中國EDA新浪潮的黃金二十年

2002年，已在芯片業(yè)浸潤多時的謝仲輝回到上海。他早年求學于臺大，參與了新加坡政府一力扶持的特許半導體工廠的建立與運營。隨著身邊的同事逐漸回流大陸，他意識到國內(nèi)的芯片工業(yè)正在飛速發(fā)展，急需富有經(jīng)驗的人才為國效力。于是，他選擇了參加國家“909工程”的華虹。

挑戰(zhàn)是顯而易見的：相比于國外的大客戶，國內(nèi)的芯片設計公司普遍弱小，一個月的訂單量不過幾十片、甚至更少，而芯片制造的前期流片投入?yún)s一點都不能少。光是一套掩模版就是幾十萬美金，讓諸多設計從業(yè)者望而卻步。

為了降低客戶的前期投入，謝仲輝和他的團隊想到了一個辦法——多個客戶共享一套一套掩模版，由此可以大幅縮減芯片設計業(yè)的起始投入。在謝仲輝等人的努力下，華虹在國內(nèi)申請了相應的專利，實際上自身承擔了部分成本以培育國內(nèi)的芯片設計生態(tài)。當年很多弱小的芯片設計企業(yè)從回本起步，逐漸擴大在華虹的投片量，最終成長為參天大樹。

二十年后，謝仲輝加入了一家致力于用人工智能和云服務賦能芯片設計業(yè)的新興EDA企業(yè)——芯華章。實際上，隨著國內(nèi)芯片設計產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，許多芯片老兵的職業(yè)生涯正在經(jīng)歷相似的轉(zhuǎn)變。

EDA，是一種為設計芯片出圖紙的電子自動化工具。大陸早在上個世紀九十年代推出適用于模擬芯片的熊貓EDA，但因不能適應數(shù)字芯片潮流而成為一個較小的分支?？偟膩碚f，自世紀之初始，中國EDA在國內(nèi)產(chǎn)業(yè)界的存在微乎其微。

但時移勢易，經(jīng)歷二十多年的發(fā)展，中國EDA卻呈現(xiàn)出一個遵循市場化原則、結(jié)構(gòu)較為均衡、甚至在一些領域略有領先的態(tài)勢。

那么，中國EDA行業(yè)目前的這種狀況是如何形成的？本文基于中國EDA產(chǎn)業(yè)的三個階段進行了梳理：

1. 2000～2010：EDA商業(yè)模式奠基；

2. 2010～2020：痛點創(chuàng)新的競與合；

3. 2020～：大挑戰(zhàn)與新機遇

01

EDA商業(yè)模式奠基

EDA商業(yè)模式的成立要追溯到晶圓代工業(yè)的崛起。上個世紀90年代，臺積電作為專業(yè)晶圓代工廠，將目光聚焦在制造，服務于大量芯片設計客戶。這一商業(yè)模式需要簡便高效的設計工具作為配套，使中小客戶不必依附于大公司內(nèi)部的設計工具，就可以順利地設計芯片。

隨著晶圓代工業(yè)逐漸成型，大量純粹的設計公司（fabless）如雨后春筍般出現(xiàn)，作為晶圓代工業(yè)與設計業(yè)的關鍵橋梁，EDA產(chǎn)業(yè)成熟了。之后，EDA行業(yè)在經(jīng)歷了連續(xù)多年高強度的并購后，新思、楷登兩巨頭脫穎而出，在各環(huán)節(jié)形成了一個連貫的商業(yè)布局：

晶圓廠端，為其提供完整的PDK工藝套件，作為設計客戶的標準參考，大大降低制造端的壓力；設計端，為其提供DDR、USB等廣泛應用的關鍵接口IP，節(jié)省芯片設計中自研此類IP的時間和精力；甚至在光刻機端，新思為阿斯麥開發(fā)了專用的鏡頭校準軟件，以使光刻過程精確無誤。

憑借在芯片產(chǎn)業(yè)鏈上下游的深入布局，EDA成為整個芯片產(chǎn)業(yè)的“關鍵先生”。隨著數(shù)字芯片的晶體管數(shù)量飛速增長，設計出錯的成本指數(shù)式增加，越來越多的設計客戶養(yǎng)成了支付正版EDA費用的習慣。

于是，EDA產(chǎn)業(yè)形成了一個很好的商業(yè)模式：一方面維持著龐大精良的研發(fā)隊伍以開發(fā)優(yōu)秀的產(chǎn)品，一方面維持著完善的銷售和技術支持隊伍以緊密服務客戶。美股EDA巨頭財報中的銷售費用，大部分是工程師差旅期間對客戶進行技術支持產(chǎn)生的支出。

