國產EDA換道超車“百年一遇”的好機會

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2022-03-17 07:58:01 20

以美國為首的芯片強國對出口中國的高端芯片 “卡脖子”，讓更多人意識到國產高端芯片自主可控重要性的同時，芯片產業鏈中小而精的EDA（Electronic Design Automation，電子設計自動化）工具的關鍵作用也成了關注的焦點。

芯片設計環節繁多，精細且復雜，EDA工具對于提升芯片設計效率，優化芯片設計，保證芯片功能發揮著極為重要的作用。目前，美國三大EDA公司（Synopsys、Cadence、Mentor）占據全球EDA市場超過60%的市場份額，絕大部分芯片設計公司都需要三巨頭的EDA工具。因此，美國用EDA就能很容易卡住中國芯片行業的脖子。

國產化率僅10%左右的國產EDA，面對發展了二三十年的EDA三巨頭的技術和商業壁壘，想要進一步提升國產化率面臨極大挑戰。慶幸的是，開源的趨勢，AI和云技術的突破，給國產EDA帶來了換道超車百年一遇的好機會。

1、EDA國產化率10%左右，突破面臨瓶頸

EDA處于整個芯片產業鏈的上游，特點是小而精。據市場研究和顧問公司Gartner今年1月的初步統計結果，全球半導體收入2020年總收入達到4498億美元，比2019年增長7.3%。

僅看EDA市場，賽迪顧問 *分析師呂芃浩去年給出的數據是，2019年全球EDA市場規模為102.5億美元，中國EDA市場規模約為5.8億美元，占全球市場的5.6%，國內EDA廠商總營收不到4.2億元，僅占全球市場份額的0.6%，國產化率僅10%左右。

“10%左右的國產化率，華大九天貢獻了大部分。因為國內很多EDA公司都是以出售點工具為主，華大九天有面向模擬芯片的整套工具，所以市場的認可度更高。”呂芃浩告訴雷鋒網：“國產EDA除了在模擬芯片領域有所進展，國微集團，概倫電子的部分工具也達到了國際*水平，以芯華章為代表的公司把一些自研的EDA工具進行開源，也實現了一定的突破。”

呂芃浩認為EDA 10%的國產化率很難突破，已經進入瓶頸期。原因主要有兩個方面，一方面，中國的IC設計公司數量雖然有2218家，但營收過億的只有200多家，無論從技術還是財力水平，大部分中國芯片設計公司可能不會用正版軟件，市場增長有限。

另一方面，國產EDA還沒有實現數字芯片設計工具全流程，國內營收過億的芯片設計公司還是會優先選擇三巨頭的EDA產品。

也就是說，國內的EDA市場增量有限，存量市場競爭激烈。呂芃浩認為，“EDA的國產化率要進一步提升，必須要實現數字全流程，一旦實現了全流程，就可以迎來快速爆發期。然后，還需要改善生態。”

西南交通大學信息學院電子工程系副系主任邸志雄也認為，國產EDA公司最艱難的是生存問題，然后是生態問題。“國內EDA公司需要獲得芯片設計公司、晶圓代工廠的信任，才能解決生存問題。”邸志雄表示。

“當前的國際形勢下，大部分芯片設計公司都意識到EDA可控的重要性，這是國產EDA獲得入場券的前提。”

擁有20多年國際*EDA企業技術開發及公司運營管理經驗，2020年創立芯華章的王禮賓對雷鋒網說：“以前國內做EDA的公司不多，也主要是做單點工具。現在EDA受到*重視，也有很大的市場空間，所以EDA公司都希望能夠做的更完整，但貪大求全也不可取。”

國際形勢的變化逼著中國芯片產業走出一條自己的路，國產EDA也迎來了一個*機遇——開源EDA。

2、開源給國產EDA打破巨頭技術

和商業壁壘的*機會

開源技術已經發展了多年，開源軟件的蓬勃發展是目前軟件可以快速、低成本實現的一個關鍵。Linux、GNU、Android以及各種開源AI Framwork往往能夠產生革命性影響。如今，EDA開源也在快速向前推進。

