在淘金熱潮中，誰能穩(wěn)賺不賠？不是淘金者，而是賣水人；在火熱的芯片投資熱潮中，也少不了這樣的“賣水人”——EDA 廠商。
EDA 賽道熱鬧異常，先是合見工軟獲得 11 億元人民幣的 Pre-A 輪融資，后是華大九天登陸創(chuàng)業(yè)板，首日收盤暴漲 129.43%。做 EDA 憑什么能拿到這么多錢？
沒有 EDA，就沒有芯片
EDA（Electronic Design Automation，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化），是利用計(jì)算機(jī)輔助完成集成電路芯片的設(shè)計(jì)、制造、封測(cè)的大型工業(yè)工具。它是最基礎(chǔ)、最上游的領(lǐng)域，貫穿了集成電路產(chǎn)業(yè)鏈的每個(gè)環(huán)節(jié)。
簡(jiǎn)單地說，EDA 就是芯片設(shè)計(jì)師的畫筆和畫板，就像操作文檔要用 Word，制作圖片要用 Photoshop 一樣，它能高效設(shè)計(jì)、控制及管理數(shù)十億電路元件在一顆芯片里協(xié)同工作。[1]
EDA 算法密集，融合了圖形學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)、微電子學(xué)、拓?fù)溥壿媽W(xué)、材料學(xué)及人工智能等多學(xué)科的算法技術(shù)，必須經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間技術(shù)積累和持續(xù)大規(guī)模研發(fā)投入，才能滿足新工藝的應(yīng)用需求。
▲ EDA 支撐著集成電路設(shè)計(jì)和制造流程、關(guān)鍵環(huán)節(jié)，圖源丨概倫電子招股書 [2]
EDA 工具包括硬件和軟件兩部分。軟件是工具的核心，分為仿真工具、設(shè)計(jì)工具、驗(yàn)證工具三種類型；硬件是用來加速仿真、驗(yàn)證速度的服務(wù)器和專用工具。[3]
▲ EDA 軟件工具的三種類型，制表丨果殼硬科技
資料來源丨新思科技 [4]
▲ 設(shè)計(jì)工具、仿真工具、驗(yàn)證工具在芯片設(shè)計(jì)流程中位置，資料來源丨 IEEE Xplore[5]
EDA 非常重要，倘若它出現(xiàn)問題，產(chǎn)業(yè)下游的集成電路、電子信息和數(shù)字經(jīng)濟(jì)都會(huì)崩潰。沒有 EDA，就不可能設(shè)計(jì)和制造當(dāng)今的芯片。
芯片設(shè)計(jì)過程極為復(fù)雜，要求設(shè)計(jì)精細(xì)度很高，稍有偏差就會(huì)導(dǎo)致芯片報(bào)廢，項(xiàng)目崩盤；同時(shí)，從 90nm、65nm 進(jìn)化到 3nm / 2nm，制造成本攀升，所需設(shè)計(jì)步驟也越來越多，設(shè)計(jì)也越來越困難。[6]
EDA 能發(fā)揮計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（TCAD）、面向制造的設(shè)計(jì) （DFM）、硅生命周期管理 （SLM）三大關(guān)鍵功用，保證最終產(chǎn)品的良率和性能。一方面，EDA 將復(fù)雜的芯片設(shè)計(jì)流程拆分成高級(jí)綜合、邏輯綜合、原理圖布局等若干步驟，并配備豐富的工具組件庫和可復(fù)用的參考架構(gòu)；另一方面，EDA 能利用仿真、驗(yàn)證等工具在芯片生產(chǎn)前糾正錯(cuò)誤。[7]
▲ EDA 擁有三個(gè)關(guān)鍵功用，制表丨果殼硬科技
EDA 還與另一個(gè)細(xì)分市場(chǎng)密切掛鉤 —— 半導(dǎo)體知識(shí)產(chǎn)權(quán)（半導(dǎo)體 IP 核）。所謂 IP 核，就是半成品芯片，提供不同復(fù)雜度的預(yù)設(shè)計(jì)電路，分為軟核、硬核、固核三類。鑒于 IP 核的使用和重復(fù)使用都依賴 EDA 工具，同時(shí) EDA 和 IP 核還可以捆綁銷售，通常業(yè)界將兩者視為一個(gè)市場(chǎng) [4]。雖然 EDA 巨頭都擁有自己的 IP 核產(chǎn)品，但隨著市場(chǎng)擴(kuò)大及 IP 供應(yīng)商增加，現(xiàn)在的趨勢(shì)是將 EDA 和 IP 核獨(dú)立出來。
▲ 三種類型 IP 核，資料來源丨方正證券 [8]
