EDA工具的發(fā)展特征

作者：賽迪智庫集成電路研究所

EDA工具市場競爭特征

經(jīng)過30余年的行業(yè)整合發(fā)展，全球EDA工具市場體現(xiàn)出較明顯的寡頭壟斷特征，新思科技（Synopsys）、楷登電子（Cadence）與西門子EDA（原Mentor Graphics）作為目前僅有的擁有設(shè)計全流程EDA工具解決方案的企業(yè)，集中了全球超77%的EDA工具市場。此外，Ansys憑借熱分析、壓電分析等優(yōu)勢點工具，Keysight EEsof憑借電磁仿真、射頻綜合等優(yōu)勢點工具，獲得市場第四、第五的位置。近三年來，在優(yōu)勢工具的鞏固下，在2020年全球72.3億美元的市場中，前五大EDA工具企業(yè)控制了約85%市場，其中市場前三大企業(yè)的市場占有率近80%。除市場前三的EDA工具企業(yè)外，其他企業(yè)缺少布局設(shè)計全流程工具技術(shù)的綜合實力，各企業(yè)均在各自擅長領(lǐng)域開發(fā)面向特定流程或個別環(huán)節(jié)的工具產(chǎn)品，瓜分剩余市場份額。

圖1 2018-2020年全球EDA工具市場競爭格局

注：內(nèi)圈至外圈分別為2018-2020年數(shù)據(jù)

與國際市場相似，我國EDA工具市場同樣呈現(xiàn)出市場份額集中的特點，近三年市場前五大企業(yè)的市場占有率在86%左右。其中，Synopsys、Cadence、Siemens EDA為我國市場前三大EDA工具供應(yīng)商。2020年，在我國66.2億元人民幣的EDA工具市場中，前五大供應(yīng)商占有85.4%的市場份額。按年度分析，由于單一市場大客戶周期性訂單影響，市場前三大供應(yīng)商的市場份額波動較大，整體看均具有明顯市場優(yōu)勢。我國本土的華大九天公司通過十余年市場耕耘，近年來持續(xù)實現(xiàn)市場突破。據(jù)統(tǒng)計，2020年華大九天公司在我國市場的銷售額超過Ansys公司，成為我國市場第四大EDA工具企業(yè)。

圖2 2018-2020年我國EDA工具市場競爭格局

注：內(nèi)圈至外圈分別為2018-2020年數(shù)據(jù)

從技術(shù)格局來看，全球EDA行業(yè)企業(yè)可分為三個梯隊。其中，第一梯隊企業(yè)擁有完整的且總體優(yōu)勢明顯的全流程EDA工具，部分流程工具在細分領(lǐng)域擁有絕對優(yōu)勢，EDA領(lǐng)域年營業(yè)收入超10億美元，代表企業(yè)有新思科技、楷登電子和西門子EDA（原Mentor Graphics）。第二梯隊企業(yè)擁有部分領(lǐng)域的全流程工具產(chǎn)品，且在局部領(lǐng)域具有絕對優(yōu)勢，年營業(yè)收入在5000萬美元至4億美元之間，面向處在第三梯隊的EDA企業(yè)，相關(guān)公司產(chǎn)品以點工具為主，企業(yè)年營業(yè)收入普遍小于3000萬美元。

圖3 EDA行業(yè)技術(shù)格局

對于我國EDA行業(yè)企業(yè)，在市場驅(qū)動與資本加持的助推下，代表性企業(yè)呈加速發(fā)展勢頭，未來數(shù)年有望出現(xiàn)多家企業(yè)進入行業(yè)第二梯隊。華大九天公司作為我國唯一在部分領(lǐng)域擁有全流程工具的EDA工具企業(yè)，在營收規(guī)模上在本土企業(yè)中具有較明顯優(yōu)勢，目前公司已在模擬/數(shù)模混合設(shè)計、數(shù)字設(shè)計、平板顯示設(shè)計以及晶圓制造部分相關(guān)領(lǐng)域進行布局，整體技術(shù)水平在國內(nèi)具有領(lǐng)先性，并進一步實現(xiàn)了各大類工具的部分代表性點工具產(chǎn)品在關(guān)鍵參數(shù)上優(yōu)于市場國際主流產(chǎn)品。

EDA工具行業(yè)商業(yè)模式特征

集成電路設(shè)計工具（EDA工具）從計算機輔助設(shè)計軟件發(fā)展而來，在行業(yè)商業(yè)、銷售模式上具有與工業(yè)軟件相似的方式。經(jīng)過三十余年獨立發(fā)展，EDA工具結(jié)合集成電路領(lǐng)域特殊的市場形態(tài)和運作方式，形成了具有自身特色的行業(yè)商業(yè)和銷售模式。綜合看，國際主流廠商推廣EDA工具商業(yè)應(yīng)用的方式包括“定期授權(quán)+技術(shù)服務(wù)”，以及面向高校、科研院所推廣教育應(yīng)用。

