EDA到底难在哪 华为实现国产EDA新突破

3月28日，华为官方账号在心声社区上传了一份总裁办签发的电子邮件，内容是华为轮值董事长徐直军在内部硬、软件工具誓师大会上的讲话全文。 在这场誓师大会上，最惹人瞩目的，或许就是华为宣布芯片设计EDA工具团队，联合国内EDA企业，基本实现了14nm以上EDA工具的国产化，2023年将完成对其的全面验证。 EDA全称Electronic Design Automation，意为电子设计自动化，是用于辅助完成超大规模集成电路芯片设计、制造、封装、测试整个流程的计算机软件，控制着整个芯片产业中游的设计与生产环节，被称为芯片之母。

华为在被美国列入实体清单后，被三大海外EDA巨头断供，此后就一直试图联合国内相关厂商，共同推动EDA的国产化。此次虽然并没有公布相关合作伙伴，但国内做EDA软件配套的厂商，比如已经在A股上市的华大九天、概伦电子、广立微，以及没上市的芯华章等，都随着这一消息进入了普通人的视线。

从被“巴黎统筹委员会”全面实施EDA软件技术禁运；到花费数年研发了自主国产的“熊猫系统”。从熊猫系统在商业竞争中被“免费”和“盗版”坑了个底掉，随着整个中国半导体产业陷入长达15年的沉寂；到中美科技竞争将芯片产业和EDA再次推上舆论的风口浪尖，华为等厂商开始集中力量攻关突围…… 我们尚不能得知华为合纵连横所构建的14nm以下国产EDA软件生态，究竟竞争力如何。但可以确定的是，中国EDA产业无疑正在进入新的篇章。在今天这个转折与突破的节点上，我们复盘了中国EDA产业国产替代中所遇到的种种困境。  

01 免费是最贵的学费

1994年2月的某一天，北京人民大会堂的主席台，被挂上了一条红色的标语：Cadence Come to China。

这是全球市占率第二的EDA巨头Cadence正式宣布进军中国市场，成立北京办事处的发布会现场。在一个中国乃至世界各国都在全面拥抱和迈入全球化的时间节点上，那一天的一切都显得那么昂扬向上而又充满希望。 直到许多年后，人们蓦然回望，才会恍然察觉到，那个春天在漫长的中国EDA产业竞争史里，成为了中国自主EDA系统被拉开差距，以至于逐渐从有到无的戏剧性节点。 和大众印象不一样，中国EDA产业的起步其实非常早，可以说黄金期几乎是和海外同步的，差不多集中在20世纪70年代末到90年代初。 在那之前，集成电路的设计是用手工做的，因为就那么些晶体管，完全可以用手一个一个画出来。但到了70年代末，随着制程的不断进步，一块板子上动辄就是几百个器件或单元，其设计和验证很快就非人力所及，EDA以“芯片之母”的姿态开始登上历史的舞台。 今天包办全球EDA产业市占率约80%的三大巨头，就分别建立于1981年（Mentor Graphics，后被西门子收购更名），1986年（Synopsys），1988年（Cadence）。中国自主研发的熊猫系统，也同样立项于这个阶段。

图片来源：华福证券 那个阶段的中国半导体产业，处在一个今天看上去多少有点熟悉的境地。硬件方面的技术落后，试图通过引进海外产线学习生产制造；软件方面被“巴黎统筹委员会”实施技术禁运，被EDA狠狠地卡了脖子，只能选择自主研发。 1986年国家正式启动了EDA的国产化工程，从全国 17 家单位调来了117学者和技术人员，聘请之前在美国专门从事EDA行业的连永军博士作为总设计师，还把时任四机部（就是后来的电子工业部）微电子局的负责人王阳元院士派去做了项目总负责人。 攻关人员集中712厂一个五层楼里，楼下是宿舍，楼上是办公室，王阳元经常给大家鼓劲：“两弹一星就是这么造出来的，项目做好以后，给你们每个人发个大大的纪念牌。”