簡而言之，創(chuàng)新的技術價值和高人力資本的服務價值，成為EDA商業(yè)模式的核心。

到了2010年左右，EDA的行業(yè)格局基本穩(wěn)定，EDA巨頭在美股開始了十年長牛之路。隨著時間的推移，中國市場成為EDA行業(yè)增長的巨大驅(qū)動力。也正是從2010年開始，一些本土EDA玩家注意到市場中未被充分滿足的機遇，開始了自己的創(chuàng)新之路。

02

痛點創(chuàng)新的競與合

EDA市場的痛點集中在兩端：

在制造端，晶圓廠需要PDK工藝套件提供給設計客戶，自身在制造過程中也有提升芯片良率的需求，一個晶圓廠自己做這些事是不劃算的，不如委托給那些承接了諸多晶圓廠業(yè)務的第三方EDA廠商，隨著時間的推移，三星、中芯國際等晶圓代工廠逐漸崛起，他們要與臺積電競爭，必須補上EDA這一課；

在設計端，芯片設計業(yè)快速變化，總會在特定環(huán)節(jié)演變出新的需求，因而除了EDA巨頭的全流程工具，對于能深刻解決某個環(huán)節(jié)痛點的點工具存在剛需，這為創(chuàng)業(yè)公司提供了創(chuàng)新的空間；同時，隨著新的應用場景與下游產(chǎn)品的出現(xiàn)，會有一些IP固化下來成為芯片設計的高頻剛需品。

圍繞制造端與設計端的痛點，2010年左右，大陸的創(chuàng)業(yè)者開始了在EDA領域的新一輪創(chuàng)業(yè)。

在制造端，概倫選擇了存儲芯片廠作為突破口。存儲芯片的市場格局大大不同于數(shù)字芯片，三星、SK和美光占據(jù)了大部分市場，從設計到制造都是一體的，因而用戶的感知非常迅速，反饋及時，銷售對象也自然非常明確。2010年成立后，概倫從器件建模和良率提升入手，拓展到仿真、測試等環(huán)節(jié)，對存儲大廠提供更多的產(chǎn)品和服務。反映在財報上，概倫的收入結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)制造類EDA為主、大存儲客戶為主的特點。

在設計端，芯和選擇了仿真作為突破口。在芯片設計的各個環(huán)節(jié)中，電路版圖和邏輯綜合是芯片設計業(yè)歷史最為悠久、工程師日常使用接觸最多、EDA行業(yè)最先切入的，也是享有先發(fā)優(yōu)勢的EDA巨頭的一貫強項。一上來就期望改變用戶根深蒂固的設計習慣、切全流程是不切實際的，但是，仿真作為模擬、預測芯片實際運行狀況的環(huán)節(jié)，在芯片設計流程中復雜多變而又耗時，即便是初創(chuàng)公司開發(fā)的點工具，只要有鮮明的差異化特色也能順利切入。

正是從仿真這樣一個“利基市場”出發(fā)，芯和逐漸形成了自己的打法：依托多種自主創(chuàng)新的電磁、電路仿真技術，實現(xiàn)那些未被充分滿足的痛點需求，開發(fā)出一個個好用的點工具，逐漸形成一個比較全面的涵蓋了從芯片、封裝到系統(tǒng)的面工具。在芯片設計的特定關鍵環(huán)節(jié)站穩(wěn)腳跟后，對于主打全流程的EDA巨頭和大型晶圓代工廠，便形成了特殊的不可替代的價值。因此，在其他本土EDA廠商同業(yè)合作偏少的時候，芯和與新思、楷登兩大EDA巨頭都達成了深入的合作。

2021年下半年，芯和與新思聯(lián)合推出了全球首款3DIC先進封裝設計分析全流程EDA平臺。傳統(tǒng)的從前端架構(gòu)探索、后端物理實現(xiàn)、最后做分析驗證的單芯片線性設計流程，已經(jīng)無法滿足后摩爾時代異構(gòu)集成先進封裝設計的要求，而需要在設計的每一個階段，都要綜合考慮芯片與封裝的聯(lián)合效應，并做出及時的仿真分析，提升設計迭代的效率。芯和的全流程EDA平臺充分釋放了其多年來在芯片、封裝到系統(tǒng)的仿真領域積累的能力，成為在這條新賽道上具備先發(fā)優(yōu)勢的國產(chǎn)EDA廠商。

在設計端，珠海芯動選擇了接口IP。中芯國際等國內(nèi)晶圓代工廠起步之初，IP生態(tài)是缺乏的，國內(nèi)設計客戶也普遍囊中羞澀。IP中國化，即為設計客戶提供價格更低、與國內(nèi)晶圓廠對接、表現(xiàn)可靠的IP，可以滿足相當數(shù)量的中小客戶的需求。珠海芯動從IP業(yè)務出發(fā)，也為經(jīng)驗不足的設計客戶提供芯片定制服務。

