深度丨EDA 风云

EDA是芯片产业皇冠上的明珠,是 IC设计最上游、最高端的产业。以EDA为代表的开发工具是实现自主可控的重要环节,如果EDA被限制,对于国内半导体行业尤其是高端芯片制造业将造成严重冲击。

EDA科普

所谓的EDA,是指电子设计自动化,用于芯片设计时的重要工具,设计时工程师会用程式码规划芯片功能,再透过EDA 工具让程式码转换成实际的电路设计图。

就像是用电脑编辑文字档案会使用微软的Word 一样,EDA 就是开发芯片时的Word,有了EDA 才有办法开发芯片,使用各式工具,以缩短开发时程。

现今的芯片设计已经达到亿门级集成度,即便经验最丰富的设计工程师也无法凭手工完成。在芯片设计过程中,仿真验证是十分重要的一个环节,以确保芯片进入流片生产环节前符合预期设计性能要求。

而EDA的出现恰好就是为了解决类似这样,因复杂的设计需求带来的芯片设计成本提升的问题,它通过帮助芯片设计人员用更简单的方法去从事设计工作,以缩短研发周期,降低设计成本。

全球EDA呈三足鼎立

2018年全球EDA市场规模为97.15亿美元,70%的市场份额都由Synopsys、Cadence和西门子旗下的Mentor Graphics占据;而在我国这三家所占据的EDA销售额达95%。

目前EDA 市场当中,由Synopsys、Cadence、Mentor Graphics (现在已被西门子收购)三家厂商垄断,三家加总稳居市占率八成,且清一色都是美国厂商,而Synopsys 又居市场龙头地位。

目前三家海外企业占了全球至少70%的份额,这三家就是美国的Synopsys,美国的Cadence 和西门子旗下的 Mentor Graphics。

经过三十余年长足发展,目前全球EDA产业竞争格局主要由Cadence、Synopsys和西门子旗下的Mentor Graphics垄断,三大EDA企业占全球市场的份额超过60%。

Synopsys是2018年的市场份额已达到32.1%;

Cadence仅次于Synopsys,去年市场占有率为22.0%;

Mentor Graphics在被收购之前也能保持超过10%的市场占有率。

Synopsys最全面,它的优势在于数字前端、数字后端和PT signoff。模拟前端的XA,数字前端的VCS,后端的sign-off tool,还有口碑极好的PT、DC和ICC功能都很强大。Synopsys有垄断市场90%的TCAD器件仿真和垄断50%的DFM工艺仿真,这是其在EDA产业竞争中的一把利器。

Cadence的强项在于模拟或混合信号的定制化电路和版图设计,功能很强大,PCB相对也较强,但是Sign off的工具偏弱。

Mentor Graphic也是在后端布局布线这块比较强,在PCB上也很有优势,它的优势是Calibresignoff和DFT,但Mentor Graphic在集成度上难以与前两家抗衡。

新兴技术为国产EDA带来契机

复杂的国际形势给了国内EDA厂商新的发展机遇,此外新技术的出现也为国内的EDA厂商创造了新的市场。

从生产角度来看,为了确保稳定运行并避免产量损失,需要对IC性能进行数千次蒙特卡洛模拟仿真,可能需要几个月才能完成,这是厂商不可接受的。

AI也同理,算法并不是人工智能实现的瓶颈,真正的限制是海量算力和内存容量,这对于人工智能芯片的性能和功耗至关重要,物联网芯片也同样注重超低功耗。

除了一些国际上的非常规因素外,如今也是国产EDA发展的契机,在后摩尔时代IC设计技术的放缓,给予了国产EDA追赶的机会。在一些新兴产业的关键技术上,中国正处于领先地位,这将推动中国集成电路设计行业的持续发展。

可以看出,未来国内想要在EDA工具上有所突破,必须着重在两个点上进行投入,一个是服务器,一个则是后端的布局布线。

而今已有一些公司开始在布局布线领域中崭露头角,并且推出了相关的工具,有望能够在未来与Synopsys、Cadence、Mentor等巨头进行正面竞争。

我国EDA行业现状

我国EDA行业的起步还是很早的,但由于下游产业发展没有对上游产生有效刺激,所以发展的比较缓慢,我国企业目前与EDA三大巨头之间存在较大的技术差距。

但是,近年来我国EDA企业的发展也呈现出可喜的势头。中国EDA行业三剑客已经隐现:华大九天、广立微、芯禾科技。

虽然中国的EDA企业与技术成熟的行业巨头硬碰硬如同以卵击石,但相对于国外的EDA企业,我国的公司更容易实现我国企业定制化的要求,对客户高匹配度的定制化支持,将会是国产EDA的生存和发展的武器。

