國產EDA卡在了哪里？

繼光刻機之后，EDA有望成為集成電路產業新的出圈詞匯。

隨著BIS的出口管制得到全球前三大EDA供應商陸續證實，中國集成電路產業鏈再度迎來考驗。

EDA全稱Electronic Design Automation（電子設計自動化），是芯片生產使用的工業軟件的總稱，類似于建筑設計的CAD軟件——事實上，EDA最初就被視為CAD的一個分支。

作為芯片工程師的Photoshop，EDA把畫電路變成了素材排列組合+寫代碼，幾乎貫穿芯片生產的整個生命周期。ASML用來校準光刻機鏡頭的專業軟件，便出自EDA開發商新思科技之手。

一旦離開了EDA工具，想在指甲蓋大小的芯片里集成上百億晶體管，無疑是天方夜譚。

用于芯片設計的EDA軟件

相比半導體設備市場歐、美、日多家龍頭相互制約、相對分散的競爭格局，前三大EDA廠商壟斷了近80%的市場份額，且均為美國公司。與之對應，國內EDA爬坡多年，國產替代率僅勉強超過10%[2]。

EDA是美國集成電路產業優勢最大的板塊，也是國內產業鏈最薄弱的環節。

自動化與分工

EDA與集成電路產業幾乎同步出現，其誕生初衷是把設計電路從畫圖的體力活變成寫代碼的腦力活。

1966年，大名鼎鼎的仙童半導體從IBM挖來了工程師James Koford，直接匯報給公司創始人，也是“摩爾定律”的提出者戈登·摩爾本人，具體任務是設計一套方案，代替人力完成芯片的版圖繪制、測試、布線等必要步驟。

當時，芯片設計師在完成邏輯電路設計后，需要在圖紙上手繪出晶體管及連接導線，即版圖。后續制造環節用到的各類器件、材料（包括光刻用的掩膜版），都基于這份版圖完成的，對準確性要求極高，一旦出錯就要全盤推倒重來。

仙童半導體制造的芯片（按照晶體管密集程度排列）

當一塊電路板上只有十幾個晶體管時，手繪版圖難度自然不大，但當晶體管數量擴大到100個以上，容錯率就相當低了。

一顆包含150個電路模塊（一個模塊里集成了許多晶體管）的芯片，要耗費四個工程師一周的時間，儼然勞動密集型產業。

1955年的索尼TR-55收音機里集成了5個晶體管；70年后，英偉達在B200芯片里塞進了足足2080億個晶體管。如果沒有EDA工具，工作量難以想象。

有IBM的開發經驗打底，James Koford和團隊順利完成任務，開發出了邏輯模擬器、測試程序生成器以及自動布局布線軟件[4]，成功將四個工程師/一周的工時縮減到了一個工程師/一天。

現代的自動布局布線軟件

以此為開端，EDA開始成為加快芯片生產流程的必備工具。

到70年代，摩托羅拉等芯片公司都開始用上了內部開發的EDA工具。但一方面，當時的EDA工具大多種類有限、功能簡陋；另一方面，每家半導體公司的EDA工具都只“適配”自家的芯片設計，在整個產業的戰略價值也相對有限。

1974年，英特爾在以色列法海建立研發中心，核心工作就是研發更好的EDA工具，以支持80286等一系列CPU的設計，負責人就是去年底黯然下臺的英特爾CEO帕特·基辛格（Pat Gelsinger）。

80386開發團隊，基辛格為右二

當時，英特爾總部需要定期將芯片設計的軟件版本從加州發送到以色列海法，后者編寫程序、完成自動化后，送回加州再進行生產制造。70年代還沒有飛書和Slack，效率可想而知。

而伴隨芯片生產環節不斷細分，EDA軟件也愈發繁雜，為了保證開發效率，英特爾只能把EDA研發部門分成三個環節，每個環節細分成四個部門，分散在全球十幾個研究中心。

持續的研發投入和沉重的管理負擔，推動了EDA軟件最大的一次變革：EDA從半導體公司的研發部門變成了一個獨立的產業，第三方EDA供應商開始出現。

1985年，通用電氣率先將其EDA部門拆分成為一家獨立公司，并改名為新思科技。這一時期創立的還有Mentor Graphics和Cadence，如今的EDA三大巨頭正式集結。

由于芯片設計和生產需要的投資越來越大，英特爾、AMD這類芯片公司也樂于使用第三方工具，為自己節約成本。三巨頭憑借與頂級芯片公司的綁定關系，逐步確立了領導地位，一直延續至今。

同一時期，中國的EDA軟件也開始蹣跚起步。

糖與砒霜

1988年秋天，北京集成電路設計中心匯聚了來自全國17家單位的120多名學者和技術人員，國內第一套自研EDA軟件——“ICCAD Ⅲ級系統”開發工作就此鋪開[6]。

