劉偉平

-研究員級高級工程師

-北京華大九天科技股份有限公司董事長

文章摘要

在回顧國內(nèi)外電子設(shè)計自動化（EDA）產(chǎn)業(yè)與知識產(chǎn)權(quán)（IP）核產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷程的基礎(chǔ)上，分析了EDA產(chǎn)業(yè)與IP核產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展趨勢。通過國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀的對比分析，提出了國內(nèi)EDA產(chǎn)業(yè)與IP核產(chǎn)業(yè)的發(fā)展建議。

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集成電路是信息產(chǎn)業(yè)的核心，是支撐國民經(jīng)濟、社會發(fā)展和保障國家安全的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)，是引領(lǐng)科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的關(guān)鍵力量。集成電路應(yīng)用從最初的軍事領(lǐng)域，逐步擴大到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、政務(wù)、金融、安全、辦公、通信、教育、傳媒、娛樂等眾多領(lǐng)域。集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展水平已經(jīng)成為衡量一個國家綜合實力的重要標(biāo)志。如圖1所示，集成電路產(chǎn)業(yè)鏈可大致分為設(shè)計、制造和封裝測試3大環(huán)節(jié)，而電子設(shè)計自動化（Electronic Design Automation, EDA）軟件與知識產(chǎn)權(quán)（Intellectual Property, IP）核則是集成電路產(chǎn)業(yè)的支撐基礎(chǔ)。

圖1　EDA軟件與IP核在全產(chǎn)業(yè)鏈中所處位置

EDA軟件是指用于協(xié)助完成超大規(guī)模集成電路芯片的設(shè)計、制造、封裝測試等產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)的計算機輔助設(shè)計（Computer Aided Design, CAD）軟件工具。隨著芯片復(fù)雜度的不斷提升，基于先進(jìn)工藝節(jié)點的集成電路可以達(dá)到上百億個半導(dǎo)體器件的規(guī)模，所以不借助EDA軟件已經(jīng)無法完成芯片的設(shè)計。此外，隨著芯片加工工藝技術(shù)的不斷提升，芯片的制造、封裝測試等生產(chǎn)加工過程，也越來越需要軟件工具來輔助配合。因此，EDA軟件已經(jīng)成為芯片設(shè)計制造必不可少的戰(zhàn)略支撐要素，也是半導(dǎo)體行業(yè)皇冠上的明珠。

在20世紀(jì)60年代，芯片規(guī)模小，集成度低，EDA軟件基本上以內(nèi)部自用的形式存在，也就是芯片設(shè)計公司內(nèi)部有自己的CAD部門專門做一些軟件工具以加速設(shè)計。但隨著芯片設(shè)計越來越復(fù)雜，工藝越來越先進(jìn)，芯片設(shè)計與制造廠商急需大量商用的EDA工具。到了20世紀(jì)80年代中后期，商用EDA軟件確立了主流地位，并經(jīng)過市場的充分競爭，走出了一批以Synopsys（新思科技，1986年成立）、Cadence（楷登電子，1988年成立）和Mentor Graphics（明導(dǎo)國際，1981年成立，已被德國Siemens收購）為代表的EDA軟件公司。

IP核是指在集成電路設(shè)計領(lǐng)域已經(jīng)過驗證、可重復(fù)利用、具有某種確定功能、擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的功能模塊。IP核可以被重復(fù)應(yīng)用在包含該電路模塊的其他芯片設(shè)計的項目中，從而減少設(shè)計的工作量，縮短設(shè)計周期，提高芯片設(shè)計的成功率。這些電路模塊的成熟設(shè)計凝聚著設(shè)計者的智慧，體現(xiàn)了設(shè)計者的知識產(chǎn)權(quán)。