EDA 是跟著集成電路變遷的。經(jīng)歷了 CAD / CAM（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) / 計(jì)算機(jī)輔助制造）、CAE（計(jì)算機(jī)輔助工程）、ESDA（電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)化）到 EDA（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）四個(gè)階段，階段轉(zhuǎn)換本質(zhì)上是芯片描述抽象層級(jí)的變化，精度依次提升。
復(fù)盤 EDA 市場(chǎng)發(fā)展行徑，與晶圓代工、數(shù)字芯片等發(fā)展歷史非常類似，都是從玩家稀少到百花齊放，再到優(yōu)勝劣汰，并購(gòu)為僅剩 1~2 家、至多 3~4 家超大集合體的局面。
1964 年~1978 年，芯片晶體管密度低，集成度低，企業(yè)入局率低，Applicon、Calma 和 Computervision 三家公司主導(dǎo)當(dāng)時(shí)的 CAD / CAM 市場(chǎng)；
1979 年~1992 年，CAE 成為新貴，相關(guān)企業(yè)參與率突然急劇上升，轉(zhuǎn)折點(diǎn)在于 ASIC（商用專用集成電路）的出現(xiàn)，讓設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以接觸到以前為大型系統(tǒng) OEM 預(yù)留的定制芯片，Daisy Systems、Mentor Graphics 和 Valid Logic 三家公司主導(dǎo)當(dāng)時(shí)的 CAE 市場(chǎng)；[9]
90 年代初，技術(shù)一路發(fā)展，高級(jí)語言描述開始應(yīng)用，ESDA 當(dāng)?shù)?，并開啟了行業(yè)并購(gòu)，Synopsys（新思科技）、Cadence（官方譯名楷登電子）、Mentor（現(xiàn)為 Siemens EDA）成為新三巨頭；[10]
2009 年~2014 年，巨頭以外的 EDA 相關(guān)專利申請(qǐng)逐漸減少，市場(chǎng)壟斷態(tài)勢(shì)初現(xiàn)，小公司被收購(gòu)，大公司在競(jìng)逐中被淘汰；
之后的幾年至今，EDA 行業(yè)繼續(xù)整合，新思科技、楷登電子、西門子 EDA 收購(gòu)許多小型初創(chuàng)公司，包括 Forte、Jasper、Springsoft、EVE、Nimbic 等，國(guó)內(nèi) EDA 融資潮起，一些老牌國(guó)產(chǎn)品牌開始擠進(jìn)第二梯隊(duì)。
▲ EDA 發(fā)展階段及特征，制表丨果殼硬科技
資料來源丨 IEEE Design & Test of Computers [9]
EDA 不是好做的生意
EDA 企業(yè)怎么賺錢？一般采取授權(quán)（License）的模式，即向客戶銷售指定版本的軟件，并收取合同約定期間的授權(quán)費(fèi)。
授權(quán)又分為固定期限授權(quán)和永久授權(quán)兩種形式，可以簡(jiǎn)單理解為 Office 365 和 Office 2021 的關(guān)系。對(duì)換代要求低的客戶大多數(shù)選擇永久授權(quán)，對(duì)換代要求較高的客戶選擇固定期限授權(quán)。固定期限通常為 1~3 年，也可以選擇在固定期內(nèi)多次授權(quán)，相當(dāng)于分期付款。[11]
固定授權(quán)是國(guó)際更為通行的模式，國(guó)際先進(jìn)大廠均采用此形式，2021 年，全行業(yè)固定期限內(nèi)一次授權(quán)方式營(yíng)收占比達(dá) 55%[12]。這是因?yàn)樾酒杆伲鎸?duì)的物理現(xiàn)象、應(yīng)用和工藝越來越復(fù)雜，這種方式能夠獲得 EDA 廠商對(duì)工具的實(shí)時(shí)更新、缺陷修復(fù)、技術(shù)支持及性能方面升級(jí)等 [13]。
▲ 2019 年~2021 年公司 EDA 軟件銷售不同授權(quán)模式營(yíng)收占比，圖源丨東吳證券
EDA 行業(yè)具有明顯的可持續(xù)增長(zhǎng)空間。2020 年全球 EDA 市場(chǎng)營(yíng)收 115.7 億美元，2026 年全球 EDA 市場(chǎng)營(yíng)收 213.6 億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率 10.9%。[14]
