EDA的“卡脖子”问题,随着美国的新禁令又被重提。作为设计芯片出图纸的电子自动化工具,EDA是目前芯片行业不可或缺的关键环节。

纵观本土EDA产业变迁,似乎总是在逆境中才能获得突破的力量。

中国EDA行业目前的状况是如何形成的?三年前华为断供的阴影还历历在目,而此次又将激起国内EDA作出怎样的改变?本文基于中国EDA产业的发展进行梳理:

1. EDA商业模式奠基

2.国产初代EDA的困境

3.痛点创新的竞与合

4.中国EDA的两大支柱

01 EDA商业模式奠基

EDA商业模式的成立要追溯到晶圆代工业的崛起。上个世纪90年代,台积电作为专业晶圆代工厂,将目光聚焦在制造,服务于大量芯片设计客户。这一商业模式需要简便高效的设计工具作为配套,使中小客户不必依附于大公司内部的设计工具,就可以顺利地设计芯片。

随着晶圆代工业逐渐成型,大量纯粹的设计公司(fabless)如雨后春笋般出现,作为晶圆代工业与设计业的关键桥梁,EDA产业成熟了。

之后,EDA行业在经历了连续多年高强度的并购后,新思、楷登两巨头脱颖而出,在各环节形成了一个连贯的商业布局:

晶圆厂端,为其提供完整的PDK工艺套件,作为设计客户的标准参考,大大降低制造端的压力;设计端,为其提供DDR、USB等广泛应用的关键接口IP,节省芯片设计中自研此类IP的时间和精力;甚至在光刻机端,新思为阿斯麦开发了专用的镜头校准软件,以使光刻过程精确无误。

凭借在芯片产业链上下游的深入布局,EDA成为整个芯片产业的“关键先生”。随着数字芯片的晶体管数量飞速增长,设计出错的成本指数式增加,越来越多的设计客户养成了支付正版EDA费用的习惯。

于是,EDA产业形成了一个很好的商业模式:一方面维持着庞大精良的研发队伍以开发优秀的产品,一方面维持着完善的销售和技术支持队伍以紧密服务客户。美股EDA巨头财报中的销售费用,大部分是工程师差旅期间对客户进行技术支持产生的支出。

简而言之,创新的技术价值和高人力资本的服务价值,成为EDA商业模式的核心。

02 国产初代EDA的困境

上个世纪90年代初,在北京国营712厂一个年代久远的五楼,王阳元院士为正在埋头苦干的EDA攻坚小组加油打气:这是我们科技人员报效祖国的最好机遇!随后,王院士身边的助手拿出一包海参和肘子放在桌上,房间里响起了一片欢呼声。

EDA,电子设计自动化,一个最近频繁出现的名词,早在80年代引起了中国科技界的关注。

彼时,中央倾全国财力支持的华晶,从日本引进彩电模拟芯片生产线,EDA成为芯片设计掣肘的关键。这个新兴的细分行业,对于芯片产业来说发挥三个作用:出设计图纸、出施工图纸和施工过程辅助。

可以说,没有EDA,就只能用手去画一个又一个晶体管,人力的极限不过数百上千个,一旦过万,便已非人力所及。更不用说,现在一颗5nm的台积电芯片,包含上百亿个晶体管。

因此对华晶来说,EDA不可或缺,但巴统禁运阻碍了对这类软件的进口,无奈之下,国家只能自行研发。

EDA的国产化工程,从全国17个单位调来117名学者和技术人员,聘请之前专门从事EDA行业的海外博士作为总设计师。对EDA完全没有概念的年轻人孙坚,从C语言、数据库学到版图编辑,直到把自己学成了一个芯片通才。

经过长达四年的努力,1993年,中国第一个自研EDA面世。为了纪念研发人员长期熬夜形成的黑眼圈,这套国产EDA系统被命名为“熊猫系统”。熊猫一经出世,便将中国与世界水平拉至只有5年的差距,而且国内单位踊跃使用,短时间内,熊猫EDA被装至20家设计公司,完成近200个芯片品种。

证明熊猫系统获得巨大成功的,莫过于此前巴统对中国EDA的封禁解除了。熊猫出世不到一年,外国EDA公司纷纷来华。

然而,两大EDA巨头楷登和新思在中国建立根据地的时候,熊猫EDA却在国内待不下去了,远赴美国。

熊猫EDA在被发明出来后,再没有爹疼娘养,被抛给了国企华大集团。为了在美推广中国的EDA,熊猫的研发骨干孙坚被派往美国负责海外销售。在每一次通话前,孙坚都要把准备说的话写下来,然后照着念,以免自己的嘴皮子不利索影响拓展客户。长期坚持下,在世纪之初,国产EDA已在国外卖了不少客户。