IP核復(fù)用在早期也是以內(nèi)部自用的形式存在，由芯片設(shè)計廠家內(nèi)部自我積累IP核用于不同的芯片設(shè)計。到了20世紀(jì)80年代后期，商業(yè)IP核授權(quán)的模式開始出現(xiàn)雛形，一些小公司開始出售為模擬器和仿真器編寫的邏輯仿真模型。1990年，ARM（Advanced RISC Machines, RISC微處理器）設(shè)計部門從ARM公司獨立出來，獨立后的ARM不再生產(chǎn)處理器，而是專門從事IP核授權(quán)業(yè)務(wù)。這標(biāo)志著集成電路設(shè)計行業(yè)正式進(jìn)入IP核授權(quán)業(yè)務(wù)時代。此后，隨著集成電路復(fù)雜度的不斷提升，尤其在進(jìn)入系統(tǒng)級芯片（System on Chip, SoC）時代后，一些EDA軟件公司也逐漸進(jìn)入IP核提供商的行列。例如，Synopsys和Cadence的IP核業(yè)務(wù)自2010年開始進(jìn)入高速發(fā)展期。

如今，EDA軟件與IP核在整個半導(dǎo)體行業(yè)起著基礎(chǔ)支撐的作用，是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的基石。通過EDA軟件與IP核的協(xié)同配合，能夠快速地推出更加符合市場需求的芯片。如圖2所示，EDA軟件與IP核本身是相對小眾的行業(yè)，2021年全球的市場規(guī)模共132.75億美元，但它們撬動了萬億美元規(guī)模的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，并進(jìn)一步支撐起了百萬億美元規(guī)模的信息產(chǎn)業(yè)與信息服務(wù)業(yè)。

圖2　EDA軟件與IP核是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的基石
（來源：國際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會）

EDA產(chǎn)業(yè)與IP核產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1? EDA產(chǎn)業(yè)

EDA產(chǎn)業(yè)的發(fā)展大致歷經(jīng)了4個階段：第一階段是CAD階段；第二階段是計算機輔助工程（Computer Aided Engineering, CAE）階段；第三階段是EDA系統(tǒng)設(shè)計階段；第四階段是當(dāng)代EDA階段。

第一階段：在集成電路的早期發(fā)展階段，由于芯片復(fù)雜度低，芯片設(shè)計人員可以通過手工操作完成電路圖、版圖的設(shè)計等工作。20世紀(jì)70年代中期，隨著芯片集成度、復(fù)雜度的提高，設(shè)計人員開始嘗試使用計算機輔助設(shè)計手段來提升芯片設(shè)計效率，主要使用的工具包括電路圖編輯工具、版圖編輯工具、電路仿真工具以及用于支持芯片應(yīng)用的印制電路板（Printed Circuit Board, PCB）設(shè)計工具等。

第二階段：20世紀(jì)70年代后期至20世紀(jì)80年代初期，EDA技術(shù)進(jìn)入發(fā)展和完善階段，主要是在第一階段的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展了邏輯模擬、時序分析、故障分析、自動布局和布線等核心工具。利用這些工具，設(shè)計師能在產(chǎn)品制作之前更好地預(yù)知芯片產(chǎn)品的功能和性能，并極大地提升設(shè)計效率。

第三階段：1980年，卡弗爾·米德（Carver Mead）和琳·康威（Lynn Conway）在其發(fā)表的論文《超大規(guī)模集成電路系統(tǒng)導(dǎo)論》（Introduction to VLSI Systems）中提出的通過編程語言進(jìn)行芯片設(shè)計的新思想，是EDA發(fā)展進(jìn)入一個新階段的重要標(biāo)志。至20世紀(jì)80年代中后期，基于這一思想的硬件描述語言與設(shè)計仿真、邏輯綜合等EDA技術(shù)走向成熟，在產(chǎn)業(yè)界得到了廣泛應(yīng)用，并進(jìn)一步發(fā)展出以高級語言描述、系統(tǒng)級仿真和系統(tǒng)級綜合技術(shù)為特征的EDA技術(shù)。

