电子设计自动化软件产业创新发展研究＊

文/江绍华

0 引言

电子设计自动化（electronic design automation，EDA）作为广义计算机辅助设计（computer aided design，CAD）的一种，属于研发设计类工业软件，是芯片设计必不可少的、技术含量最高的工具，是芯片产业“皇冠上的明珠”。自2018年以来，美国凭借其在工业软件、集成电路（IC）关键核心技术的优势乃至垄断地位，对我国科技企业实施打击制裁，影响我国科技产业发展，特别是在EDA软件这一芯片和工业软件交叉的领域，更是成为我国被美国“卡脖子”的重灾区。为此，本文研究当前国内外EDA软件产业创新发展的情况，紧跟技术发展前沿了解全球范围内EDA软件的发展现状，剖析我国EDA发展现状和问题、风险及机遇，并思考如何解决问题、应对风险和把握机遇，为解决我国EDA软件“卡脖子”问题，实现芯片产业链的安全提供思路。

1 全球EDA软件产业发展概述

尽管EDA软件科技含量极高且在芯片产业尤其是芯片设计业中不可或缺，但其产值规模较小，只占半导体产业规模2.6%，呈现“小而精”的特点。2015－2020年，全球EDA市场规模年增长率在8%左右，接近115亿美元，行业规模稳步增长，有望在未来能达到300亿美元的规模（见图1）。

图1 全球EDA软件行业市场规模

市场分布方面，2020年美国和亚太地区EDA软件营收分别达到48.8亿美元和40.2亿美元，合计占据全球市场近80%份额。同时，亚太地区的EDA软件营收增速明显快于美国，有望成为全球最大的市场。

企业方面，经过三十多年的发展和企业间的并购和重组，目前全球EDA软件市场呈现“三足鼎立”的格局：美国新思科技（Synopsys）、美国楷登电子科技（Cadence）和德国明导国际（Mentor Graphics）三大巨头企业占全球市场份额合计超过75%。Synopsys成立于1986年，是世界排名第一的电子设计自动化工具和服务提供商，拥有全球先进的芯片设计及验证、国际互连协议（IP ）集成、软件安全和质量测试技术，为客户提供芯片设计及验证平台，并在逻辑综合工具和时序分析工具领域具有突出优势。Synopsys在全球范围内拥有15000多名员工，2020年营业收入36.9亿美元，全球市场占有率超过30%。Cadence成立于1988年，为市场提供软件、硬件和IP和服务，提供从芯片到电路板再到系统的设计与功能实现。Cadence的软件曾被多家全球知名半导体企业作为全球设计的标准，足见其业内地位。Cadence在全球范围内拥有约9000名员工，2020年营业收入达26.8亿美元，全球市场占有率超过20%。Mentor Graphics是全球第三大EDA提供商，成立于1981年，致力于提供世界上最全面的电子设计自动化软件、硬件和服务，业务范围包括IC设计、验证和制造，IC封装设计与验证，电子系统设计与制造，于2017年被德国西门子公司收购。

从国际三大EDA巨头的发展历史可以发现他们的共同特点：一是极度重视研发，高投入打造优势产品。EDA软件涉及数学、物理、计算机、芯片设计、芯片制造工艺、封装等多个领域知识，开发难度大，是典型的技术驱动、创新驱动的行业，需要高额的研发投入以维持产品的快速迭代升级和市场竞争力。二是频繁并购整合，补齐细分领域的短板。一方面EDA行业增速相对较低，发展平稳，不利于企业的内生高速增长从而快速扩张产品线；另一方面EDA软件涉及电子、芯片设计的方方面面，企业很难凭自身力量覆盖所有的设计流程并在每个细分领域保持竞争力，因此收购兼并细分领域EDA公司、初创团队就成为一个快速实现各零散点工具技术整合、抢占市场的重要手段。三大EDA巨头在发展的过程中，共计发生200多次并购交易，平均每家公司每年就有2次左右的并购。三是与上下游产业链深度绑定，构建出EDA厂商、芯片设计厂商和下游代工厂三方共赢的产业生态。EDA软件因其与芯片设计、制造工艺紧密相关，在软件开发的过程中与产业链上下游的深度合作有助于厂商加深对芯片设计和工艺的理解，以生产出稳定、可靠和符合产业实际需求的软件，并及时快速地迭代升级。在半导体发展早期，芯片设计企业通常会下设CAD软件部门，用于支撑集成电路产品开发，但随着集成电路复杂度越来越高，CAD软件的研发难度增大、成本升高，芯片设计企业难以单独承受，促使EDA软件开发脱离芯片设计企业，成为独立软件设计服务商并服务全体芯片设计企业，但其与产业链上下游的协同仍然紧密。此外，与产业下游代工厂的深度绑定或结盟形成利益共同体，还可降低被竞争对手替代的风险。