四年后，系统通过了国家验收，被命名为“熊猫系统”。后来很多人将这个名字解释为“珍贵且稀有”。但在开发组里流传最广的说法，是攻关人员长期熬夜加班，黑眼圈都很重，才有了把三级系统改名叫“熊猫系统”的调侃和建议，没想到最后上级领导也批准了。 1993年，熊猫系统正式进入EDA市场。而1994年，巴统解散，相关技术禁运也不再生效。 你很难断言这究竟是不是历史的巧合，但此后国际巨头们选择的竞争策略，以及1996年瓦森纳协定继承巴统禁运清单后，却再也没有将EDA软件列入禁运名单的做法，却从另一个侧面证实了“熊猫系统”的市场竞争力。

中国第一个自研EDA“熊猫ICCAD系统”；图片来源：华西证券 在商业上，国际巨头们祭出的是一套组合拳，其核心简而言之就是两个字：免费。 一是在全链条上，对某几个环节的单个工具进行免费。 熊猫系统虽然具备了开发大规模集成电路的能力，但并没有实现整个开发流程的全覆盖。因此当时的国际巨头们，专门针对熊猫系统的强势环节提供免费工具，同时又在熊猫覆盖不到，或相对较薄弱的其他环节提高收费，来定向狙击当时国内的EDA软件企业。 二是在前序学术机构的覆盖上，进行无偿捐赠，提出共建实验室，来从高校开始培养整个行业的使用习惯，占领用户心智。 这个策略最典型的例子来自Synopsys，这家公司还没设立北京办事处之前，就先向清华大学捐赠了20套Design Compiler软件，按照当时的市价，这些软件的总价值超过500万美元。此后公司还跟清华成立了相关电子设计中心。 从客观上讲，这些企业的进驻，的确帮助中国EDA产业培养了许多人才。但从商业上来说，他们的目的毫无疑问是渗透进入产业人才供给链的上游，从源头把控未来市场竞争的格局。 熊猫系统在多重夹击下，被迫离开内地市场，转向中国香港、中国台湾，甚至一度远走美国。中国EDA产业在市场竞争中学到的第一课，就是“免费才是最贵的”。 但真正让中国EDA国产化陷入彻底沉寂，至今无法翻身的，却不仅仅是商业层面的打压。  

02 EDA到底难在哪

一直以来，我在聊起中国在软件领域被卡脖子的故事时，总会看到一种论调：软件根本没什么难度，这都能被卡脖子，一定是因为不重视。 但事实是，中国工业软件的配套跟不上发展，根源基本都在于高端制造业不够成熟，而非软件开发层面不够成熟。 EDA就是其中最典型的案例。这个行业最初的大规模商业化，可以追溯到晶圆代工厂的崛起，那之后半导体产业链的设计与制造逐渐相互独立，EDA软件作为其中的桥梁，和另外二者构成了一个相当稳定的铁三角。

图片来源：申港证券 这是EDA软件竞争中的第一层壁垒：头部EDA合作头部Fabless和头部Foundry，形成了极其稳定的生态联盟。 最先进的晶圆代工厂提供最先进的PDK，其中包括了设计规则文件、电学规则文件、版图层次定义文件、SPICE仿真模型、器件版图和器件定制参数等等。这些参数都是相当重要的制造工艺参数。 而最先进的头部EDA厂商，则会在各大头部设计公司的帮助下，提供最先进全面的IP工具包，提供各类预设计电路，大幅提升各类复杂芯片的设计效率。 头部厂商们在过去三十年里积累了大量的合作经验和相关IP，形成了极其稳定，且联系相当密切的生态联盟。Cadence和Synopsys这些厂商有大量工具包，几乎是每周都在根据代工厂实时反馈的数据而进行更新的，甚至比你的手机App更新得都勤快。