正是在這一時期，當(dāng)今的EDA軟件三巨頭公司Synopsys、Cadence、Mentor Graphics分別在美國成立，并逐步壟斷全球EDA軟件市場。

第四階段：主要標(biāo)志是基于IP核的SoC設(shè)計方法及相應(yīng)EDA技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。同時，由于芯片的設(shè)計已不再局限于芯片本身，而更多地與上下游即芯片制造、封裝測試以及應(yīng)用相融合，出現(xiàn)了設(shè)計工藝協(xié)同優(yōu)化（Design Technology CoOptimization, DTCO）、系統(tǒng)級協(xié)同設(shè)計等設(shè)計概念和設(shè)計方法。因此，當(dāng)代EDA工具必須具備支持這些設(shè)計方法的能力。

在EDA技術(shù)出現(xiàn)的早期（20世紀(jì)80—90年代），市場上曾涌現(xiàn)出一大批從事EDA技術(shù)開發(fā)的公司。但經(jīng)過殘酷的市場競爭，其中的大多數(shù)已被淘汰出局，EDA行業(yè)也從早期的“群雄逐鹿”發(fā)展到如今“三分天下”的局面，成為一個高度壟斷的行業(yè)。如圖3所示，2018—2020年，三巨頭公司Synopsys、Cadence和Siemens EDA（前身為Mentor Graphics）穩(wěn)居全球EDA行業(yè)前3名，占據(jù)超過70%的市場份額。

內(nèi)圈至外圈分別為2018—2020年數(shù)據(jù)。

圖3　2018—2020年全球EDA工具市場競爭格局
（來源：賽迪智庫）

三巨頭的成功絕非偶然。國際EDA軟件三巨頭的做法主要體現(xiàn)在以下3方面。

（1）投入高額研發(fā)費用。如圖4所示，Synopsys和Cadence兩巨頭的研發(fā)費用逐年攀升，Synopsys的研發(fā)費用占營業(yè)收入的比例常年高于30%，Cadence的研發(fā)費用占比更是達(dá)到了40%，高額的研發(fā)投入保障了EDA軟件的技術(shù)進(jìn)步，更是EDA軟件巨頭持續(xù)保持市場競爭力的關(guān)鍵。

圖4　2016—2020年Synopsys和Cadence的研發(fā)費用及其在營業(yè)收入的占比
（來源：Synopsys公司和Cadence公司財報）

（2）頻繁進(jìn)行兼并收購。EDA軟件三巨頭自成立以來就不斷并購在某些細(xì)分領(lǐng)域領(lǐng)先的中小型EDA軟件公司，擴大業(yè)務(wù)規(guī)模，完善產(chǎn)品體系。通過一系列的成功兼并收購，EDA軟件三巨頭不斷發(fā)展壯大，形成了寡頭壟斷。在過去的30多年間，Synopsys和Cadence分別進(jìn)行了80次和62次的兼并收購。Mentor Graphics在2016年被Siemens收購，在被收購之前也進(jìn)行了66次并購。

（3）得到政府強力的政策扶持。美國政府在EDA產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中發(fā)揮了重要的作用。例如，為了保持美國在該領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，美國國防部高級研究計劃局（DARPA）于2017年6月1日宣布推出“電子復(fù)興計劃”（Electronics Resurgence Initiative, ERI），把EDA列入了第一批予以支持的內(nèi)容，并預(yù)計在未來5年投入超過20億美元來支持芯片技術(shù)的研發(fā)。另外，美國國會也加入了對電子復(fù)興計劃的投資，每年增加投入1.5億美元。此外，美國國家科學(xué)基金（NSF）、信息技術(shù)研究計劃（ITR）和國家納米計劃（NNI）也為EDA研究提供額外的投資，并且對從事EDA研究的人員進(jìn)行項目獎勵及資助。

國內(nèi)EDA產(chǎn)業(yè)起步較晚且發(fā)展較為曲折，經(jīng)歷了西方全面封鎖期、集中突破期、沉寂期、緩慢發(fā)展期，以及2018年之后的快速發(fā)展期等多個階段。