但是,一个本土诞生的EDA,为什么抛开国内市场不搞,偏偏要跑到美国?答案是,国内当时的市场环境,容不下一个正版的国产EDA。

国内的芯片设计产业,在起步之初完全处于一个逆向工程的阶段,通俗来说就是抄别人的芯片,这也就不需要用来正向设计的EDA工具;同时,盗版EDA已经可以满足大部分低端需求;最后,那些仅存的中高端的付费用户,当然要用就用好的外国EDA。

这样一来,国内市场实际上反倒没有国内正版EDA的事。

而这种尴尬局面的根源,在于本土晶圆制造与EDA的脱节。熊猫EDA为配套华晶而生,但是华晶在908工程遭遇重大挫折,之后的909工程和中芯国际在工艺制程上穷追猛打,自然要用最先进的EDA。

如此,本土EDA还没有大规模销售,也不知道性能如何,就要面临下一次工艺进步所带来的激烈竞争,久而久之,陷入恶性循环。

也就是说,中国的芯片业从来是一个松耦合的局面:从晶圆代工、芯片设计再到封测,无不如此,这种上下游结合的疏松体制,导致每个环节都是各自目标最大化,国产EDA作为全局中最落后腿的那一个,自然不受待见。但是,发达的产业环境孕育出来的两大EDA巨头,往下满足用户需求却是轻而易举的事情。

于是,国产EDA行业天然处在了一个困境里面:

生态孱弱,占据赛道很小,熊猫EDA当时匹配华晶,局限于模拟芯片,门类太少,无法补齐,溢价能力弱;增值服务几乎没有,IP是EDA产业的自然外延,会加深设计客户对于EDA公司的依赖,但本土EDA厂商极其缺乏,因为与晶圆代工厂是松耦合;正因为生态孱弱,增值服务几乎没有,本土EDA无法获得客户青睐,没有正向循环的积累,追赶仍然乏力。

在美国频频断供的背景下,EDA已经关乎到产业安全。虽然我国的EDA早在九几年实现了突破,今天依然被卡脖子。这个行业的问题出在know-how上,而这个东西又不是天上掉下来的。那么,该怎么办?

03 痛点创新的竞与合

EDA市场的痛点集中在两端:

在制造端,晶圆厂需要PDK工艺套件提供给设计客户,自身在制造过程中也有提升芯片良率的需求,一个晶圆厂自己做这些事是不划算的,不如委托给那些承接了诸多晶圆厂业务的第三方EDA厂商,随着时间的推移,三星、中芯国际等晶圆代工厂逐渐崛起,他们要与台积电竞争,必须补上EDA这一课;

在设计端,芯片设计业快速变化,总会在特定环节演变出新的需求,因而除了EDA巨头的全流程工具,对于能深刻解决某个环节痛点的点工具存在刚需,这为创业公司提供了创新的空间;同时,随着新的应用场景与下游产品的出现,会有一些IP固化下来成为芯片设计的高频刚需品。

围绕制造端与设计端的痛点,2010年左右,大陆的创业者开始了在EDA领域的新一轮创业。

在制造端,概伦选择了存储芯片厂作为突破口。存储芯片的市场格局大大不同于数字芯片,三星、SK和美光占据了大部分市场,从设计到制造都是一体的,因而用户的感知非常迅速,反馈及时,销售对象也自然非常明确。

2010年成立后,概伦从器件建模和良率提升入手,拓展到仿真、测试等环节,对存储大厂提供更多的产品和服务。反映在财报上,概伦的收入结构呈现制造类EDA为主、大存储客户为主的特点。

在设计端,芯和选择了仿真作为突破口。在芯片设计的各个环节中,电路版图和逻辑综合是芯片设计业历史最为悠久、工程师日常使用接触最多、EDA行业最先切入的,也是享有先发优势的EDA巨头的一贯强项。一上来就期望改变用户根深蒂固的设计习惯、切全流程是不切实际的,但是,仿真作为模拟、预测芯片实际运行状况的环节,在芯片设计流程中复杂多变而又耗时,即便是初创公司开发的点工具,只要有鲜明的差异化特色也能顺利切入。

正是从仿真这样一个“利基市场”出发,芯和逐渐形成了自己的打法:依托多种自主创新的电磁、电路仿真技术,实现那些未被充分满足的痛点需求,开发出一个个好用的点工具,逐渐形成一个比较全面的涵盖了从芯片、封装到系统的面工具。在芯片设计的特定关键环节站稳脚跟后,对于主打全流程的EDA巨头和大型晶圆代工厂,便形成了特殊的不可替代的价值。因此,在其他本土EDA厂商同业合作偏少的时候,芯和与新思、楷登两大EDA巨头都达成了深入的合作。

2021年下半年,芯和与新思联合推出了全球首款3DIC先进封装设计分析全流程EDA平台。传统的从前端架构探索、后端物理实现、最后做分析验证的单芯片线性设计流程,已经无法满足后摩尔时代异构集成先进封装设计的要求,而需要在设计的每一个阶段,都要综合考虑芯片与封装的联合效应,并做出及时的仿真分析,提升设计迭代的效率。芯和的全流程EDA平台充分释放了其多年来在芯片、封装到系统的仿真领域积累的能力,成为在这条新赛道上具备先发优势的国产EDA厂商。