頗為有趣的是，本土EDA企業(yè)在發(fā)展一段時間后，有向芯片設計下游拓展的趨勢，也就是直接下場自己設計芯片，而不滿足于只充當一個EDA工具商的角色。

芯和在射頻芯片、尤其是在IPD濾波器領域表現(xiàn)出色，打入了手機和射頻模組供應鏈，濾波器總出貨量在今年一月份累計出貨突破10億顆；芯動的廣東風格非常鮮明，先后做出了礦機芯片和GPU芯片，打法犀利。

究其原因，本土EDA企業(yè)進軍芯片設計，在于他們對EDA工具和IP非常熟悉后，自然而然也就具備了設計芯片的能力。對于擅長仿真的芯和來說，射頻芯片的信號是非線性的，仿真能力是關鍵；對于擅長接口IP的珠海芯動來說，礦機和GPU芯片，有自研IP可以相當程度上降低設計成本。除此之外，本土EDA廠商自己下場設計芯片，也能向主業(yè)部門提供更直接的反饋。

03

大挑戰(zhàn)與新機遇

2020年左右，隨著人工智能、云服務的興起，同時大量的系統(tǒng)公司和新的大芯片玩家進入市場，中國EDA行業(yè)有了新的機遇。

簡單來說，EDA的進步速度并沒有趕上芯片復雜度與參與者的急劇增加。

在芯片復雜度層面，僅以前端綜合為例：從前設計規(guī)模不大時，綜合一個模塊只需要幾小時，現(xiàn)在的模塊規(guī)模已是從前的上萬倍，但設計效率僅僅改善了不到百倍。如果選擇5/7nm，至少需要3～5天才能完成。

在參與者層面，越來越多的復雜系統(tǒng)公司，如手機與汽車公司涉足芯片設計業(yè)。僅以汽車芯片為例，其不只要求功能正確，還要可靠性高、性能高、信息保護好。

那么，如何讓數(shù)量眾多的芯片設計新手快速上手復雜芯片？這成為EDA行業(yè)面臨的重大挑戰(zhàn)，也自然成為新興EDA參與者的全新機遇。

但是，要想抓住這一機遇，新興EDA參與者面臨三點困難：

可靠一致。正如人們駕駛老牌的德國車會自然覺得安全，開新車就會感到不安。對于后發(fā)的EDA企業(yè)而言，首先要保證客戶使用工具得到的結(jié)果和老牌企業(yè)是一致的、正確的，這是對EDA工具的最低要求。

使用體驗。其實就是是否“好用”，即容不容易上手、能否提升開發(fā)效率。不同客戶在前、后端的需求各有不同，新興EDA企業(yè)除提供多樣化的解決方案外，還需派對應駐場工程師提供配套的技術支持服務，幫助客戶及時解決專業(yè)問題。

快速反饋。這是新興EDA企業(yè)要在競爭中勝出的關鍵問題。沒有國內(nèi)大芯片客戶的高度信任與及時反饋，新興EDA企業(yè)在產(chǎn)品打磨和迭代優(yōu)化的過程中便居于明顯劣勢。

應該怎么解決上述問題？成立于2020年的新興EDA企業(yè)——芯華章，在每一個難題上分別給出了對應的解決方案。

在可靠一致上，沒有什么捷徑可以走，就是投入研發(fā)。以穹鼎GalaxSim數(shù)字仿真器產(chǎn)品為例，芯華章在人機界面、調(diào)試、調(diào)度器、約束器等多個功能模塊安排了上百人參與，并由具備二三十年研發(fā)經(jīng)驗的行業(yè)老兵帶隊，去保證達到與主流工具一樣的可靠性。

在使用體驗上，芯片設計業(yè)界受困于割裂的生態(tài)。從業(yè)者在芯片設計不同的流程中，會遇到不同的數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和語言，也會遇到第三方算法引擎不支持交互與共享。于是，即便是用一家公司下屬的EDA產(chǎn)品，客戶在使用時得出的結(jié)果無法相通。以數(shù)字驗證為例，激勵移植、重復編譯、碎片化調(diào)試所浪費的時間占到總體驗證時間的30%以上。

新興EDA企業(yè)的天然優(yōu)勢，就是沒有歷史包袱的限制。

芯華章通過三步走快速提升其產(chǎn)品的使用體驗：

一，內(nèi)外打通。自己開發(fā)工具，當然數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)要保持統(tǒng)一，對外部廠商也開放API接口，打通了數(shù)據(jù)、API接口和CPU平臺，EDA工具之間不再割裂，透過工具和數(shù)據(jù)之間的交互、融合，基礎體驗首先會上來。