中國第一家集成電路專業化工廠成立在1978年，雖然3英寸設備可以從日本和美國引進[7]，但EDA卻受限于“巴統協議”，無法使用海外先進產品，與全球水平隔了幾個世代，嚴重制約了國內芯片研發的發展。

“巴統”全稱巴黎統籌委員會，由美英國等17個西方國家在1949年組建，對冷戰的另一方實施戰略物資和高技術產品的封鎖，EDA作為芯片生產的關鍵工具，自然是重點把控對象。

“ICCAD Ⅲ級系統”上馬的背景，便是這種技術封鎖之下的自主化。

五年后的1993年，包含28個設計工具的EDA軟件“熊貓系統”問世，雖然稱不上世界一流，但對缺少先進EDA軟件的國內芯片設計公司來說，已然雪中送炭，短時間內就被20多家設計公司和研究機構采用。

EDA作為典型的干中學、學中干工種，需要在具體的芯片設計環節中不斷積累經驗改進產品。當時，“熊貓系統”定價便宜大碗，甚至還有美國芯片公司禁不住誘惑前來詢價[6]，看上去進展一切順利。

然而“熊貓系統”問世第二年，“巴統”伴隨蘇聯解體失去了存在價值，封鎖和管制徹底放開，三巨頭之一的Cadence當年就宣布進入中國市場，次年，新思科技和Mentors Graphics也拍馬趕到。

EDA工具成長的關鍵是不怕不好用，只怕沒人用，海外三巨頭自然很清楚這一點。面對初生的假想敵“熊貓系統”，Cadence對雙方重合的工具大幅降價甚至免費提供，再利用自身更齊全的工具箱和經過驗證的成熟方案，迅速搶占市場。

面對這種降維打擊，“熊貓系統”自然難以招架，遺憾折戟。

“熊貓系統”偃旗息鼓后，三巨頭又將戰略方向轉向了高校和科研機構。1995年，新思科技一口氣向清華大學捐贈了20套價值百萬美元的Design Compiler，同時成立對應的電子設計中心，慷慨的不像資本主義世界的公司。

捐贈儀式上的清華大學周祖成教授（左）與新思科技代表陳志寬博士

每家EDA開發商都有自己的數據格式和使用邏輯，彼此并不兼容。類似于不同語種的學習，新思科技的目的，是試圖讓自己的EDA工具成為芯片工程師的“母語”，雖然客觀上推動了國內芯片設計的進步，但讓集成電路產業對自己產生了依賴。

一本武林秘籍練久了就會形成心得和肌肉記憶，用慣了新思編程軟件的工程師，不一定能適應Cadence的編程環境。同時期國產操作系統和Windows有來有回，當時有媒體請還是金山總經理的雷軍點評微軟，后者說了句意味深長的話：

“世界上沒有白吃的代價，人家撒網，讓你來鉆。”

中國的EDA軟件就像一本殘缺的武林秘籍，縱使招式齊全，但沒有受眾，終究無法開門立派，就此與國內芯片設計的發展節奏脫鉤，劃上了一個充滿遺憾的句號。

被掐住的七寸

BIS上一次針對中國發布EDA出口禁令是在2022年，此次全面斷供，除了打擊范圍更廣之外，也給國內集成電路產業的未來蒙上了一層迷霧。

EDA公司大多采用固定期間授權的方式，假設芯片設計公司簽了3年的授權合同，在這3年內，設計公司不僅能用完整的EDA工具，還能獲得軟件更新和對應的技術支持。

根據新思科技的解釋，中國公司此前取得的授權仍然有效，但倘若BIS禁令落實，合同有效期過后將無法續簽，意味著中國公司無法獲得后續的更新和支持。

如果無法使用最先進的EDA工具，對中國公司最直接的影響是難以跟上先進工藝的進步節奏，比如先進制程芯片的流片和生產。

流片可以理解為代工廠為生產芯片前的“試產”，用來測試芯片的功能性能是否符合設計預期，并驗證芯片設計方案與代工廠的工藝適配，這其中涉及一個關鍵的概念——PDK。

PDK全稱Process Design Kit，即工藝設計包，可以理解為代工廠某一節點的用戶使用說明”，其中包括這一節點的設計規則、仿真模型、技術文件等設計參數[8]。

臺積電的PDK

假設一家芯片公司的一款芯片需要在臺積電3nm制程上制造，就需要臺積電提供3nm的PDK，芯片公司根據PDK的參數指導進行芯片設計，否則將導致芯片與臺積電3nm工藝適配度不過關，達不到流片標準。