EDA有极强的杠杆效应，是数字经济的基石，处于整个芯片行业的价值链上游 图片来源：华福证券研究所 EDA软件竞争中的第二个壁垒，是全流程协作。 按照设计对象的不同，可将EDA工具分为模拟设计类、数字设计类、晶圆制造类、封装类、系统类五大类，它覆盖了芯片产业从设计到制造的全部流程。 举个例子，就连在***的领域，Synopsys都为阿斯麦开发了专用的镜头校准软件，来帮助光刻的过程能够更加精准无误。EDA厂商们不仅支持下游的晶圆厂进行制造，甚至也在支持上游的设备厂商，这在别的领域是相当少见的。 如果把EDA企业分为三个梯队，第一梯队的三巨头，最大特点就是产品可以完整覆盖芯片产业的所有环节，同时还在某些点工具上具有极强的竞争力。

EDA 全球产业格局；图片来源：中信证券 三大巨头们通过和晶圆厂长期密切的合作，以及完整的全链条覆盖，沉淀下来了天量级别的制造数据，构建起了强大的仿真能力，能够极大地提高设计效率、降低设计和制造成本。 举个例子，芯片设计完是要流片的，而流片的成本相当高昂，制程越先进，芯片结构就越复杂，流片就要付出越多的真金白银。因此所有厂商都希望能够一次就流片成功，否则就有巨额资金要打水漂。这就要求EDA最好能在软件端通过算法完成对现实生产情况的精准模拟，来帮助芯片厂商降低实际流片环节的次数和成本。 根据加州大学圣迭戈分校Andrew Kahng教授在测算，如果不考虑1993年至2009年的EDA技术进步，在2011年左右设计一款消费级应用处理器芯片高达77亿美元，而真正在2011年设计一款类似芯片的成本，其实只需要大约4000万美元。这意味着EDA技术的进步，让设计效率提升了近200倍，成本得到了极大的优化。

简而言之，EDA表面上只是一套芯片设计工具，但事实上沉淀了整个半导体产业中几乎所有的核心技术问题，以及相应的解决方案。一个好的EDA软件，给芯片产业带来的将是巨大的成本和效率提升。 但反过来，如果整个半导体产业都还不够先进发达，EDA厂商想要单从软件层面突破巨头之间的生态联盟，也是一种空中楼阁式的愿景。  

03 刚刚开始的征程

华为在3月底宣布基本实现了14nm以上EDA工具的国产化，是一个相当振奋人心的消息。但要说局面已经彻底乐观了起来，显然是不客观的。 因为14nm是中国半导体产业目前真正的分水岭，在14nm以上的成熟制程，我们已经有了相对完整和已经逐渐成熟起来的配套产业链和供应链。联合产业链上各个环节的企业进行EDA的共同开发，即使艰难，但不是不可逾越。 但在14nm以下，7nm、5nm，甚至3nm等更为先进的制程领域，中国半导体产业本身就还有很长的路要走。对于华为也好，或者对于中国其他的EDA厂商来说，突破了14nm制程工具的国产化，其实也只是刚刚开始了这场追赶国际先进水平的长征。 许多媒体渲染的“麒麟芯片回归在即”，多少有点过度拔高。这对于脚踏实地埋头攻坚的整个中国芯片产业来说，都不是什么好事。 根据华经产业研究院预测，2022年全球EDA行业市场规模将达到136.4亿美元，Synopsys、Cadence和Siemens EDA三大巨头基本实现了垄断，2016-2020年的CR3分别是63.59%，63.59%，64.10%，64.54%，和69.54%，行业的集中度极高，且还有继续提升的趋势。