20世紀(jì)70—80年代，由于當(dāng)時的巴黎統(tǒng)籌委員會對中國實施禁運管制，中國無法購買到國外的EDA工具，只能開展EDA技術(shù)的自主研發(fā)與攻關(guān)。1988年中國啟動了國產(chǎn)EDA軟件“熊貓系統(tǒng)”的研發(fā)工作，并于20世紀(jì)90年代初成功研發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的EDA系統(tǒng)——熊貓ICCAD系統(tǒng)，填補了中國在這一領(lǐng)域的空白。

然而在此之后，國外解除了對中國EDA工具的封鎖，國外EDA工具大量進(jìn)入國內(nèi)市場，使缺少政策和市場支持的國產(chǎn)EDA工具研發(fā)和應(yīng)用發(fā)展陷入低谷，這種情形也導(dǎo)致了國內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)對國外EDA工具的重度依賴。

2008年4月，作為《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》所確定的16個國家科技重大專項之一，國家科技重大專項“核心電子器件、高端通用芯片及基礎(chǔ)軟件產(chǎn)品”（簡稱“核高基”專項）實施方案經(jīng)國務(wù)院常務(wù)會議審議并原則通過，EDA作為該專項的重要內(nèi)容重新獲得了鼓勵和扶持。2008年以來，國內(nèi)EDA領(lǐng)域涌現(xiàn)出了華大九天、概倫電子、廣立微電子、國微集團、芯和半導(dǎo)體等多家EDA軟件公司。至此，中國大陸EDA工具企業(yè)開始進(jìn)入市場的主流視野。

隨著2018年以來中美貿(mào)易摩擦的加劇，以及逆全球化的潛在風(fēng)險不斷增加，美國對中國高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的限制逐步加深，這在集成電路和EDA工具領(lǐng)域體現(xiàn)得尤為明顯。例如，2019年EDA軟件三巨頭終止了與華為公司的合作，以及2022年8月美國頒布了《芯片與科學(xué)法案》（該法案含有巨額產(chǎn)業(yè)補貼和遏制競爭的霸道條款），為國產(chǎn)芯片的發(fā)展蒙上了一層陰影。在此背景下，政府和資本領(lǐng)域?qū)DA領(lǐng)域的關(guān)注度快速上升，支持力度也顯著加大。近年來，中國陸續(xù)出臺了大批鼓勵性、支持性政策，以加速EDA工具的國產(chǎn)替代，加快攻克重要集成電路領(lǐng)域的“卡脖子”技術(shù)，有效突破產(chǎn)業(yè)瓶頸，牢牢把握創(chuàng)新發(fā)展主動權(quán)。此外，資本市場也看到了EDA行業(yè)的商機，開始積極投入支持國產(chǎn)EDA技術(shù)產(chǎn)品的開發(fā)。

在國家政策與資本的雙重支持下，國產(chǎn)EDA廠商數(shù)目不斷增加，國產(chǎn)EDA行業(yè)逐漸壯大，星火已現(xiàn)燎原之勢。根據(jù)芯思想研究院（ChipInsights）數(shù)據(jù)，2020年國內(nèi)已有約49家EDA企業(yè)，截至2021年12月30日，國內(nèi)已有4家EDA企業(yè)申請首次公開募股（Initial Public Offering, IPO）。隨著這些國產(chǎn)EDA廠商從各個細(xì)分領(lǐng)域進(jìn)行技術(shù)突破，中國EDA產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進(jìn)入快速發(fā)展期。

目前，國內(nèi)EDA工具市場仍由國際三巨頭占據(jù)絕對主導(dǎo)地位。如圖5所示，2020年國內(nèi)EDA工具市場銷售額約80%由國際三巨頭占據(jù)。國內(nèi)EDA工具供應(yīng)商目前所占市場份額較小。