這與EDA軟件有什么關系呢？別忘了，EDA軟件的客戶除了設計公司，還有芯片代工廠。

臺積電的N2節點就點滿了Cadence和新思科技的工具鏈，制作PDK也采用了后者的EDA工具。芯片設計公司如果沒有事前取得EDA廠商的授權，連PDK都打不開，更別說流片了。

臺積電2nm采用的不同廠商的EDA工具

而對于3nm等先進工藝節點，代工廠還會時不時改良翻新，比如臺積電3nm至今為止已經推出了N3B、N3E、N3P、N3X四個版本，每個版本都對應不同的PDK，需要EDA廠商同步更新相關工具。

一旦EDA廠商停止向芯片設計公司授權，意味著后者無法取得代工廠最新的PDK，基于新工藝的設計和流片同樣無從談起。

PDK是EDA公司、芯片設計公司、代工廠以及整個集成電路產業鏈共生關系的縮影。

集成電路產業經過漫長時間的分工與整合，產業鏈上下游的各個環節，存在著“互相適配”的綁定關系。

一顆芯片從設計到封裝完成，需要用到ARM的指令集和架構、Cadence的EDA工具、Toppan的掩模版、ASML的光刻機、東京電子的刻蝕機、KLA的封測設備、信越化學的硅晶圓、霍尼韋爾的靶材、東京應化的光刻膠等等。

在摩爾定律的推進過程中，每個環節的研發和改進都需要上下游環節的配合協作、相互適配，由此形成了環環相扣的共同體。這個過程中積累的Know How會成為某種意義上的“標準”，進一步拉高行業門檻。

集成電路產業的發展，可以看作產業鏈每個環節肩并肩在摩爾定律的跑道上奔跑。其殘酷之處在于，沒有人會停下來等掉隊的人。一旦跟不上大部隊的節奏，追趕的代價就會成倍增加。

美國EDA三巨頭在90年代的高速增長的原因，是他們與同時期最頂級的半導體公司一起經歷了集成電路產業進步最快的階段，通過一系列收購參與了“標準”的確立。

另一方面，伴隨集成電路產業分工的細化，每一個環節的技術難度和投資規模都望而生畏，進一步提高了挑戰者面臨的困難。

上世紀70年代，日本通產省牽頭，集合富士通、日立、三菱、東芝、NEC五家公司，“僅僅”用了290億日元的財政補貼，就換來了4000多件技術專利和一條完整的半導體產業鏈：做材料的京瓷和住友，做掩模版的TOPPAN，做設備的東京電子，和做光刻機的佳能和尼康。

時至今日，僅臺積電一家公司一年的資本開支就逼近400億美元，想要復刻日本人當年的成績，幾乎是天方夜譚。

中國大陸集成電路產業的薄弱，一個重要原因是在產業高速迭代的周期參與度不足，導致錯過了產業標準和規則的適配過程。

這也一定程度揭示了國內EDA工具發展困境的真相：并非程序員不夠努力，而是整個產業鏈在全球分工中的存在感不足。

尾聲

2023年，華為輪值董事長徐直軍曾宣布實現14nm EDA工具全鏈條國產化[9]，不可忽視的大背景，是14nm工藝從設計、制造、到封測的國產供應鏈的全線打通。

同樣，要實現更先進工藝的國產EDA工具突破，也需要上下游一起進步。

無論是芯片設計、芯片制造還是EDA工具，它們終究是一個“工程問題”而非“科學問題”。兩者的核心區別在于，科學問題是一道答案未知的數學題，有可能題目本身就是錯的；但工程問題有明確的解，能不能做出來考驗自身能力。

EDA工具的特殊性在于，它在商業上類似操作系統和指令集，競爭力很大程度上來自產業上下游共同構建的生態。換句話說，不怕你反復搖擺，就怕你下決心另起爐灶。

當年“熊貓系統”的誕生，恰恰來自密不透風的封鎖，過去數十年里，中國集成電路產業面對的絕望，也遠不止這一次。

參考資料

[1] Synopsys at Bank of America Conference: Navigating Regulatory Challenges

[2] 中國EDA產業白皮書

[3] 1966: Computer Aided Design Tools Developed for ICs, Computer History Museum

[4] Oral History of Fairchild Micromosaic and Micromatrix Programs, Computer History Museum

[5] Coping with the Complexity of Microprocessor Design at Intel – A CAD History, Pat Gelsinger

[6] 錯失15年的中國EDA產業，最終走上崛起之路，集微網

[7] 未曾忘卻的記憶：回旋在酒仙橋地區的集成電路夢，朱貽瑋

[8] 什么是PDK？它在半導體產業起著什么樣的作用，OFweek電子工程網

[9] 突破“烏江天險”，實現戰略突圍——徐直軍在硬、軟件工具誓師大會上的講話，徐直軍

編輯：李墨天

視覺設計：疏睿

責任編輯：何律衡