图片来源：华福证券 如此之高的集中度，其背后是产业发展过程中大量的并购整合。 在过去30年中，EDA行业合计并购次数达到近300次，年并购次数最高达20次左右。Synopsys历史上进行的同行业并购高达90次，Cadence的并购次数也有62次，Siemens EDA干脆就是西门子并购了Mentor Graphics整合而成的公司。 除了出色的研发能力，极高的研发人员占比和研发投入之外，三大巨头的全链条覆盖，最终是由大量对优秀EDA点工具厂商的并购完成的。 Cadence于1989年收购Verilog，成功解决了复杂度带来的芯片性能验证问题；2001年收购Silicon Perspective，将1C布局工具和S1分析工具收入囊中，为下一代布局布线做足了技术储备；2002年收购了1BM硬件仿真业务，真正占领硬件仿真高地，一度成为行业霸主。 而Synopsys在2002年以8.3亿美元收购Avanti，让公司成为了EDA历史上第一家可以提供顶级前后端完整1C设计方案的领先EDA工具商，几次关键并购后完成了对Cadence的超越。

资料来源：36氪，各公司官网，华福证券研究所 中国目前的EDA产业进程，刚刚好就在一个巨头尚未长成，但小型创新公司层出不穷的阶段。 根据中国半导体行业协会数据，2020年中国EDA工具总销售额为93.1亿元（yoy +28%），2018-2020 年CAGR为17.6%，是全球增速最快的地区，其预计2025年国内EDA市场规模将达到185亿元，对应2020-2025年复合增速达14.7%。 观研天下《2021年中国EDA市场分析报告-产业规模现状与发展前景预测》统计，截至2020年，我国本土的EDA企业数量是28家。同时在2020年国务院发布了《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》之后，首次将EDA纳入了国家集成电路产业政策，使得民间EDA创业公司的活跃度进一步上升，本土EDA企业的数量迅速增长到了近50家。 在所有国产EDA厂商中，最有可能完成产业整合成为巨头企业的，是已经在去年于A股上市的华大九天。这家公司的前身是中国华大集成电路设计集团的EDA部门，再向前追溯，公司管理层有许多人都来自于当年熊猫系统的那个研发团队，其背后的股东也都是国中创投、中国电子、国家集成电路产业投资基金这样的国家队。 2018-2021年间，这家公司的年均复合增长率为56.52%，2021年公司实现归母净利润1.39亿元，同比增长了34.52%。在它的客户列表里，排名第一位的，是一个代称：K1。

华大九天从来没有公布过K1是谁。但在华为宣布联合国内其他企业，基本实现了14nm以上EDA工具的国产化时，华大九天有投资者在互动平台上提问：是你吗？  

04 结语

2022年8月13日，美国商务部工业和安全局（BIS）发布的禁令，直接限制的是GAAFET（环绕栅极场效应晶体管）结构的集成电路所必需的EDA/ECAD软件。相比起被列入实体清单的华为，这个禁令所打击的是整个中国半导体产业。 三星和台积电在进行3nm芯片研发的过程中，发现前一代制造工艺FinFET已经遇到了极限，随后开始转向GAAFET技术，实现技术架构上的转型。这个晶体管结构被认为是批量生产3nm及以下半导体制程工艺的关键技术，卡住这个领域的EDA技术，美国要断绝是中国半导体产业走向高端化的路。 而一旦中国企业未来实现了阶段性的突破和国产替代，研发出了属于我们自己的EDA软件，对方也很可能会直接放开禁运措施，试图让“熊猫系统”曾经所面临的局面重演。 直到今天，中国各大高校在教学时所使用的依然是三大巨头的套装软件。 海外工业软件巨头们，一方面在民间放任盗版来养成用户习惯，甚至是提供免费正版给高校用于教学；另一方面在真正适配企业端的正版软件中，保持着极高的更新频率，并对盗版重拳出击，从而保证自身绝对的技术竞争力与商业利益。 中国国产EDA厂商们要突破种种困难与封锁，在商业竞争中存活并崛起，要依靠的是整个中国高端制造业，甚至是商业、金融业的整体环境生态。我更希望有一天，这些企业能够足够好用，足够全面，可以进入高校教育机构和相关专业机构，与这些国际巨头们进行真正的竞争。 就像徐直军在誓师大会上所说的那样，雄关漫道真如铁，而今迈步从头越，中国人其实从未惧怕过在前进的路上遇到乌江天险。

编辑：黄飞