內(nèi)圈至外圈分別為2018—2020年數(shù)據(jù)。

圖5　2018—2020年中國EDA工具市場競爭格局
（來源：賽迪智庫）

1.2??IP核產(chǎn)業(yè)

在芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展的早期，由于芯片種類有限，設(shè)計難度相對較低，大多數(shù)芯片設(shè)計公司都可以獨立完成整個芯片設(shè)計流程。此時的半導(dǎo)體芯片公司不僅獨立設(shè)計芯片，也一手包辦芯片制造、封裝測試甚至銷售，這類公司就是整合元器件制造商（IDM），如英特爾、德州儀器、摩托羅拉、三星、飛利浦和東芝等。

隨著摩爾定律的不斷演進(jìn)，半導(dǎo)體芯片的設(shè)計和制造越來越復(fù)雜、成本也越來越高，以致一家半導(dǎo)體公司往往無法負(fù)擔(dān)從上游到下游的高額研發(fā)與制造費用。因此，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)于20世紀(jì)80年代末期逐漸走向?qū)I(yè)分工的模式，即部分公司專門做芯片設(shè)計，設(shè)計完成后再交由其他公司做晶圓代工和封裝測試。該階段的里程碑事件是1987年中國臺灣積體電路制造股份有限公司（簡稱臺積電）的成立。

與此同時，在20世紀(jì)80年代后期，商業(yè)IP核授權(quán)的模式也出現(xiàn)雛形，一些小公司開始出售為模擬器和仿真器編寫的邏輯仿真模型。1990年，半導(dǎo)體IP核行業(yè)巨頭ARM公司應(yīng)運而生，它不再生產(chǎn)處理器芯片產(chǎn)品，而轉(zhuǎn)為設(shè)計處理器架構(gòu)，并將設(shè)計方案授權(quán)給其他公司使用，這種授權(quán)IP核的模式開創(chuàng)了屬于ARM的全新時代，并開啟了IP核行業(yè)的新篇章。芯片設(shè)計公司幾乎都會選擇從ARM公司獲得授權(quán)，自己完成芯片設(shè)計后，再由臺積電等代工生產(chǎn)，形成了“IP核授權(quán)+半導(dǎo)體設(shè)計公司+代工廠”的芯片開發(fā)模式，極大地降低了開發(fā)成本。

隨著超大規(guī)模集成電路設(shè)計、制造技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計變得日益復(fù)雜，集成電路設(shè)計步入SoC時代。為了縮短產(chǎn)品的上市時間，以IP核復(fù)用、軟硬件協(xié)同設(shè)計和超深亞微米/納米級設(shè)計為技術(shù)支撐的SoC已成為當(dāng)今超大規(guī)模集成電路的主流方向。當(dāng)前，絕大部分SoC是基于多種不同IP核組合進(jìn)行設(shè)計的，IP核在集成電路的設(shè)計與開發(fā)中已成為不可或缺的要素。

近年來，全球IP核年銷售總額逐年攀升。如表1所示，2020年已超過46億美元，其中ARM、Synopsys、Cadence排名前3，這3家歐美企業(yè)的全球市場占有率達(dá)66%。中國大陸的IP核供應(yīng)商有50家左右，但普遍弱、小、散。當(dāng)然，國內(nèi)也有規(guī)模較大的企業(yè)，如總部在上海的芯原微電子（VeriSilicon Holdings），市場占有率已躋身全球前10，但與歐美“三巨頭”相比還有很大差距。

表1　全球IP核排名前10供應(yīng)商

注：數(shù)據(jù)來源于IPnest，2021年4月。

1.3? 國內(nèi)外對比分析

1.3.1? EDA產(chǎn)業(yè)

2020年，國產(chǎn)EDA工具的營業(yè)收入占全球EDA工具市場份額不足2%（圖6），在全球的影響力十分有限。

圖6　2018—2020年國產(chǎn)EDA工具營業(yè)收入及其在全球市場的占比
（來源：賽迪智庫）

從產(chǎn)品、技術(shù)、業(yè)務(wù)模式、人才以及生態(tài)等方面來對比分析國內(nèi)外EDA產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀。