2018年，美國國防部*研究計劃局（DARPA）提出了兩個新的項目IDEA（Intelligent Design of Electronic Assets）和POSH（Posh Open Source Hardware）。

其中的原因，邸志雄認為：“芯片的研發周期至少一兩年，成本很高，技術門檻也很高，嚴重阻礙了芯片設計領域的創新，這兩個項目從IP和EDA兩個維度縮短芯片設計流程，節省研發時間。我認為從RISC-V指令集到POSH再到IDEA，這其實就是一個開源生態，能夠共同推動芯片行業的繁榮。 ”

相關統計數據顯示，通過IDEA/POSH兩個開源項目的實施，可供使用的開源EDA數量增加了近一倍。

“國內的EDA工具產業現狀是技術進入門檻高、人才方面師資與課程缺乏，開源可以打破技術和商業壁壘，整合優化科技資源配置，高效的激發并加速創新，快速建設國內集成電路設計生態圈。”王禮賓認為。

那么，開源EDA能夠幫助國內EDA產業迅速實現數字全流程嗎？王禮賓表示：“我覺得這取決于技術的導向和資源投入，芯華章有系統性的想法，但難度會越來越大，因為投入也會越來越多。還要看到，不同的EDA涉及的環節不同，開源的難易程度以及開源所能帶來的生態促進作用不同。”

邸志雄從技術的角度分析，開源的點工具如果沒有統一的接口，想要將點工具串起來很難。另外，已有的開源單點EDA工具絕大部分都沒有經過商業的流片驗證。同時，在模擬芯片設計EDA工具與數字芯片物理實現EDA工具，特別需要開源工藝庫和PDK支持。

呂芃浩指出，開源是國產EDA實現數字全流程的一條路，但現在大家都是起步階段，有積累的情況下，實現完整的全流程會更快一些。

既然如此，為何還說開源是國產EDA的*機會？雖然EDA開源不能在短期內就讓國內EDA產業補足短板，但能從源頭上解決國產EDA發展的人才之困。高端人才是國內集成電路產業發展最大的挑戰是業界共識，對于小而精的EDA產業更是如此。

“在國內的教學體系中，EDA教師一般隸屬于微電子或計算機學科，不管在哪個學科，EDA都屬于小眾，國內能夠開設EDA課程的學校寥寥無幾，缺乏EDA教材，并且，對EDA感興趣的學生也很少。”邸志雄說。

“有了開源EDA，首先是案例有了，可以給理論課與實驗課比較好的支撐。另外，也能讓學生了解EDA內部算法。還有，開源EDA也不需要購買昂貴的商業工具。再加上集成電路提升為一級學科，有了這些支持后，我認為不管是開設EDA課程開始出版教材，都是利好。”

開源EDA也會對相關研究有積極作用。據悉，很多研究者的論文都基于開源EDA展開研究，但開源EDA被收購之后往往就走向閉源。“如果開源EDA能夠給大家提供一些比較完整的EDA環境和流程，對于而言就可以有一個基準的參考模型，進而可以驗證算法或模型的有效性。因此，無論是科研還是教學，對開源EDA需求的迫切性都很高。”

開源EDA不僅能夠降低學校人才培養的難度，也能吸引更多人加入到EDA行業，加速創新。王禮賓說：“EDA是跨計算機、軟件、集成電路的交叉學科，開源等于給了一個產品的母版，降低了研發的門檻，還可以激發和加速科研院所、高等院校、企業、愛好者的創新，優化資源配置，通過開源的實踐，培養出很多EDA人才。”

“當產業界拿到了更好的開源產品，會加大開源EDA軟件的使用頻度和廣度，這樣的大范圍應用，會為開源EDA提供更多的測試數據，進一步催熟開源EDA工具的發展和創新，最后形成正反饋的EDA開源生態。”王禮賓進一步指出。