▲ 倒金字塔產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)，圖源丨華大九天招股書
但 EDA 也絕對(duì)不是一門好做的生意。如今，整個(gè)市場(chǎng)分為三級(jí)競(jìng)爭(zhēng)梯隊(duì)，國(guó)產(chǎn)最高只做到第二梯隊(duì)，且份額太小，根據(jù) SIA（美國(guó)半導(dǎo)體協(xié)會(huì)）數(shù)據(jù)，國(guó)內(nèi) EDA / IP 占全球市場(chǎng)僅 1%。[15]
第一梯隊(duì)由新思科技、楷登電子、西門子 EDA 三家企業(yè)組成，處于絕對(duì)領(lǐng)先地位，占據(jù)全球 78% 的市場(chǎng)份額，在中國(guó)市場(chǎng)三巨頭擁有超過 95% 的軟件銷量，擁有全流程 EDA 產(chǎn)品，業(yè)務(wù)遍布全球，科研實(shí)力雄厚；
第二梯隊(duì)以美國(guó) ANSYS 公司、Silvaco、Aldec、華大九天等為代表，擁有特定領(lǐng)域全流程產(chǎn)品，在局部領(lǐng)域技術(shù)較為領(lǐng)先；
第三梯隊(duì)以 Altium、概念工程集團(tuán)（Concept Engineering）、概倫電子、Down Stream Technologies 等為代表，這些企業(yè)主要布局點(diǎn)工具，缺少 EDA 特定領(lǐng)域全流程產(chǎn)品。[16]
▲ 全球 EDA 行業(yè)簡(jiǎn)要格局，來源丨華大九天招股書 [16]
誰處于絕對(duì)領(lǐng)先地位，市場(chǎng)規(guī)則就由誰制定。但實(shí)際上，新思科技、楷登電子、西門子 EDA 三家公司在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)也極為激烈，雖然三家公司整體運(yùn)營(yíng)思路相同，但策略也不盡相同。
新思科技在營(yíng)收、業(yè)務(wù)等方面無疑是規(guī)模最大的 EDA 相關(guān)企業(yè)，但單從 EDA 產(chǎn)品線來看，楷登電子與新思科技持平，甚至在往年更勝新思科技一籌。從戰(zhàn)略上來看，新思科技強(qiáng)化軟件集成型產(chǎn)品發(fā)展，通過頻繁并購(gòu)平均發(fā)展旗下各產(chǎn)品線的產(chǎn)品實(shí)力。楷登電子實(shí)力底蘊(yùn)扎實(shí)，并購(gòu)動(dòng)作相對(duì)較少也能保持 EDA 營(yíng)收穩(wěn)定增長(zhǎng)。[17]
▲ EDA 三巨頭基本情況對(duì)比，制表丨果殼硬科技
資料來源丨 EDP Sciences[18]，《軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品》[19]，《中國(guó)集成電路》[20]
國(guó)內(nèi) EDA 發(fā)展曲折緩慢，直到 2008 年后才開始崛起：早在 1981 年~1985 年，國(guó)內(nèi)便陸續(xù)開發(fā) ICCAD 一級(jí)系統(tǒng)和二級(jí)系統(tǒng)；1993 年，熊貓系統(tǒng)問世；但之后 15 年里，受“造不如買，買不如租”觀念影響，國(guó)內(nèi) EDA 被拉開差距，彼時(shí)正值新思科技、楷登電子、西門子 EDA 上升期；2008 年，EDA 重新成為重點(diǎn)，華大集團(tuán)將 EDA 部門獨(dú)立出來，名為華大九天；2010 年，概倫電子成立 [21]；2021 年 12 月，概倫電子科創(chuàng)板上市；2022 年 7 月，華大九天創(chuàng)業(yè)板上市。
▲ 國(guó)內(nèi) EDA 二級(jí)市場(chǎng)情況不完全統(tǒng)計(jì)，制表丨果殼硬科技
在國(guó)產(chǎn)替代風(fēng)潮下，近兩年 EDA 一級(jí)市場(chǎng)非常活躍，融資金額一度達(dá)到 11 億元人民幣。
▲ 近兩年內(nèi)國(guó)內(nèi) EDA 一級(jí)市場(chǎng)情況不完全統(tǒng)計(jì)，制表丨果殼硬科技
仍然需要指出的是，國(guó)產(chǎn) EDA 以點(diǎn)工具為主，工具鏈不完整，三巨頭則覆蓋了產(chǎn)業(yè)鏈的各個(gè)方面。另外，國(guó)產(chǎn) EDA 目前尚不能滿足尖端制程的要求，由于 EDA 處在最上游位置，因此 EDA 必須比芯片的工藝更先進(jìn)。