二，優(yōu)化體驗。透過融合原生云、智能生成場景的PSS標準等新的技術，一方面透過新的基于場景的智能驗證方法學，提高效率，另一方面打通桌面端、云端等不同的計算平臺，使從業(yè)者不再受限于固定的計算平臺和有限的計算資源，可以更為便利地進行驗證；用新的軟件框架，讓工具能夠在x86、ARM等不同CPU架構(gòu)上快速做適配移植，而不用客戶手寫測試激勵，大大提高了工作的效率。

三，提升性能。要做到這一點，需要在EDA工具的底層設計上動心思。適用于芯片驗證的傳統(tǒng)邏輯仿真方法，多是在系統(tǒng)中排列組合所有可能性，然后看對不對，但可能性一旦多了，或者發(fā)生突發(fā)事件，就有一些選項容易遺漏。芯華章的穹瀚GalaxFV采用形式驗證方法，用數(shù)學建模告訴驗證人員哪些一定是錯的，如此便能做到驗證的完備和準確。

也因為采用了更好的算法，EDA產(chǎn)品對于CPU和內(nèi)存資源的消耗是更少的，也就不那么吃計算平臺。好比在《頭文字D》中，周杰倫雖然駕駛著殘舊的AE86，性能和馬力（CPU和內(nèi)存）沒那么大，但因為他駕駛技術（算法）好，也能在秋名山上漂移地出神入化，甩開強大的對手。最后，新興EDA企業(yè)要做大做強，快速反饋極為重要。這個關鍵的問題其實包含了三個重要的維度：

一，客戶是否有水平。芯華章的幾個典型合作伙伴——展銳、中興、天數(shù)智芯等，都是國內(nèi)數(shù)一數(shù)二的芯片業(yè)老兵，他們有經(jīng)驗，有水平，就能對新興EDA企業(yè)提出高質(zhì)量的產(chǎn)品需求，幫助其快速打磨、優(yōu)化。

二，客戶認不認。越是見多識廣的客戶，提出的問題也越刁鉆。因而，客戶是否認可EDA企業(yè)的研發(fā)和支持團隊，決定了雙方合作能否達成。芯華章的團隊之前服務過國內(nèi)眾多高規(guī)格的芯片公司，積累了相當?shù)目蛻艚?jīng)驗，在“看人下菜”的芯片行業(yè)，這是一個很重要的競爭力。

三，怎么服務客戶。新興EDA企業(yè)產(chǎn)品線當然沒那么齊全，但在大芯片設計市場爆發(fā)的時點，也一定要先把客戶聚攏過來。芯華章在與燧原合作時產(chǎn)品尚未開發(fā)完成，但團隊有AI高性能處理芯片方面的驗證經(jīng)驗，于是選擇為其提供專家級服務。這是基于行業(yè)洞察的一個絕佳競爭舉措。畢竟，EDA商業(yè)模式的根基里，有很大一部分是技術支持與客戶服務，歸根結(jié)底，就是客戶信任的積累。

除了芯華章，其他新興EDA公司也在其他領域嘗試。

芯行紀在芯片設計后端環(huán)節(jié)布局。通俗地來講，就是在芯片設計時，把工程代碼通過工具一步一步變成符合工廠流片的晶體管版圖。以往后端環(huán)節(jié)耗費人力工時較多，但隨著大芯片的晶體管數(shù)量達到百億級別，后端工具自動化和智能化的重要性急劇上升。

04

尾聲

不同于上個九十年代的“熊貓”EDA國家工程，中國EDA行業(yè)在過去十年的進步，是一個完全市場化的過程。中國EDA行業(yè)之所以能取得這么大的進步，離不開三點：

首先是全球晶圓制造業(yè)的開放。對于EDA和IP環(huán)節(jié)，三星、臺積電等晶圓廠持比較開放的態(tài)度。尤其是三星，其供應鏈體系接納了相當數(shù)量的本土廠商，這為中國EDA提供了市場機會。

然后是EDA行業(yè)巨頭在中國扎根，系統(tǒng)地培養(yǎng)了一批經(jīng)驗資深的數(shù)字芯片人才。把國內(nèi)EDA行業(yè)的新興企業(yè)列一下，就會發(fā)現(xiàn)大家的工作經(jīng)歷大同小異。

最后是本土芯片設計業(yè)突飛猛進，快速成長起來，市場內(nèi)生驅(qū)動了大量先進的需求。放在九十年代，純粹的設計公司在大陸市場尚不存在，但到了今天，大型系統(tǒng)公司飛速崛起，他們對于芯片設計的需求一上來就是最先進的。

當然，一個開放的中國市場，對于所有參與者而言都是平等的?？紤]到中國市場已經(jīng)誕生了相當數(shù)量的復雜系統(tǒng)公司，并且還在不斷增長中，中國的EDA新浪潮，一定會將本土芯片設計業(yè)推向一個新的高峰。