隨著美國對中國晶片產業的打壓逐步升級，卡脖子由晶片向著核心技術延伸，大家發現EDA軟體也是要補的短板，發展國產EDA軟體的呼聲很高。EDA軟體雖然也是一種軟體，但開發時要運用大量半導體和微電子學知識，而且它的市場容量很有限，養不活大批EDA軟體公司。因此，國產EDA軟體的開發要科學規劃，要避免低水平競爭，避免蜂擁而上。
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/202006/414322.htm集成電路(晶片)產業是信息技術產業的核心，是支撐經濟社會發展和保障國家安全的戰略性、基礎性和先導性產業。EDA軟體是晶片設計的必備工具，因而是晶片產業的重要基石之一。雖然從商業角度看，EDA軟體是研發難度大、要持續不斷更新和投入、淨利潤率也不高的「苦逼」行業，但從重要性角度看，它是一個「極其重要」的行業，可以說是重中之重，需要政府高度重視、科學規劃和大力支持，加快國產EDA軟體行業發展勢在必行。筆者從自身經歷和對行業的觀察，淺談對國產EDA軟體開發的想法，並提出了6點發展建議。
一、揭開EDA軟體的神秘面紗
EDA 軟體 就是電子設計自動化(Electronics Design Automation)軟體。它是設計集成電路(晶片)的必備工具，因此也叫 EDA工具。 設計人員在工作站上使用EDA軟體，要把數十億(甚至上百億)個電晶體、存儲單元、電阻、電容等安排在1cm²不到的矽片面積上，並連接成極其複雜的電路，例如CPU、SOC、Flash晶片等，而且要保證設計萬無一失後，才能送到製造廠去加工。EDA軟體的任務流程一般包括： 1. 硬體描述語言(HDL)輸入； 2. 邏輯編譯、簡化和分割； 3. 電路綜合、優化、布局和布線； 4. 電路仿真模擬； 5. 生成製造數據。如果說設計晶片很難，那麼設計EDA軟體就更難。 可以說，沒有EDA軟體就沒有各種複雜晶片，就沒有各式各樣的智能設備，因而就沒有了我們今天的工業信息化、通信便利化、生活智能化的社會。 EDA軟體是從上世紀70年代開始，逐步從計算機輔助設計(CAD)、計算機輔助製造(CAM)、計算機輔助測試(CAT)和計算機輔助工程(CAE)等技術演變而來，已有50多年的發展史。它大致經歷了三個發展階段(參考4)。 第一階段 是CAD時代(二十世紀七十到八十年代)。這個時期的CAD主要功能是交互圖形編輯，電晶體級布圖設計、布局布線、設計規則檢查，門級電路模擬和驗證等。 第二階段 是EDA軟體走向商業化(九十年代)。這一階段，硬體描述語言VHDL和Verilog產生了，這為EDA軟體的商業化打下良好的基礎。隨著硬體描述語言的標準化和晶片設計方法的不斷發展，推動了EDA軟體的普及和發展。這個時期EDA軟體的特徵是高級語言描述、系統級仿真和綜合技術、以及正向（Top Down）設計方法成為主流。 第三階段 是EDA軟體進入系統級設計階段(本世紀開始)。這一時期在仿真驗證和設計兩個層面，支持標準硬體描述語言的EDA軟體的功能更加強大，更大規模的可編程邏輯器件不斷推出，系統級、行為級硬體描述語言趨於更加高效和簡單，使更大規模的系統級晶片(SoC)設計成為可能。 經過最近三十年的市場博弈，不斷兼併，強者恆強。全球EDA市場仍然由Synopsys、Cadence和Mentor三家EDA廠商所壟斷，大的格局並沒有變化。
