芯片设计之母！打破美国三巨头垄断的EDA国产化之路

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文/张毅

EDA是什么？EDA是芯片之母，是芯片设计中最上游、最高端的产业。TMT产业发展焦点的5G芯片、AI芯片，也是着眼于芯片设计，而芯片设计则离不开设计软件EDA，EDA可以说是芯片产业链中的"任督二脉"。

断供的EDA工具

芯片禁令下，华为芯片"断供"危机引发不少国人的关注，尤其是去年五月，美国商务部对华为芯片产业的限制全面升级，涵盖芯片设计的上游软件、芯片制造的上游设备以及当前最主要的有台积电代工生产的7nm的芯片制造，进而对华为芯片产业链所有环节进行了一次定点式精准打击。

而在芯片设计环节，首当其冲的就是上游EDA软件，虽然华为可以设计芯片，但是IC设计的高端软件EDA工具仍然基本上由Cadence、Synopsys、Mentor三家美国公司垄断，而在中国市场，这三家EDA软件公司更是占据了95%的市场份额。

美国这三大EDA厂商与华为的合作已经先后终止。这意味着，华为自那以后再没有获得新工具和新升级服务，但是可以继续使用华为已经购买和获得授权的EDA工具。也就是说，目前华为海思还可以采用老版本EDA做IC设计。

众所周知，华为芯片模式属于Fabless（无晶圆制造设计）类别，该类芯片企业只负责芯片的电路设计与销售，其他的生产、测试、封装等环节都是外包的。

这样的芯片企业处于芯片供应链中游，对产业上下游需求较大，比如上游的EDA软件、下游的芯片制程等方面。

图/华为官方微博

短期看，华为拥有这几家龙头EDA厂商的长期软件授权，大量设计足以在本地软件上完成，当长期看，更新暂停面临的挑战是在开始一项全新的设计时，上亿的晶体管不可能重新画，需要在线download库。

从这里看，也就不难理解，随着美国芯片禁令的升级，网上会有一个说法，那就是美国一旦禁止了EDA软件，就真正卡住了华为芯片的命门！

芯片设计之母

如果把芯片制造比作建造一座大厦的话，IC设计就是大厦的设计图纸，EDA软件就是这张图纸的设计工具，只不过EDA软件比建筑设计软件的复杂度要高出N个数量级。

EDA是电子设计自动化（Electronics Design Automation）的简称，是在电子CAD技术基础上发展起来的计算机辅助设计软件系统，融合了应用电子技术、计算机技术、信息处理及智能化技术的最新成果，进行电子产品的自动设计。

利用EDA工具，电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程，在计算机上自动处理完成。EDA技术可以广泛应用于电子、通信、航空航天、机械等多个领域。

图/概伦电子IPO招股说明书

随着芯片工艺要求的提升，制造难度越加复杂，一块芯片的设计需要经过大量的精密且精确的计算。而人工设计耗时耗力准确性不高的特点逐渐显现出来，EDA电子设计自动化便应运而生，它可以辅助设计者进行物理设计和功能设计，大量节约人力与时间成本，提高设计效率。

EDA工具的发展创新能很好地平抑芯片设计成本，提高芯片设计效率。EDA 工具的技术进步和应用推广，能够推动芯片设计成本保持在合理范围。据UCSD教授Andrew的推测，2011 年一款消费级应用处理器芯片的设计成本约 4000 万美元，如果不考虑 1993-2009 年 EDA 技术进步，相关设计成本可能高达 77 亿美元，EDA 让设计成本降低近 200 倍。同时，可重复使用的平台模块、异构并行处理器的应用、基于先进封装集成技术的芯粒技术等驱动设计效率不断提升，缩短设计周期，减少设计偏差，提高流片成功率。

图/华大九天IPO招股说明书，赛迪智库

然而，虽然EDA 是集成电路产业甚至是数字经济的上游关键技术支撑，但它在整个集成电路生态中属于"小而强"的存在。

图/华大九天IPO招股说明书

2020 年全球 EDA 市场规模虽仅超过 70 亿美元，却支撑起 4000 亿美元的集成电路产业， 支撑着数十万亿规模的数字经济。一旦 EDA 出现问题，包括集成电路设计在内的全球集成电路产业必将受到重大影响，由 EDA 工具、集成电路、电子系统、数字经济等构成的倒金字塔产业链结构稳定将面临严峻挑战。

三大寡头垄断的全球EDA市场

全球EDA市场呈现寡头垄断的局面，根据赛迪数据显示，2019年中国EDA市场规模约为5.8亿美元，仅占全球市场的5.6%。中国EDA厂商总营收不到4.2亿元，规模只占全球市场份额的0.6%；中国EDA国产化率约为10%。

而国际市场上，2019年全球EDA市场为102.5亿美元，EDA市场呈现寡头垄断的局面，主要由Synopsys，Cadence和Mentor三巨头瓜分，国内EDA市场超过85%的份额也由三大厂商占据。