（1）國外EDA產(chǎn)品矩陣更齊全，國內(nèi)多為點工具。從EDA產(chǎn)品矩陣的完整度來看，EDA產(chǎn)品鏈有40余個細(xì)分工具節(jié)點，國內(nèi)廠商尚未實現(xiàn)EDA全流程、全細(xì)分節(jié)點的覆蓋。例如，國產(chǎn)EDA產(chǎn)品龍頭企業(yè)華大九天，目前也僅能夠?qū)崿F(xiàn)模擬芯片設(shè)計和平板顯示設(shè)計全流程覆蓋。即使聯(lián)合國內(nèi)全部EDA產(chǎn)品廠商，國產(chǎn)EDA產(chǎn)品目前尚不能為產(chǎn)業(yè)提供全套EDA工具產(chǎn)品服務(wù)。當(dāng)然，國產(chǎn)EDA工具產(chǎn)品也有自己的特色，已有若干工具產(chǎn)品在核心技術(shù)上并不遜色于國外的產(chǎn)品，甚至已經(jīng)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

（2）國外EDA產(chǎn)品可支持最先進(jìn)的工藝節(jié)點，國內(nèi)產(chǎn)品對先進(jìn)工藝的支持十分有限。從EDA產(chǎn)品對先進(jìn)工藝制程的支持能力來看，國際三巨頭的產(chǎn)品能支持的最先進(jìn)工藝已經(jīng)達(dá)到3 nm，而國內(nèi)僅有部分EDA產(chǎn)品支持較先進(jìn)的7 nm工藝制程，極個別的工具可以支持5 nm工藝制程。

（3）國產(chǎn)EDA產(chǎn)品缺乏自己的標(biāo)準(zhǔn)和底座。標(biāo)準(zhǔn)和底座是連接不同EDA工具的“紐帶”，底座包括了EDA底層數(shù)據(jù)庫及文件解析器、接口、通用求解器、計算框架等多個公共組件。全球EDA產(chǎn)品目前所使用的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和底座絕大多數(shù)是由三巨頭EDA產(chǎn)品公司主導(dǎo)定義的，這在很大程度上限制了國產(chǎn)EDA產(chǎn)品的開發(fā)和應(yīng)用。

（4）IP核授權(quán)業(yè)務(wù)已經(jīng)成為國外EDA產(chǎn)品公司的重要助力，但國產(chǎn)EDA產(chǎn)品公司尚未在IP核業(yè)務(wù)方面進(jìn)行大規(guī)模布局。IP核與EDA業(yè)務(wù)之間有很強的互補互促的作用，并且兩類業(yè)務(wù)的客戶也高度重疊。國外三巨頭中的Synopsys公司和Cadence公司同樣也是IP核市場的巨頭，其IP核業(yè)務(wù)的市場占有率分別為全球第2和第3名，僅次于ARM公司。相比之下，國產(chǎn)EDA產(chǎn)品廠商大多還在專注于研制EDA工具，尚不具備同時大規(guī)模布局IP核業(yè)務(wù)的能力。

（5）與國外相比，國內(nèi)EDA專業(yè)人才嚴(yán)重匱乏。EDA是多領(lǐng)域交叉的產(chǎn)業(yè)，對人才的要求較高，需要EDA工程師具有寬厚的知識體系。根據(jù)賽迪智庫的數(shù)據(jù)，2020年中國EDA行業(yè)從業(yè)人員數(shù)量約為4400人，且多數(shù)任職于國外EDA產(chǎn)品公司在中國設(shè)立的分支機構(gòu)，本土EDA企業(yè)總?cè)藬?shù)約為2000人。相比而言，僅Synopsys公司截至2021年底全球員工數(shù)量就超過了1.5萬人。除了人才數(shù)量不足外，國內(nèi)還缺乏有經(jīng)驗的高端EDA人才，這進(jìn)一步制約了國內(nèi)EDA產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