圖1.全球最大的三家EDA軟體供應商 2018年可以看作人工智慧(AI)的元年，國際著名EDA廠商已經開始研發具有AI功能的EDA軟體，試圖在EDA軟體中應用AI算法賦能晶片設計。今年3月12日，Synopsys推出業界首個用於晶片設計的自主AI應用程式DSO.AI(Design Space Optimization AI)，這是電子設計技術上所取得的重大突破。3月18日，Cadence發布了經過數百次先進工藝流片驗證的數字全流程新版軟體，採用了支持機器學習（ML）功能的布局布線和物理優化引擎，吞吐量最高提升3倍，功率、性能和面積(PPA)最高提升20%，助力設計更卓越的晶片。而Mentor的機器學習(ML)OPC可以將光學鄰近效應修正(OPC)輸出預測精度提升到納米級，同時將執行時間縮短3倍(參考5)。
二、筆者的EDA軟體開發舊事
筆者80年代在航天部七七一所讀研的時候，參與了沈緒榜院士主持的部管預研課題「智能矽編譯器」(Intelligent Silicon Compiler，後文簡稱：ISC)的研究。課題內容是研究如何用自然語言描述要設計的晶片，如何通過計算機把晶片描述一步步編譯，最後生成製造晶片所需的晶片布圖(Layout)數據。簡單地說，ISC課題研究的是晶片的全自動設計方法，這是EDA的最高境界。即便今天看來，ISC的理想也是非常先進和高遠。目前，國外三家EDA廠商的EDA軟體還沒有實現ISC的理想，也就是說還不能全自動地設計晶片。 把當前 EDA軟體 與 ISC的理想 相比較的話，差別在於： 1. 硬體描述語言（HDL）比自然語言低級； 2. 設計流程中的一個個軟體工具是人工組織起來的，不是ISC那樣自動完成的； 3. 晶片設計人員不但要熟練掌握EDA軟體，更要具備豐富的晶片設計經驗，而ISC對晶片設計人員的要求不高。 當然，ISC是一個預研課題，是一種方法論研究。在當時電腦配置極其低下(顯示解析度640X480、主頻4Mhz、內存128KB、硬碟20MB)的條件下，ISC是無法真正開發出來並商業化運用。40年後的今天，在電腦配置極其豪華的條件下，全球最先進的EDA軟體還沒有實現ISC追求的目標。筆者研究生論文的工作集中在ISC的組成結構、專家庫系統、布圖描述語言、人機圖形接口等方面，並完成了晶片布圖的CIF格式和GDSII格式的互轉軟體，基於AutoCAD系統開發了坐標紙上晶片布圖的數位化輸入軟體。
圖2.基於AutoCAD在微機上開發的Micro-CV系統 筆者算是國內較早的IC CAD軟體開發者和系統應用者。當年七七一所購置的國外的IC CAD系統，包括Computer Vision系統(簡稱：CV系統)和阿波羅(Apollo)圖形工作站。它們的主要功能是:坐標紙上晶片布圖的數位化輸入，用mSPICE軟體對器件參數進行仿真，修改和檢查晶片布圖，全晶片的布局和布線，設計規則檢查，大型繪圖機繪製晶片布圖等。90年代初期在深圳使用過Tanner公司的晶片布圖編輯軟體L-EDIT，已感受到EDA軟體進步之神速。
圖3.小型機CV系統和阿波羅(Apollo)圖形工作站
三、EDA軟體是個苦逼的行業
說到要發展國產EDA軟體，行外人士倒是信心滿滿，不就是設計個軟體嗎，但業內人會皺皺眉頭說「EDA軟體是個苦逼的行業」。這麼說是有理由的，筆者認為有以下幾方面的原因。 1.EDA 軟體開發很難，並且需要不斷更新開發，不斷研發投入，是一個持續「高度燒腦」的行業。 EDA軟體要 處理 數十億(甚至上百億)個電路元件，並把它們 連接 成理想功能的晶片。處理和連接的難度猶如把面積僅1cm²的晶片放大25萬倍後，看到在半個深圳灣高新區的面積上，用最窄5毫米的線條(多晶矽、氧化層、外延層、離子注入區、上下層過孔、鋁連線等) 縱橫交織 構成一個「 電路森林 」，這種縱橫交織有10～20層之多。EDA軟體既要保證這種處理、連接、縱橫交織完全不會出錯，又要滿足電路參數、速度、功能、面積、功耗等約束條件。所以，由事難想到做事的工具之難，設計EDA軟體的難度可想而知。 另外，一般軟體開發完成後，基本可以定型並大量銷售，未來的維護只是在發現錯誤(Bug)後，打個補丁或者更新一個版本。但是，EDA軟體首先不能出現Bug,另外隨著半導體工藝的進步(或者革命性變革)，EDA軟體都要隨著開發升級版本(或者革命性新版本)，並且它的銷售數量非常有限。因此，大的研發投入和較少的銷售數量，決定了EDA軟體價格不菲。