2020 年，新思科技（Synopsys）、楷登电子（Cadence）与西门子 EDA（原 Mentor Graphics） 作为目前仅有的拥有设计全流程 EDA 工具解决方案的企业，集中了全球超 77%的 EDA 工具市场。其他企业缺少布局设计全流程工具技术的综合实力，在各自擅长的 领域开发面向特定流程或个别环节的工具瓜分剩余市场份额，Ansys 凭借热分析、压 电分析等优势点工具，Keysight EEsof 凭借电磁仿真、射频综合等优势点工具，获得 市场第四、第五的位置。

图/内圈至外圈分别为2018-2020年数据 数据来源：赛迪智库集成电路研究所

对于EDA这样一个在半导体上游领域拥有至关重要地位的领域，"卡脖子"的感觉是胃肠让人难受的。没有了美国的EDA，180nm/350nm以上的部分老工艺线可以用破解版或国产替代版继续做，但亚微米级130nm/90nm开始，就很难离得开EDA正版授权了，到了22nm工艺以下，没有美国的EDA可话可以说是寸步难行的。

图/华大九天IPO招股说明书

同时，芯片EDA工具软件与芯片代工厂具有高度的绑定关系，代工厂进行工业研发一般都会采用EDA软件厂商免费提供的IP库，随着基础IP的积累越来越多，直接导致代工厂发给客户的设计数据包PDK都采用了三大巨头的软件。

由于PDK更新非常频繁，尤其是新工艺，随着各种测试片的反馈会不断迭代，头部代工厂采用的都是最新版本的EDA软件，因此终端客户必须采用最新的EDA版本。特别是每一颗SOC必不可少的接口类IP，均被三大巨头所垄断。

因此，EDA软件的国产化替代势在必行！

砥砺前行的国产EDA企业

EDA设计软件危机其实并非第一次，早在20世纪80年代之前，巴黎统筹委员会对我国实施禁运，国外EDA无法进入中国，反而推动了我国EDA设计企业快速发展。

1988年开始启动国产EDA工具熊猫系统， 1993年中国第一个自研EDA系统"熊猫"面世，国内单位踊跃使用，短时间内熊猫EDA便在近20家设计公司投入使用，完成近200个芯片品种，当时中国与世界领先水平的差距并没有那么大，

1994年国外取消了对华禁运，因为依赖进口，EDA自主化进入沉寂期。

2008年，EDA软件再度起航，先后成立了华大九天、芯愿景等企业，并成立核高基EDA重大专项。

而到2019年，中国EDA厂商逐步获得了世界认可。但是目前，国产EDA市场份额仍然较低，但据中国半导体行业协会的数据，2019年中国大陆IC设计产业销售规模已经突破3,000亿元，IC设计企业数量已达到1,780家，中国大陆已经拥有了仅次于美国与中国台湾的世界第三大规模IC设计产业。

下游应用产业的高速发展，为国产EDA企业成长提供了广阔的空间。根据赛迪智库给出了具体的数据，2020年我国EDA行业市场规模达到66.2亿元，同比增长20％，成为全球EDA行业增速较快的区域市场。

图/华大九天IPO招股说明书

虽然海外EDA巨头在人才壁垒（强大的研发实力）、工艺壁垒（与先进工艺的结合）、产品壁垒（完备的产品线）等方面构筑了EDA产业壁垒，但本土EDA厂商已经在部分领域、部分环节，本土头部厂商已经初步形成了局部竞争优势，如概伦电子在SPICE建模领域，华大九天在模拟电路仿真领域都已具备一定优势，假以时日，国内本土EDA厂商一定能够实现从局部到核心的全面，从而让卡脖子成为过去！

写在最后：本土生态成破局关键

在当前的国际局势下，本土EDA厂商与本土Fabless、Foundry之间已经建立了紧密的相互扶持的关系。从长期的视角看，在支持中国本土半导体产业走向高端化的过程中，相信国内头部EDA厂商的技术与产品也将实现蜕变。

除了华大九天在面板领域的成功案例之外，近年来AI、5G、工业互联网、汽车电子等行业在国内快速发展，中国未来有望在这些领域成为"标准"制定的参与者，这些领域的兴旺也催生了很多尚未完全被海外EDA工具满足的需求，这些都将为国内EDA厂商带来新的机会。

EDA的"国产替代"不能跟芯片的国产替代相提并论，芯片的用户是系统厂，最好的系统厂都在中国，可以帮助设计公司快速迭代产品，市场容量也够大。但EDA的用户群，最好的设计和制造公司都在海外，真正卡脖子的工具需要被先进工艺和设计迭代，这个不是靠钱能解决的，同时本土市场规模相对小得多，几大领先EDA公司中国销售占比都只占其全球收入10%左右，比主流芯片厂商在中国的比例要小得多。

唯有本土整个EDA生态都成长起来，本土EDA企业才能拥有足够的成长空间！

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