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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。

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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。

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。”

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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。

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。

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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,就连在光刻机的领域,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。

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?

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。

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