当然,在生存和发展的基础上,完成追赶和超越才是我们的发展目标,而实现这一目标的前提就是不断研发和创新。

国内EDA厂商与先进工艺结合比较弱,设计与工艺对接的纽带就是EDA,如果EDA和工艺结合不够好,就很难起到纽带的作用。

在与工艺结合方面,三大EDA公司有天然优势,它们在新工艺开发阶段就与晶圆制造厂合作,因此对工艺理解很到位,反过来可以更好地改进工具以支持先进工艺,而国内EDA厂商只能在工艺开发完以后拿到部分数据。

国内企业半路上车

华大九天:作为CEC中国电子旗下的二级子企业,目前已经成为我国规模最大、技术最强的EDA龙头企业,也是大规模集成电路CAD国家工程研究中心依托单位,承担着国产EDA软件研发与推广的重任。

广立微:提供性能分析和良率提升方案的供应商,可以提供基于测试芯片的软、硬件系统产品以及整体解决方案,可用于高效测试芯片自动设计、高速电学测试和智能数据分析的全流程平台,利用特有的流程平台与技术方法来提高集成电路性能、良率、稳定性和产品上市速度的定制服务。

芯禾科技:芯禾科技致力于为半导体芯片设计公司和系统厂商提供差异化的软件产品和芯片小型化解决方案,包括高速数字设计、IC封装设计、和射频模拟混合信号设计等。其中,芯禾科技的EDA产品以仿真为主,包括高速仿真解决方案、芯片仿真解决方案、高级封装仿真解决方案、云平台仿真解决方案等。

北京博达微科技有限公司:博达微是全球唯一提供包含高精密参数化测试、器件建模仿真、PDK 开发与验证的完整软硬件工程服务体系。在EDA工具方面,其 MeQLab/PQLab软件用于先进工艺器件建模、仿真和 PDK 验证。

国产EDA发展驱动因素

①随着我国集成电路产业的快速发展,从需求端对国产EDA的发展起到了极大的拉动作用。一些国内领先的集成电路企业将国产EDA工具融合到自身的工作流程中来,一方面给国产EDA企业提供了业务,同时也促进了国产EDA产品的优化迭代。

②EDA产业整体的发展面临转折点,在一些领域存在弯道超车的机会。我国EDA产业有可能抓住机会,在一些前沿领域上实现突破,取得领先地位。

③国产EDA产业的人才供给情况正在逐步改善,尤其是一些高端领军人才回国创业,为产业注入了新的发展动力。

④国家层面开始关注EDA产业的发展,相应的一些资本扶持也将落实,在国家资本的引导下,社会资本也将形成一个EDA产业投资的小高潮。

EDA巨头下代技术发展前沿

随着IC设计复杂度的提升,新工艺的发展,EDA行业有非常大的发展空间,目前产业两大发展方向:人工智能、云计算等技术应用在EDA软件。

①云计算+EDA:云技术的应用主要有三大优点:快速部署可提高工程效率并加速项目完成;通过灵活的解决方案和大规模可扩展的云就绪工具实现无痛采用;经过验证的解决方案据有很好的安全性,被许多客户信赖和使用。

②人工智能+EDA:芯片敏捷设计是未来发展的一个主要方向,深度学习等算法能够提高EDA软件的自主程度,提高IC设计效率,缩短芯片研发周期。机器学习在EDA的应用可专门为芯片设计工程师提供仿真和验证工具的EDA细分行业是整个半导体行业生态链中最上游,最高端的节点。

结尾:

EDA是芯片设计方案与半导体物理世界的纽带,失去了它,就切断了与原材料晶圆厂之间的联系,芯片也就无从谈起。经过数十年的发展,整个EDA产业基本形成了稳定的技术市场,它也代表了整个电子设计技术的最新发展方向。