國內的EDA公司不僅抓住了開源EDA的機遇，還可以借AI、云計算等新技術換道超車。

3、國產EDA將換道超車

作為開源EDA的先鋒派，芯華章在2020年九月上線了中國*開源EDA技術社區EDAGit，并且開源了兩款EDA工具。王禮賓介紹，目前芯片公司在一個芯片項目中投入的精力大量是用于驗證，因為芯片失敗帶來的損失輕則是一次投片數億元的費用打水漂，重則影響產品的上市時間或者公司的信譽，導致客戶的流失，可能帶來致命的打擊。因此，驗證，特別是硬件驗證，是科技*的重要制勝點之一。

芯華章已經開源的兩款EDA工具都與驗證相關，EpicSim是基于經典EDA方法學并進行強化、創新的開源仿真工具，仿真器是功能驗證最不可或缺的一環。另外一款開源工具是形式驗證“靈驗”，形式驗證的優勢在于完備、窮盡的驗證，不需要復雜的環境搭建，設計收斂效率高，適合用于早期的模塊驗證。

數字仿真器流程

“芯華章所專注的數字驗證領域，與晶圓廠和先進制程之間沒有直接的緊密關聯，因此對于我們來說，技術突破的關鍵在于人才。對于后端與晶圓廠對接的布局布線等環節，就必須考慮到打通開源產品在不同的工藝節點上的應用。”王禮賓說。

“我們開源的EDA工具都可以很好地應用在芯片項目的早期驗證和院校教學當中，希望可以拋磚引玉推動資源整合優化，讓芯片設計者和EDA工具的研發人員都用上芯華章開源的EDA工具，這樣會很快形成一個新的技術生態圈，激發這兩類人群的創新活力，實現EDA技術壁壘和商業壁壘的突破，提高集成電路創新鏈整體效能。”

邸志雄說：“芯華章的數字驗證工具實現了國內從無到有的突破，其‘靈驗（EpicFV）’開源形式驗證EDA也是全球*款。驗證類型的工具銷售額占所有EDA工具銷售額的30%左右，需求量大且市場價值高。”

雷鋒網了解到，芯華章的EpicSim工具已經被商業芯片設計公司采用，并且在實際設計中也達到了仿真速度提升兩倍的目標。

“堅持開源這條路，肯定是EDA國產化一個非常好的途徑。”呂芃浩說。

除了開源，AI和云計算等前沿技術也能幫助國產EDA換道超車。王禮賓認為：“國外EDA巨頭已經發展了幾十年，如果用傳統的方法和架構，想要追趕巨頭肯定需要很多年。但新技術和新架構可以讓我們不必采用以前的方法，在一個新的起跑線上出發，開發出更先進的EDA工具。”

比如芯華章使用到的LLVM技術，傳統的EDA工具只支持x86架構服務器，如果要應用到ARM或RISC-V架構的服務器，就需要花費大量時間進行移植。采用LLVM架構，從一開始就能很容易支持不同架構，可以省去后期的移植，實現換道超車。

至于AI技術的作用，邸志雄認為，AI不能從根本上推動EDA工具的發展，但可以看作一個類似預測的黑盒，解決一些較為復雜的問題。

呂芃浩的觀點是，全球都在研究AI技術與EDA技術結合，國內的AI技術全球*，這種優勢在一定程度上有助于我們加快追趕步伐。還有不可忽略的云技術，隨著云計算的發展，云上設計芯片能夠減少芯片設計流程中耗時較多的芯片設計驗證時間。

4、小結

EDA技術作為產業鏈的源頭，必須進行革新，產業鏈才能夠得到整體效率的提升。2021年是“十四五規劃”的開局之年，*明確指出需要在集成電路設計工具上進行突破。

在EDA國產化率不高、巨頭有強大的技術和商業壁壘的情況下，開源是國產EDA換道超車的好路徑，十四五綱要也將開源技術上升到*層面。芯華章率先在國內上線開源社區，并免費開源兩款數字驗證EDA工具，對于降低EDA行業的門檻、培養人才以及加速創新都有積極作用。

開源、AI、云計算前沿技術的突破，讓中國EDA行業迎來了百年一遇換道超車的好機會。呂芃浩預期，按照現在的進度、趨勢以及市場信息，加上*資金和政策的支持，國產EDA在5年內基本實現全流程應該沒有問題。

打破EDA巨頭的壁壘挑戰重重，但我們有理由保持樂觀。

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