面向“定期授權(quán)+技術(shù)服務(wù)”的商業(yè)模式，原美國Arcsys公司在商業(yè)競爭中為降低客戶的EDA工具使用成本、增強公司與客戶間的耦合度，實現(xiàn)公司產(chǎn)業(yè)市場競爭力提升，在20世紀90年代一改傳統(tǒng)的EDA工具永久許可銷售模式，將EDA工具的一次性售賣改為有限期租賃，并在產(chǎn)品服務(wù)期為客戶提供開發(fā)技術(shù)支持等的服務(wù)。通過商業(yè)模式變革，原Arcsys在一年多時間年實現(xiàn)銷售額超600%增長，進一步深刻影響其他EDA工具企業(yè)的經(jīng)營向“定期授權(quán)+技術(shù)服務(wù)”的方式上轉(zhuǎn)變。目前，EDA工具企業(yè)對客戶每一期的EDA工具租賃時長普遍在2-3年，由此導(dǎo)致大客戶新一期訂單對部分企業(yè)銷售收入造成周期性影響。

面向高校、科研院所的產(chǎn)業(yè)推廣與應(yīng)用是EDA企業(yè)培養(yǎng)市場生態(tài)、客戶習(xí)慣的重要方式和手段。一方面，為支持教學(xué)和科技研發(fā)創(chuàng)新，包括EDA工具在內(nèi)的軟硬件產(chǎn)品生產(chǎn)商均有面向高校、科研院所推出“教育版”產(chǎn)品，產(chǎn)品售價普遍低于商業(yè)化產(chǎn)品。另一方面，面向EDA工具的推廣與應(yīng)用，主流EDA企業(yè)均高度重視院校市場，推出各自的“高校計劃”，面對院校方以成本價或贈與的方式進行產(chǎn)品銷售，并在院校師生使用產(chǎn)品進行教學(xué)和科研中提供EDA產(chǎn)品技術(shù)支持與服務(wù)。

EDA工具技術(shù)發(fā)展趨勢特征

1、后摩爾時代技術(shù)演進驅(qū)動EDA技術(shù)應(yīng)用延伸拓展

后摩爾時代的集成電路技術(shù)演進方向主要包括延續(xù)摩爾定律（More Moore）、擴展摩爾定律（More than Moore）以及超越摩爾定律（Beyond Moore）三類，主要發(fā)展目標涵蓋了建立在摩爾定律基礎(chǔ)上的生產(chǎn)工藝特征尺寸的進一步微縮、以增加系統(tǒng)集成的多重功能為目標的芯片功能多樣化發(fā)展，以及通過三維封裝（3D Package）、系統(tǒng)級封裝（SiP）等方式實現(xiàn)器件功能的融合和產(chǎn)品的多樣化。伴隨芯片技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，人工智能、高性能計算、新一代信息技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)等新應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，技術(shù)和應(yīng)用發(fā)展的疊加讓芯片技術(shù)和功能復(fù)雜度不斷提升，同時帶來對集成電路設(shè)計工具（EDA）的新發(fā)展需求。其中，面向延續(xù)摩爾定律（More Moore）方向，單芯片的集成規(guī)模呈現(xiàn)爆發(fā)性增增長，為EDA工具的設(shè)計效率提出更高要求。面向擴展摩爾定律（More than Moore）方向，伴隨邏輯、模擬、存儲等功能被疊加到同一芯片，EDA工具需具備對更強復(fù)雜功能設(shè)計的支撐能力。面向超越摩爾定律（Beyond Moore）方向，新工藝、新材料、新器件等的應(yīng)用要求EDA工具的發(fā)展在仿真、驗證等關(guān)鍵環(huán)節(jié)實現(xiàn)方法學(xué)的創(chuàng)新。

圖4 后摩爾時代集成電路技術(shù)演進路徑

2、設(shè)計方法學(xué)創(chuàng)新輔助平抑芯片設(shè)計成本

EDA工具的發(fā)展創(chuàng)新極大程度提高了芯片設(shè)計效率，一直以來是推動芯片設(shè)計成本保持在合理范圍的重要方式。根據(jù)加州大學(xué)圣迭戈分校Andrew Kahng教授在2013年的推測，2011年設(shè)計一款消費級應(yīng)用處理器芯片的成本約4000萬美元，如果不考慮1993年至2009年的EDA技術(shù)進步，相關(guān)設(shè)計成本可能高達77億美元，EDA技術(shù)進步讓設(shè)計效率提升近200倍。整體看，既往及今后一段時間，推動設(shè)計效率提升的相關(guān)技術(shù)進步包括可重復(fù)使用的平臺模塊、異構(gòu)（AMP）并行處理器的應(yīng)用等。