在设计端,珠海芯动选择了接口IP。中芯国际等国内晶圆代工厂起步之初,IP生态是缺乏的,国内设计客户也普遍囊中羞涩。IP中国化,即为设计客户提供价格更低、与国内晶圆厂对接、表现可靠的IP,可以满足相当数量的中小客户的需求。珠海芯动从IP业务出发,也为经验不足的设计客户提供芯片定制服务。

颇为有趣的是,本土EDA企业在发展一段时间后,有向芯片设计下游拓展的趋势,也就是直接下场自己设计芯片,而不满足于只充当一个EDA工具商的角色。

芯和在射频芯片、尤其是在IPD滤波器领域表现出色,打入了手机和射频模组供应链,滤波器总出货量在今年一月份累计出货突破10亿颗;芯动的广东风格非常鲜明,先后做出了矿机芯片和GPU芯片,打法犀利。

究其原因,本土EDA企业进军芯片设计,在于他们对EDA工具和IP非常熟悉后,自然而然也就具备了设计芯片的能力。对于擅长仿真的芯和来说,射频芯片的信号是非线性的,仿真能力是关键;对于擅长接口IP的珠海芯动来说,矿机和GPU芯片,有自研IP可以相当程度上降低设计成本。除此之外,本土EDA厂商自己下场设计芯片,也能向主业部门提供更直接的反馈。

04 中国EDA的两大支柱

从2020年到现在,国内突然兴起一波EDA热潮。

2020年11月,芯华章完成近亿元Pre-A+轮融资。

12月,九同方获得华为旗下哈勃投资,该公司聚焦射频EDA领域,核心团队为留美博士。

在2021年,1月,国产EDA公司概伦电子开始科创板辅导。

2月,熊猫EDA的主体公司华大九天公布创业板辅导消息。

今年,华大九天终于成功上市,掀起了二级市场一波投资热潮。

熊猫之后,国产EDA陷入僵局,为什么在如此短的时间内,雨后春笋般冒出这么多的新选手?

答案是,这些动辄大手笔融资的新选手,大多是楷登和新思等美系EDA公司培养出来的高阶经理人所创办。两大EDA公司,都选择了本土化研发和销售并举的策略,这为国内培养了一批领军人才。国产EDA明星的创始团队,经由一个全球化的环境培养与孕育,现在活跃于国产EDA行业的新兴公司,都有两大EDA的影子:

概伦电子总裁刘志宏曾任楷登副总裁。芯华章创办人王礼宾,更是两大EDA的骨干人才,先后做过工程师、销售和高管,积累了20年工作经验,也积累了海思、展锐等国内芯片大客户的行业人脉。

为什么这些人才能够在关键时刻站出来?

这与EDA行业人才的自然流动不无关系。中国EDA行业一个颇为有趣的现象是,新思和楷登两家公司都颇为“佛系”,两个公司之间的中高阶人才流动本已十分频繁,这些人才出去创业,老东家与他们的关系,也维持和平。这与芯片行业其他细分领域的激烈竞争,形成了一个鲜明对比。

而这种常态化的人才流动,将宝贵的行业知识和经验,外溢到了整个行业。从而,整个EDA行业唯独在中国发生了大规模的“细胞裂变”。原有的EDA巨头三十年的成长历史,其实是不断兼并、吸收、消化数十个中小技术实体的过程,很少再度发生自立门户或者迎来新挑战。中国市场的巨变,为古老的EDA行业注入了新鲜的血液。

在外资EDA纷纷出来创业之际,本土EDA熊猫升级而来的华大九天,也取得了突破。华大九天采取了三个策略:

由点到面突破,不再局限于只是解决个别点问题的工具,覆盖全流程,增加定制化服务,提高粘性;由芯片扩展至面板领域,第一个针对面板做全流程的EDA方案,顺利在国内平板显示器市场占下九成份额;继续在日本等国全球化扩张,成为一些巨头不可或缺的技术供应商。

外资EDA培养众多本土人才,在新的时间节点开宗立派;国内EDA扩展行业应用服务本土,同时高歌猛进一路出海。

两大EDA与华大九天看似是对立的竞争对手,但其实共同为中国的芯片行业做出了互为补充的贡献。

2022年8月18-20日,世界半导体大会暨南京国际半导体博览会将亮相南京国际博览中心。

基于过往三届的成功举办,本届大会将全面整合专场展览、专业论坛、专项活动,包括1场800人规模的开幕式暨高峰论坛、1场创新峰会、20余场平行论坛和专项活动、1场20000㎡专业展览以及1场云上大会,广泛邀请业内知名半导体企业,以及产业、学术、科研、投资界代表出席,呈现一场集行业交流、渠道联动、资源聚合为一体的行业顶尖盛会。