2 国内EDA软件产业发展概述

2.1 发展沿革

受巴黎统筹委员会实施禁运和贸易限制的影响，我国自1986年起研发国产EDA软件，于1993年成功发布了熊猫EDA系统。但后因禁运解除，国外EDA软件得以进入国内市场，熊猫EDA软件竞争力不足而未能得以广泛使用，导致国产EDA软件发展缓慢。直至2008年，《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006－2020年）》将EDA软件列入重点支持方向，由此推动了国内EDA产业的快速发展，陆续涌现了北京华大九天科技股份有限公司（以下简称“华大九天”）、国微集团（深圳）有限公司（以下简称“国微集团”）、上海概伦电子股份有限公司（以下简称“概伦电子”）等本土EDA优质企业。

近几年，受益于我国集成电路产业快速发展，我国EDA市场保持高速增长，2020年市场规模达66.2亿元，2018－2020年间的年均复合增长率高达21.4%。从市场份额占比来看，Synopsys、Cadence、Mentor Graphics、华大九天、安似科技有限公司（Ansys）为在我国市场排名前五的EDA软件供应商，合计占市场份额的85.4%。但是目前国内的EDA企业普遍规模较小，并以提供细分领域工具为主，未能提供全流程产品、完整解决方案，几乎没有与芯片设计、产业下游代工厂商共建生态体系的企业。

华大九天在2009年成立，是国内最大的EDA软件厂商，也是全球唯一可提供全流程平板显示电路设计EDA软件的厂商，主要产品包括模拟电路设计全流程EDA软件系统、数字电路设计EDA软件和晶圆制造EDA软件。华大九天技术水平处于国内领先，并在部分代表性点工具产品达到国际领先，但产品完整性不足。据测算，华大九天的产品仅覆盖集成电路开发所需软件工具的1/3左右，还远不能提供完整的解决方案。国内其他厂商则仅在相对单一的细分领域工具方面具备竞争力。

2.2 短板及原因分析

经过多年发展，我国EDA软件产业有了一定发展基础，但短板依旧明显。主要体现在以下几个方面：一是人才短缺。一方面，我国EDA软件研发人员仅有千余人，与国际EDA巨头企业拥有5000名以上软件研发人员数量差距明显；另一方面，EDA人才培养难度大、周期长，培养一个EDA人才往往需要十年，导致短期内人才问题难以解决。二是研发投入不足。以国内最大的EDA厂商华大九天为例，其自成立以来所投入的研发资金规模为数亿元，与国外头部企业10亿美元以上的研发投入差距巨大。三是产品覆盖面较窄。目前国内EDA企业普遍存在软件产品单一、覆盖面窄、不够齐全的问题，尤其在数字电路方面，缺少时序、功耗计算、物理验证等核心模块，无法支撑数字芯片全流程设计，削弱了产品市场竞争力。四是市场竞争激烈。在摩尔定律驱动下，EDA软件企业需要保持长期的高研发投入，并通过技术领先、用户习惯培养、兼并中小企业、与产业链上下游结盟等多种方式形成竞争壁垒，逐渐演变成垄断，后来者难以撬动原有市场格局。五是与先进工艺结合不够紧密。与传统工具软件不同，EDA是芯片设计和制造工艺对接的纽带，需要与芯片制造工艺紧密结合，而目前国内EDA企业与先进工艺结合较弱。一方面，国内下游芯片制造厂商工艺较为落后，缺少足够的工艺设计套件（PDK）支撑EDA厂商针对先进工艺设计、优化EDA软件；另一方面，国际EDA巨头利用其领先地位，在新工艺开发的初始阶段即与芯片制造厂商紧密合作，并以此取得先发优势，进一步拉大与国内EDA厂商的差距。

3 我国EDA软件迎来发展机遇

近年来，数字经济浪潮席卷全球，作为数字经济“底座”的半导体及集成电路技术和产业蓬勃发展，大数据、云计算、人工智能等新兴技术不断向其他技术领域渗透，推动着全球EDA软件行业的持续更新、进步。同时，我国正承接第三次全球半导体产业迁移，集成电路设计、制造、封测等产业链相关环节在国内的布局逐步加大、资源进一步聚集，对EDA软件的需求势必更加旺盛。此外，外部环境变化也使EDA软件国产替代进程进一步加速，我国EDA软件产业将迎来新一轮发展机遇。

