年,攻關組在1991年對外發布新一代CAD系統的原型版。彼時,華裔專家連永君稱,這是中國的國寶,并命名“熊貓系統”。

    “熊貓系統”問世,打破了外國對中國的EDA工具封鎖。其核心部分由28個設計工具組成,共180萬行代碼,具有集成電路設計所需要的行為功能級描述、版圖編輯、邏輯和電路模擬、測試碼生成、自動布局布線和版圖驗證等功能。

    經過“磨合”應用證明后,1993年,熊貓系統獲得國家科學技術進步一等獎。

    3年開發完成后,攻關組又花了3年進行實用化開發,由原華大副總經理劉偉平帶隊,并于1995年完成熊貓系統2.2。該版本在當年即有56套系統在國內26家集成電路設計單位應用,共完成集成電路產品設計逾200種,并于同年進入國際市場,在包括美國在內的3個國家擁有5家客戶,共20余套系統和工具售出。

    此時,西方國家決定:低價、開放。

    1994年“巴統”禁令取消,海外EDA三巨頭大舉進入中國市場,便以技術成熟、價格便宜、免費贈送、多方合作等策略,快速收割市場份額。

    最先進入中國的是Cadence(楷登電子)。

    1994年2月,Cadence在北京人民大會堂舉辦了進入中國的開幕式。主席臺上一條大紅標語通欄寫的是:”Cadence Come to China”,宣布這家全球重磅級EDA供應商開始進入中國市場。

    第二年,另兩家EDA廠家Synopsys(新思科技)和Mentor Graphics(現西門子EDA部門)也悄悄進入中國。

    憑借更成熟的技術、超低的價格,他們迅速占領中國市場,耗時耗力的“熊貓系統”最終并沒有發展起來。2020年,上述“三巨頭”在全球市場占比超77%,在中國市場占比近八成。

    國際EDA公司進入中國,使得國內集成電路設計工具開始與世界接軌,結束了過去依靠半手工半自動化的CDA時代。設計工具的改善,使得我們在設計上不斷精細,無論是華為海思,還是后起之秀地平線的芯片設計能力,都可謂不俗。

    與此同時,自1994到2008年,國家對國產EDA的支持非常有限。缺少政策和市場支持的國內EDA工具研發和應用陷入低谷,與海外差距逐漸拉大。這也導致了國內集成電路產業對國外EDA工具的重度依賴。

    由于工具掌握在別人手中,我們始終處于被動位置。

    02、本土EDA發展曙光再現

    時間來到2008年,轉機初現。

    在中芯國際被臺積電“折騰地”疲憊不堪的2008年,國家核心電子器件、高端通用芯片及基礎軟件產品(核高基)重大科技與項目也正式進入實施階段。當年,EDA重新獲得了國家的鼓勵和支持,被列入《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020)》所確定的十六個重大專項之一。

    隨后,2009年華大九天作為“EDA國家隊”從華大集團EDA部門獨立出來,繼承了熊貓系統的核心技術,承擔了十一五、十二五“核高基”專項計劃,本土EDA行業也重新迎來了發展的曙光。

    概倫電子、廣立微電子、國微思爾芯、芯和半導體、芯華章、芯愿景等EDA領域一批創業型公司涌現,并拿下了一定的市場。

    以國內EDA軟件的絕對龍頭華大九天為例,2020年在中國EDA市占率約6%,居本土企業首位,份額占比在50%以上。但與國際巨頭相比,依然很弱勢,國內外EDA軟件多年累積的技術差距難以在短時間內抹平。