圖4. 1cm²的晶片放大25萬倍後，可以看到在半個深圳灣高新區的面積上，布滿了最窄5毫米的線條縱橫交織構成的「電路森林」，縱向堆疊多達10～20層之多。 2. 人才培養難度較大，人才緊缺，薪水較高，EDA軟體是一個真正的高技術行業。 EDA軟體開發不同於一般軟體開發，它交叉在軟體工程學、半導體和微電子學兩個領域之間。目前高校還沒有這樣二合一的學科設置，既要學軟體專業，又要學半導體和微電子專業。目前從業者可以是工作中半路轉行，惡補另外一個學科的知識；也可以是兩個專業的人配合工作，各取所長。筆者專業是計算機硬體兼顧軟體工程，讀研時學了超大規模集成電路和半導體工藝課程，所以對EDA軟體開發有一定了解。但是，如果是學半導體和微電子專業的人，工作中轉向從事EDA軟體編程，要掌握軟體工程的知識難度較大。目前EDA軟體人才緊缺，資深高級人才更缺，需要國家有計劃地在高校中定向培養。 3. 用戶數量非常有限，市場不大，EDA軟體是一個淨利潤率不高的行業。 市場容量不大可以理解，中國純晶片設計公司也就1000多家，其中大多是中小企業，很難做到按需購買正版國產EDA軟體。即便每家都買，假如 平均 每年每家購買100萬元的國產EDA軟體（國外EDA軟體另當別論），則國產EDA軟體市場容量為10億多元。假如每家購買500萬元，則國產EDA軟體市場容量也僅50億元的規模。 再來看看國外三家龍頭EDA廠商的情況。根據股票市場的公開信息，2019年，三家EDA軟體公司的總收入合計不超過80億美元，估計全球EDA軟體市場規模不超過100億美元。2019年Synopsys和Cadence的總收入分別是33.61億美元和23.36億美元，淨利潤分別為5.324億美元和9.89億美元，淨利潤率分別是15.8%和42.3%。從歷年的情況可以看出，EDA軟體行業的發展呈現小幅平穩增長態勢，難有爆發式增長的情形，淨利潤率基本在10%～15%之間變化。所以說EDA軟體行業是一個高投入、淨利潤率不高的行業。
圖5.Synopsys和Cadence近5年的淨利潤率變化情況（來源：根據公開資料整理）
四、EDA軟體是我國必補短板
去年5月16日，美國商務部以國家安全為由把華為納入實體清單。過後Synopsys、Cadence和Mentor三家EDA軟體廠商相繼宣布與華為終止合作。很佩服華為具有先見之明，之前已購買了部分EDA軟體的永久許可(Licence)，今後雖然得不到原廠技術支持和最新升級，但可以維持一年半載，爭取時間另求生機。相比晶片和元器件斷供，EDA軟體斷供對華為的打擊更大。意味著如果沒有國外最新EDA軟體支持，華為將無法設計新的高性能晶片，包括手機晶片、伺服器晶片、人工智慧晶片等，原來的「備胎晶片團隊」也將無法做事。 目前美國還沒有對中國所有晶片公司禁售EDA軟體，如果這種極端的情況發生，國內大約1000多家純晶片設計公司將無法正常開展業務。 EDA軟體 、 設備 、 原材料 和 工藝技術 是「卡」在我們晶片產業「脖子」上的四隻手。正如美國警察肖萬非法「鎖喉」弗洛伊德一樣，任何一隻手發力都讓我們的晶片產業「無法呼吸！」。因此，發展國產EDA軟體再苦再難，這個事關我們信息技術(IT)產業安危的短板必須補上。 目前，國內EDA軟體廠商有華大九天、廣立微、概倫電子、芯禾科技等近十家公司，並且近幾年都加大了研發投入，但還難以與國外先進EDA軟體相提並論。現實情況是， 1. 國產EDA軟體在特定功能上有特點和特色，應用於某些小眾場合沒有問題，(這也是他們面對國外EDA三巨頭的生存之道)。但是能形成全流程大範圍應用的產品較少。 2. 有國外先進EDA軟體可用情況下，國產EDA軟體認可度很低，從研發、使用、反饋、提升的「正反饋」鏈條難以形成，產品快速迭代和競爭力提升無法完成，制約了國產EDA軟體的成熟。所以有個奇怪的說法，國外EDA軟體禁止之時將是國產EDA軟體行業的春天。 3. EDA軟體人才緊缺，需要國家有計劃地定向培養。