▲ 國(guó)內(nèi)外 EDA 支持工具鏈對(duì)比，制表丨果殼硬科技
▲ 國(guó)內(nèi)外企業(yè) EDA 產(chǎn)品支持制程對(duì)比，資料來源丨頭豹 [22]
夾縫求生，還能怎么走
在高度壟斷之下，國(guó)產(chǎn) EDA 究竟有哪些還能走的路？果殼硬科技團(tuán)隊(duì)認(rèn)為有如下幾點(diǎn)：
投入打在關(guān)鍵點(diǎn)上
EDA 需要的投入金額驚人。新思科技和楷登電子十年來凈利率大多數(shù)年份不超過 15%，但卻從未因公司經(jīng)營(yíng)狀況不加而降低研發(fā)投入強(qiáng)度，研發(fā)占比全部高于 30%，甚至部分時(shí)間研發(fā)占比超過 40%。對(duì)于較小的 EDA 公司，這個(gè)數(shù)字可能會(huì)更高。[23]
高額投入意味著三家巨頭豎起了專利高墻，專利圍城導(dǎo)致國(guó)產(chǎn)處境極為尷尬。近兩年，所有半導(dǎo)體公司都開始建立一系列自己的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，希望與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手保持安全距離 [24]，國(guó)產(chǎn)也需要自己的專利。
通過統(tǒng)計(jì)三巨頭在 EDA 關(guān)鍵技術(shù)專利數(shù)量和分布情況來看，發(fā)展程度、重點(diǎn)和專長(zhǎng)上沒有太大差異，但研究基本集中在“驗(yàn)證”“仿真”“布線”三個(gè)主題上，“時(shí)序分析”和“綜合”兩個(gè)部分研究還不多，這意味著“時(shí)序分析”“綜合”是能拉開技術(shù)差距的部分 [18]。另外，“驗(yàn)證”占芯片設(shè)計(jì)總成本 70% 以上，是國(guó)產(chǎn) EDA 正在突破的領(lǐng)域。[25]
▲ 三大巨頭關(guān)鍵技術(shù)專利數(shù)量和分布情況，信息來源丨 EDP Sciences[18]
發(fā)展 Chiplet 是關(guān)鍵點(diǎn)
傳統(tǒng)芯片是將所有器件放在單一裸晶（Die）上，功能越多芯片尺寸越大，Chiplet（小芯片）是將大尺寸多核心分散到多個(gè)微小裸芯片上，如不同類型的處理器、模擬組件、存儲(chǔ)器等，再用 3D 立體堆棧的方式，像搭積木一樣組合在一起。[26]
Chiplet 有多重要？AMD、英特爾、英偉達(dá)等頭部 IC 設(shè)計(jì)企業(yè)都推出過基于 Chiplet 技術(shù)的產(chǎn)品，蘋果也準(zhǔn)備在下一代高端處理器中采用 Chiplet 技術(shù) [27]。為了讓 Chiplet 更好發(fā)展，Arm、AMD、Meta、英特爾、谷歌云、微軟、高通、三星、日月光和臺(tái)積電還發(fā)起了 UCIe 產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。[28]
實(shí)現(xiàn) Chiplet，EDA 是關(guān)鍵。目前來說，Chiplet 的最大問題是如何將部件組合在一起，誰來將這些部件組合在一起，國(guó)產(chǎn) EDA 可就這些問題進(jìn)行研究。
做更好用的 EDA 工具
以軟件為核心的 EDA，好用，讓更多人能用才是王道。
近年來，隨著芯片設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)量和系統(tǒng)運(yùn)算能力上升，AI（人工智能）和云技術(shù)開始深入 EDA。這種模式也逐漸被行業(yè)認(rèn)可，用戶的使用習(xí)慣也隨之改變。另外，傳統(tǒng) SoC 設(shè)計(jì)需要在 RTL 級(jí)別下使用硬件描述語言進(jìn)行邏輯、驗(yàn)證，后來 EDA 逐漸開始支持 C / C++/SystemC，學(xué)習(xí)晦澀難懂的語言不再是硬性要求。[29]
這種變化得益于設(shè)計(jì)方法學(xué)的進(jìn)化，最終目的在于提升設(shè)計(jì)效率、確保設(shè)計(jì)正確性、提升芯片生產(chǎn)良率、加速設(shè)計(jì)流程，國(guó)產(chǎn) EDA 也應(yīng)當(dāng)遵循這種模式進(jìn)行發(fā)展。