圖5 EDA技術(shù)進步對芯片設(shè)計成本的影響

在后摩爾時代，由“摩爾定律”驅(qū)動的芯片集成度和復(fù)雜度持續(xù)提升將為EDA工具發(fā)展帶來新需求。在設(shè)計方法學(xué)層面，EDA工具的發(fā)展方向主要包括系統(tǒng)級或行為級的軟硬件協(xié)同設(shè)計方法、跨層級芯片協(xié)同驗證方法、面向設(shè)計與制造相融合的設(shè)計方法和芯片敏捷設(shè)計方法四方面。其中，系統(tǒng)級或行為級的軟硬件協(xié)同設(shè)計方法可以讓設(shè)計師在完成芯片行為設(shè)計的基礎(chǔ)上自動完成后續(xù)的芯片硬件的具體實現(xiàn)，同時支持同步開展應(yīng)用軟件的開發(fā)，以達到設(shè)計效率提升的目的?？鐚蛹壭酒瑓f(xié)同驗證方法則強調(diào)驗證工作實現(xiàn)芯片設(shè)計與封裝、印制電路板（PCB）甚至整個應(yīng)用系統(tǒng)相組合的跨層級協(xié)同驗證，以確保設(shè)計的正確性。面向設(shè)計與制造相融合的設(shè)計方法則追求在芯片設(shè)計的各個階段實現(xiàn)與制造工藝的融合，以期提升芯片最終生產(chǎn)良率。芯片敏捷設(shè)計方法則通過算法和軟件需求定義芯片架構(gòu)，結(jié)合模板元編程（Meta-Programming）和高層次綜合（HLS）的設(shè)計方法，實現(xiàn)快速設(shè)計和快速迭代。

3、人工智能技術(shù)將在EDA領(lǐng)域扮演更重要角色

人工智能（AI）技術(shù)應(yīng)用于EDA領(lǐng)域始于20世紀80年代，一直以來受制于運算能力不強、AI性能不理想、芯片設(shè)計的數(shù)據(jù)需求量不夠大等因素，導(dǎo)致AI技術(shù)與EDA的融合并不充分。近年來，伴隨芯片設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)量的不斷增加、系統(tǒng)運算能力的階躍式上升，人工智能技術(shù)應(yīng)用在EDA工具領(lǐng)域的算法和算力需求正在被更好地滿足。此外，芯片復(fù)雜度的提升以及設(shè)計效率要求的提高同樣要求人工智能技術(shù)賦能EDA工具的升級，輔助降低芯片設(shè)計門檻、提升芯片設(shè)計效率。2017年美國國防部高級研究計劃局（DARPA）推出的“電子復(fù)興計劃（ERI）”中的電子設(shè)備智能設(shè)計（IDEA）項目，描繪出新的AI技術(shù)賦能EDA工具發(fā)展目標與方向。其中提出目標實現(xiàn)“設(shè)計工具在版圖設(shè)計中無人干預(yù)的能力”，即通過人工智能和機器學(xué)習(xí)的方法將設(shè)計經(jīng)驗固化，進而形成統(tǒng)一的版圖生成器，以期實現(xiàn)通過版圖生成器在24小時之內(nèi)完成SoC（系統(tǒng)級芯片）、SiP（系統(tǒng)級封裝）和印刷電路板（PCB）的版圖設(shè)計。

圖6 IDEA項目設(shè)計框架

4、云技術(shù)在EDA領(lǐng)域的應(yīng)用日趨深入

一直以來，企業(yè)對核心知識產(chǎn)權(quán)、工藝設(shè)計套件（PDKs）等高度敏感數(shù)據(jù)的安全顧慮是限制云技術(shù)在EDA領(lǐng)域應(yīng)用推廣的重要阻礙。近年來，伴隨相關(guān)技術(shù)方式的逐步成熟、用戶使用習(xí)慣的改變，疊加應(yīng)用云技術(shù)進行芯片設(shè)計研發(fā)方面的綜合成本、效率優(yōu)勢，云技術(shù)正在EDA領(lǐng)域獲得快速發(fā)展。伴隨EDA云平臺的逐步發(fā)展，云技術(shù)在EDA領(lǐng)域的應(yīng)用第一可以有效避免芯片設(shè)計企業(yè)因流程管理、計算資源不足帶來的研發(fā)風(fēng)險，保障企業(yè)研發(fā)生產(chǎn)效率；第二可以有效降低企業(yè)在服務(wù)器配置和維護方面的費用，讓企業(yè)根據(jù)實際需求更加靈活地使用計算資源；第三可以讓芯片設(shè)計工作擺脫物理環(huán)境制約，尤其在新冠疫情帶來的居家辦公需求下讓EDA云平臺發(fā)揮了重要作用；第四有助于EDA技術(shù)在教育領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用，支持設(shè)計人才培養(yǎng)等相關(guān)工作。此外，類似RISC-V的開源化模式也更適合采用云平臺進行相關(guān)如基于RISC-V內(nèi)核芯片的芯片設(shè)計工作。

責(zé)任編輯：tzh