    當下全球EDA行業市場集中度較高,共分為三個梯隊。

    第一梯隊為楷登電子、新思科技和西門子EDA,上述三家公司具有顯著領先優勢,全球市場占比約78%。

    第二梯隊為華大九天、ANSYS等幾家企業,憑借部分領域的全流程工具或在局部領域的領先優勢,位列第二梯隊,全球市場占比約15%。

    第三梯隊是一些聚焦于某些特定領域或用途的點工具的企業,整體規模和產品完整度與前兩大梯隊的企業存在明顯差距,全球市場占比約7%。

    國產EDA公司與“三巨頭”有明顯差距,很大一部分原因在于:前者目前仍不能實現全工具鏈覆蓋。由于EDA工具鏈非常長,涉及軟件種類,國內大多從某一環節單點切入,部分流程與環節具備較強競爭力。

    如:華大九天在模擬IC領域優勢明顯,概倫電子則在存儲器領域儲備較深。但對于客戶而言,即便是采購國產EDA軟件的意愿高漲,但本土廠商仍無法為其提供平臺式的產品服務,客戶依舊需要購買大量海外“三巨頭”的產品,再搭配本土較為成熟的解決方案使用,顯然性價比不算高。

    而盡管從歷史上來看,EDA三巨頭的形成不是一蹴而就地,均是通過自研及大量并購同類企業最終形成厚實的技術壁壘。

    海外三巨頭共發起過200多次收并購,其中Synopsys次數高達80次,為三家中最多。其早在1990年公司就收購了Zycad公司的VHDL仿真業務,并推出了測試綜合產品;2002年,公司收購了剛結束與Cadence多年訴訟的Avanti,一舉補齊了數字集成電路EDA全流程所需要的團隊和技術,成為歷史上第一家可以提供頂級前后端完整IC設計方案的領先EDA工具供應商,改變了傳統上“Synopsys占前端,Cadence占后端”的格局,也為后續公司市場份額超過Cadence打下堅實基礎。

    但中國并不具備同等條件。2020年海外EDA企業數量為600+,國內僅22家,且相對技術較弱,國內企業沿循外資EDA巨頭通過兼并重組做大的發展路徑較為困難。

    更深層次的阻礙還在于“生態”。

    每一次系統性、革命性的EDA升級換代都是EDA企業和集成電路應用企業上下游合作,在原有的技術基礎上開發的新型算法。

    國際頭部EDA企業與集成電路制造、設計企業具備長期合作基礎,其EDA工具工藝庫信息完善,能夠隨先進工藝演進不斷迭代,進一步鞏固了競爭優勢。

    這意味著市場尾部EDA企業難以獲得生產線的最近工藝數據參數,在與工藝緊密相關的工具領域無法進行技術布局。下游用戶一旦確定了EDA供應商,短時間更換EDA工具軟件的成本較大,因此集成電路制造與設計企業一旦與EDA工具供應商形成穩定的合作關系,不會輕易更換供應商,對合作供應商粘性較強。

    顯然,海外三巨頭與頭部Foundry長期捆綁,始終處于工藝的領先地位。而國產廠商缺乏與頭部Foundry的合作,導致其EDA工具對先進工藝的支持不夠,這也是國產EDA工具在高端芯片領域幾乎沒有份額。即便是華大九天,其大多數工具仍無法支持28nm以下的制程。

    與此同時,海外EDA巨頭還擁有豐富的IP(Intellectual Property core,知識產權核或知識產權模塊)庫??梢岳斫鉃?,IP就是把部分設計流程固化,當Fabless使用EDA工具進行IC設計時,可以直接把所需功能的IP模塊拿來使用,不必再重復設計,這可以極大地優化芯片設計公司的重復勞動率并提升設計靈活度。

    當前,主流SoC異構芯片均是基于不同功能的IP進行組合設計。相比于國內EDA企業,海外EDA巨頭擁有大量IP核產權,這使得客戶面臨較高的切換成本,公司與下游客戶的關系更加穩固,從而構建具有深度護城河的生態圈。

    國外企業多采用“EDA工具全家桶+IP授權”模式,打造豐富、完整的IC設計生態。根據IPnest數據顯示,2021年全球半導體IP市場中,除了ARM等專業半導體IP供應商外,Synopsys、Cadence這兩大EDA巨頭位列全球半導體IP市場的第二、三名,市占率分別為19.7%、5.8%。