（6）國外半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同更加緊密，國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同模式不夠成熟。EDA產(chǎn)品廠商需要與產(chǎn)業(yè)上下游即芯片設(shè)計廠商和晶圓制造廠商共同協(xié)作、打磨產(chǎn)品，才能更好地推進(jìn)技術(shù)的進(jìn)步、促進(jìn)工具產(chǎn)品的成熟。國外EDA產(chǎn)品公司在產(chǎn)業(yè)鏈合作方面有巨大優(yōu)勢。全球半導(dǎo)體領(lǐng)域的龍頭企業(yè)，如英偉達(dá)、英特爾、三星、格羅方德等，都與三巨頭EDA產(chǎn)品公司有戰(zhàn)略合作關(guān)系，這樣的生態(tài)合作關(guān)系使得它們能在第一時間推出支持最新工藝制程以及契合最新應(yīng)用需求的EDA產(chǎn)品。國內(nèi)的EDA產(chǎn)品企業(yè)則很難有機會與上述全球半導(dǎo)體龍頭企業(yè)合作，而國內(nèi)的集成電路產(chǎn)業(yè)生態(tài)又不夠成熟，從而造成國內(nèi)EDA產(chǎn)品企業(yè)在產(chǎn)業(yè)生態(tài)合作方面落后于人。

1.3.2? IP核產(chǎn)業(yè)

國內(nèi)IP核市場廣闊，但大量依賴國外進(jìn)口。縱觀全球IP核市場競爭格局，排名前10的供應(yīng)商中僅排名第7的芯原微電子為國內(nèi)企業(yè)。目前，國內(nèi)缺乏關(guān)鍵核心IP核，而大量依賴進(jìn)口。一方面新興應(yīng)用（如5G、人工智能物聯(lián)網(wǎng)、汽車電子等）對定制化IP核的需求強烈；另一方面IP核作為集成電路的底層技術(shù)，只有完全“自主、安全、可控”，才能保證國家信息系統(tǒng)的安全、獨立。這兩方面都迫切需要國產(chǎn)化的IP核。

從產(chǎn)品種類、人員規(guī)模、行業(yè)生態(tài)、專利保護(hù)和成果轉(zhuǎn)化等角度來對比分析國內(nèi)外的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀。

（1）國內(nèi)企業(yè)產(chǎn)品較為分散。ARM公司聚焦智能手機的中央處理器（CPU）、圖形處理器（GPU）等，推出了一系列相互關(guān)聯(lián)的IP核產(chǎn)品，其技術(shù)領(lǐng)先，產(chǎn)品齊全。因此，基于ARM架構(gòu)的芯片在全球移動終端的市場份額超過90%。另一巨頭Synopsys公司，則擁有很全面的各類基礎(chǔ)數(shù)模IP核、有線接口IP核和處理器IP核產(chǎn)品。而國內(nèi)企業(yè)由于普遍規(guī)模較小，只能專注某些細(xì)分領(lǐng)域的IP核產(chǎn)品。例如，芯原股份提供部分處理器IP核、射頻IP核和數(shù)模IP核，牛芯半導(dǎo)體公司提供高速接口IP核等。

（2）國內(nèi)從業(yè)人員規(guī)模較小。中國大陸從事IP核開發(fā)和設(shè)計服務(wù)的總?cè)藬?shù)為3000~4000人，而ARM一家公司在全球就有6000多名員工。

（3）國內(nèi)企業(yè)與頭部晶圓代工廠（Foundry）生態(tài)耦合不強。由于國內(nèi)IP核企業(yè)的整體力量和技術(shù)積累比較薄弱，國內(nèi)外的頭部Foundry廠商主要還是選擇與Synopsys、Cadence等國外頭部IP核供應(yīng)商進(jìn)行緊密耦合，而提供給中國IP核企業(yè)的機會比較少。