五、發展國產EDA軟體的建議
根據對國內外EDA軟體行業的了解，結合我們晶片產業補短板、強弱項的實際情況，筆者對發展國產EDA軟體有一些粗淺的想法，並高度關注4個問題。難度較大，要正確面對；避免無序，要頂層設計；配合重要，要規範當先；市場有限，要避免盲從。以下是筆者對發展國產EDA軟體的建議。 1. 成立聯盟 ：建議成立由政府主管部門或研究機構牽頭，由國內龍頭EDA企業、晶圓廠、高校和研究機構、重點IC設計企業組成的「國家EDA軟體開發產學研聯盟」，共商良策，共促國產EDA軟體發展。 2. 起草規範： 在聯盟中成立專家組，以現有國產EDA軟體為基礎，制定國產EDA軟體的開發規範。包括 功能模塊 規範、 資料庫 規範、 數據交換接口 規範、用 戶交互界面 規範等。避免遍地開花、無序開發、軟體工具之間不能協同、低層次競爭等情況發生，避免造成寶貴的時間和資源浪費。 3. 上雲架構： 除了傳統 雲下架構 外，考慮增加基於超算平臺和雲平臺的國產EDA軟體的 雲上架構 ，二種總體架構並列考慮，開發者同時研發兩個版本的EDA軟體。目前國外EDA軟體還未普及雲上模式。國產EDA軟體最好能以雲服務的形式向IC企業、高校師生、甚至系統企業提供服務，便於國產EDA軟體普及。 4. 應用AI技術： 在構建國產EDA軟體總體架構時，要把人工智慧(AI)技術的應用放在重要位置。否則，我們在起點就已落後於國外EDA軟體了。 5. 認領開發： EDA軟體的功能模塊可由龍頭EDA軟體企業認領開發、懸賞揭榜開發，政府給予大力資助。一個功能模塊可由1～3家EDA軟體企業承擔，可冠名自己的品牌，進行市場自由競爭。政府動態監管和支持，優勝劣汰。 6. 推廣平臺： 適時依託國家IC基地，在全國布局成立國產EDA軟體推廣平臺，政府大力支持國產EDA軟體的推廣及應用。 結語： EDA軟體的研發投入很大，需要長期的知識和經驗積累，而且即使有了產品上市，今後還要跟隨晶片技術進步而不斷投入升級研發。所以，EDA軟體行業是個十分艱苦的行業。同時，EDA軟體市場十分有限，淨利潤率也不高，不能養活太多公司。所以，EDA軟體雖然處在補短板、強弱項的風口上，還請那些沒有思想準備、準備炒概念、想賺快錢、想拿政府資助的企業繞道吧，避免轟轟烈烈過後一地雞毛。希望把機會留給那些對EDA行業有深刻了解，有技術積累，有報國情懷的企業家們，讓他們的資金投入和辛勤勞動獲得更多回報，讓國產EDA軟體的短板補齊，支持晶片行業健康發展。
參考資料 ：
1. 周祖成，EDA的機遇與挑戰，微信公眾號【芯人類】，2019.7.27
2. 趙元闖，華大九天劉偉平談國產EDA突圍之路，微信公眾號【芯思想】，2019.8.13
3. 李嚴峰，再談本土EDA競爭力順便聊聊DTCO在中國落地，微信公眾號【芯思想】，2019.12.30
4. EDA365電子論壇，EDA發展歷史及現狀， 搜狐網https://www.sohu.com/a/37730 6 647_120012815， 202 0.3.3
5. 邸志雄，谷歌會超越三大巨頭壟斷晶片EDA設計工具嗎？微信公眾 號【網 絡交換FPGA】，2020.4.28
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