    此外,國產EDA行業還面臨缺錢、缺人等問題。

    一方面,人才匱乏。EDA開發工程師是一項綜合性崗位,要同時理解數學、芯片設計、半導體器件和工藝,一般來說,培養一名EDA研發人才,從高校課題研究到從業實踐的全過程往往需要10年左右時間。據賽迪智庫的數據顯示,2020年我國EDA行業僅有4400余名人才,其中一半以就職于外企。而Synopsys一家公司全球擁有近1.2萬名EDA研發人員,華大九天的這一數字為300余名。

    另一方面,資金不足。EDA行業資金消耗巨大,需要長期的資金投入。還是以Synopsys和華大九天對比,前者2018年至2020年三年累計研發投入為228 億元人民幣,是華大九天近60倍。

    顯然,無論從哪方面來看。目前中國EDA公司還無法與國際巨頭抗爭。

    03、國產EDA迎來最好的時間點

    隨著2019年到來,中美科技摩擦加劇,美國對我國國內高科技企業的制裁力度不斷加大,數次提高對國內部分高科技企業的限制級別,尤其在集成電路和EDA工具領域體現的較為明顯。

    以華為為例,2019年EDA三巨頭終止了與華為海思的合作,為國產芯片的發展蒙上了一層陰影。國內集成電路設計及制造企業開始尋求實現EDA工具軟件的進口替代。

    這對于國內EDA廠商而言,這或許是化危為機的重要時刻。

    與此同時,政策、資金、人才、技術都在向好發展。

    政策方面,由于EDA基礎研究難度高、周期長,前期投入回報較小,需要政策支持。實際上,美國EDA產業發展也離不開補貼。美國NSF、SRC和國防部等政府機構自20世紀80年以來每年投入千萬美元級資金支持EDA發展。

    我國近年來也發布了一系列政策、補貼支持。去年11月,《“十四五”軟件和信息技術服務業發展規劃》明確提出重點突破工業軟件,其中EDA軟件被列出。

    資金方面,隨著國家政策對EDA領域的持續扶持,行業也開始受到資本市場認可。自2019年起,我國EDA初創企業的融資環境顯著改善,且不乏高瓴資本、紅衫資本、深創投、英特爾投資、國家大基金、中芯聚源等知名投資機構身影。據不完全統計,2021年,國內EDA賽道融資事件超15起,融資企業超12家,融資規?;虺?0億元。遠超2020年的超5起融資事件、超13億元規模。其中單次融資額最高超4億元

    與此同時,頭部企業也在積極尋求上市,截至2021年12月30日,國內已有概倫電子(已上市)、華大九天、廣立微與國微思爾芯4家EDA企業申請IPO。

    多樣化的融資渠道有利于EDA軟件公司的長期發展。此外,充沛的資金優勢也有助于企業通過外延并購、股權投資等方式快速拓寬業務邊界,加快打造EDA軟件的平臺型公司,以實現芯片設計全流程覆蓋。

    人才方面,盡管與巨頭們相比還比較弱小,但發展速度還是較為迅速。根據賽迪智庫數據,2018年,中國EDA行業外資企業人數為2100人、本土企業人數為700人;2021年,這兩個數字分別增至2400人和2000人。

    技術方面,部分企業也取得了突破。其中,以華大九天為例,其模擬電路設計全流程EDA工具系統在電路仿真工具上技術可達到全球先進水平;在平板顯示電路設計領域,為成為全球唯一能提供全流程設計解決方案的供應商。根據其招股書,截至到2020年底,公司共擁有已授權發明專利144項,軟件著作權50項。

    顯然,政策、資本、人才都已在為此蓄力。

    如今,可能是國產EDA發展最好的機會,誰能突出重圍?




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