▲ EDA 工具在設(shè)計(jì)方法學(xué)層面的發(fā)展方向，資料來源丨華大九天招股書 [16]
開源化增強(qiáng) EDA 領(lǐng)域研究
近幾年，開源風(fēng)潮盛行，誕生了開放的硅知識(shí)產(chǎn)權(quán)生態(tài)系統(tǒng)。開源 EDA 工具能快速引導(dǎo)國(guó)產(chǎn) EDA 找到方向，同時(shí)還能為科學(xué)發(fā)展創(chuàng)造了全新生態(tài)系統(tǒng)。
開源 EDA 有五大可行性：其一，能夠快速識(shí)別最新基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果，從而可以快速確定新的 EDA 解決方案，推動(dòng)技術(shù)發(fā)展；其二，開源工具能夠加速 EDA 研究，可以在現(xiàn)有開源工具和組件的基礎(chǔ)上以更快的速度實(shí)現(xiàn)迭代，降低進(jìn)入門檻；其三，由于 EDA 改進(jìn)可能會(huì)被下游工具所掩蓋，完整開源的 EDA 工具能夠確保改進(jìn)堅(jiān)持到最后；其四，具有標(biāo)準(zhǔn) I / O 格式交換的開源工具，能夠在開源工具和閉源工業(yè)間形成健康的生態(tài)系統(tǒng)，加快學(xué)術(shù)界和工業(yè)界知識(shí)傳播；其五，開發(fā)者社區(qū)能夠發(fā)現(xiàn)更多后門或漏洞，能夠帶來更值得信賴的設(shè)計(jì)過程。[30]
各種力量應(yīng)該擰成一股繩
EDA 貫穿芯片整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈，各個(gè)工具也環(huán)環(huán)相扣。三巨頭均不同程度地采取收購(gòu)整合方式，實(shí)現(xiàn)全流程工具的覆蓋。國(guó)內(nèi)目前僅有華大九天一家公司實(shí)現(xiàn)部分設(shè)計(jì)全流程方案，整體市場(chǎng)仍然呈現(xiàn)碎片化、地理化分散。[31]
▲ EDA 工具的兩種突破方案對(duì)比，圖源丨華福證券 [32]
推進(jìn)整合并非易事，何況國(guó)產(chǎn) EDA 仍處在初期，不具備大規(guī)模并購(gòu)條件。因此，國(guó)內(nèi)可采取更為特色化的整合形式，通過行業(yè)龍頭牽動(dòng)行業(yè)合作，加之政府扶持，因勢(shì)利導(dǎo)，形成合理的互惠模式。具體擁有三種銷售形式 [31]：
捆綁銷售：采取多個(gè)公司點(diǎn)工具的捆綁式銷售，并讓工具之間產(chǎn)生關(guān)聯(lián)；
定制開發(fā)合作：大型 EDA 廠商向小型廠商定制開發(fā)，后者完成開發(fā)后，雙方共享產(chǎn)權(quán)和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)合作共贏；
產(chǎn)業(yè)孵化：先發(fā)展起來的 EDA 廠商為有技術(shù)基礎(chǔ)的初創(chuàng)企業(yè)導(dǎo)入業(yè)界資源。
另外，人才和團(tuán)隊(duì)、技術(shù)和產(chǎn)品、市場(chǎng)和生態(tài)、資金與政策、法律與規(guī)范、軟件與硬件六大因素對(duì) EDA 來說缺一不可，但現(xiàn)今 EDA 領(lǐng)域人才短缺，技術(shù)覆蓋不全面，生態(tài)建設(shè)不完整。這背后需要政府主導(dǎo)、資本市場(chǎng)助力，發(fā)揮了產(chǎn)學(xué)研集成效應(yīng)，帶動(dòng)集成電路發(fā)展。[33]
當(dāng)國(guó)內(nèi)力量都擰成一股繩時(shí)，繼而可構(gòu)建自主的標(biāo)準(zhǔn)化。現(xiàn)如今，EDA 所設(shè)領(lǐng)域廣泛，體系和功能繁雜，標(biāo)準(zhǔn)化工作涉及的范圍也很廣，國(guó)內(nèi)可進(jìn)一步推進(jìn)自己的標(biāo)準(zhǔn)化工作。[34]
當(dāng)各種資源整合在一起，占領(lǐng)市場(chǎng)必然會(huì)水到渠成。
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本文來自微信公眾號(hào)：果殼硬科技 （ID：guokr233），作者：付斌 編輯：李拓
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