3.1 EDA的重要性更加凸显

随着芯片制造工艺制程研究已进入5nm、3nm及以下，研发成本急剧增加、量子效应愈发明显，集成电路行业需采取新的策略——改进EDA软件以提升芯片的性能，并在芯片设计阶段使用EDA软件进行仿真验证来规避量子效应。同时，随着系统级芯片（SoC）集成度越来越高，其设计日益复杂，EDA软件验证需求呈指数级增长。此外，在后摩尔时代，工艺制程更新趋缓，通过异构集成，优化芯片框架及系统算法，基于新工艺、新材料、新器件的创新等方法实现芯片性能提升成为必然，这对EDA软件的复杂功能设计和对新器件的仿真验证提出了更高的要求，也推动了EDA软件的进步和迭代。

3.2 新型EDA软件需求

设计方法学创新和新应用的兴起催生对新型EDA软件和半导体IP核的需求。一方面，随着芯片技术的不断发展，EDA软件设计方法学也在持续更新，下一代EDA软件将基于统一的数据平台，打通设计和工艺两个关键环节，实现数据在芯片设计、制造、封测等不同的环节流动和共享；另一方面，随着国内5G、云计算、物联网、大数据、人工智能等新应用的兴起，市场对不同类型芯片的需求急剧增加。而IP核具有模块化、可复用、设计成熟的优点，可降低芯片设计成本、提高设计效率并降低芯片失效比例，其需求势必十分旺盛。

3.3 云计算和AI赋能

全球范围来看，EDA软件与云计算、人工智能技术结合，从而提升芯片设计的自动化水平、设计效率和芯片性能是未来的两大发展方向。EDA软件与云计算技术结合，可以将EDA软件部署在云端，构建EDA云平台，打造云化EDA，具备计算能力强、按需付费、访问不受地理环境约束、终端无须配套软件环境等优势。EDA软件与人工智能技术结合，利用深度学习技术掌握芯片设计布局、布线等环节的规律，将芯片设计的经验固化为机器学习模型，从而实现芯片设计的自动化和智能化，大大降低设计成本和研发周期。我国云计算、人工智能、大数据技术和产业均具备领先优势，相关专利、人才、技术储备等创新资源可为国内EDA软件企业所用，助推国内EDA产业实现弯道超车。

4 发展对策建议

基于我国EDA软件的发展现状、存在问题和迎来的机遇，本文从科技攻关、财税、融资、推广应用、生态建设和人才培养等方面提出如下政策建议：

一是加强科技攻关。加大EDA软件关键核心技术攻关投入力度，重点支持国内EDA软件基础研究、共性技术攻关、前沿领域探索突破。

二是加大财税政策优惠力度。以鼓励EDA软件企业加大研发投入为导向，对于研发投入比例较高的企业实行税收减免等优惠政策，减轻研发型企业的支出成本。

三是支持企业融资。通过政府支持、企业自筹、产业基金等其他社会资本参与投资的多元化资金筹措模式，以市场化的方式为国内EDA软件企业融资，增强EDA软件企业在研发投入、并购、产品线扩张、市场推广等方面的资金实力，从而加速企业成长。

四是强化推广应用。EDA软件企业发展壮大的关键在于其产品能够进入市场、为用户所用，通过用户的使用和反馈来不断改进和迭代升级软件，提高软件的竞争力，因此政府应引导、鼓励和支持国内芯片企业、微电子学院和集成电路研究机构等EDA软件相关用户采购国产EDA软件，以应用为牵引，推动国内EDA软件企业发展壮大。

五是培育龙头企业。通过一定程度的资源集中，重点扶持有发展潜力的优质企业，鼓励兼并在细分领域具备优势的中小型企业，直至将其打造为拥有全流程设计能力、具备国际竞争力、与国际巨头并驾齐驱的龙头企业。

六是打造产业生态。采取有力措施推动国内EDA软件企业与上游芯片设计企业、下游芯片代工厂共同组建联盟，构建集成电路产业创新联合体，打造良性循环的产业生态。

七是重视人才培养。秉持“百年树人”的理念，以产教融合为原则，鼓励高校、科研院所与EDA软件企业联合培养人才，注重项目实践，并采购国产软件进行教学、科研；同时，还应创造良好的工作环境吸引和留住人才。