（4）國內(nèi)IP核相關(guān)專利受制于人，很難繞開國外現(xiàn)有IP核授權(quán)公司的專利保護(hù)。

（5）國內(nèi)IP核科研項目轉(zhuǎn)化能力差，大量成果被閑置。

EDA產(chǎn)業(yè)與IP核產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢

2.1? 未來EDA產(chǎn)業(yè)的主要發(fā)展趨勢

集成電路領(lǐng)域在新技術(shù)、新工藝、新材料、新器件、新應(yīng)用等方面的發(fā)展對EDA工具提出了新的要求。未來EDA產(chǎn)業(yè)的主要發(fā)展趨勢可以歸結(jié)為以下4個主要方向。

（1）后摩爾時代技術(shù)演進(jìn)驅(qū)動EDA技術(shù)延伸拓展。后摩爾時代的集成電路技術(shù)演進(jìn)方向主要包括延續(xù)摩爾（More Moore）、擴展摩爾（More than Moore）和超越摩爾（Beyond Moore）。其中，面向延續(xù)摩爾方向，單芯片的集成規(guī)模呈現(xiàn)爆發(fā)性增長，先進(jìn)工藝（7 nm/5 nm/3 nm）對EDA工具的設(shè)計效率提出了更高的要求；面向擴展摩爾方向，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、更復(fù)雜功能設(shè)計的支撐能力；面向超越摩爾方向，新材料（如寬禁帶半導(dǎo)體）、新器件（如硅光器件）等的應(yīng)用，要求EDA工具在仿真、驗證等關(guān)鍵環(huán)節(jié)實現(xiàn)方法學(xué)的創(chuàng)新。

（2）新興應(yīng)用牽引EDA技術(shù)不斷發(fā)展。隨著人工智能、高性能計算、新一代通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、新能源技術(shù)等新興應(yīng)用的不斷涌現(xiàn)，芯片的功能與復(fù)雜度不斷提升。為了更好地應(yīng)對這些多樣化、復(fù)雜化的應(yīng)用發(fā)展需求，EDA呈現(xiàn)出平臺化的演進(jìn)趨勢，出現(xiàn)了面向通信、計算、超低功耗、高可靠、高安全等應(yīng)用的各種EDA平臺。

（3）人工智能（Artificial Intelligence, AI）加持的EDA技術(shù)成為重要的突破方向。近年來，AI技術(shù)進(jìn)入了一個飛速發(fā)展的新階段，在越來越多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。同樣，在EDA領(lǐng)域工程師們也在積極導(dǎo)入AI技術(shù)，以期取得EDA技術(shù)的新突破。目前，主要的研究方向包括：①提升EDA工具的智能化水平，減少人為參與；②幫助芯片設(shè)計師實現(xiàn)芯片全方位的優(yōu)化，開發(fā)性價比更高的芯片產(chǎn)品；③通過對既有設(shè)計的訓(xùn)練學(xué)習(xí)，大幅提升芯片的設(shè)計與驗證效率。以下是3個實際案例。

案例一：美國國防部高級研究計劃局（DARPA）在2017年提出“電子復(fù)興計劃”，其中電子設(shè)備智能設(shè)計（IDEA）項目對于AI賦能EDA工具進(jìn)行設(shè)想，其目標(biāo)為“設(shè)計工具在版圖設(shè)計中無人干預(yù)”，即將芯片設(shè)計師的設(shè)計經(jīng)驗固化為機器學(xué)習(xí)模型的輸出目標(biāo)，構(gòu)建統(tǒng)一的版圖生成器，從而實現(xiàn)版圖設(shè)計的自動化、智能化。

案例二：Synopsys公司推出了一系列由AI驅(qū)動的芯片設(shè)計解決方案。例如，2020年初推出的業(yè)內(nèi)首款用于芯片設(shè)計的自主人工智能應(yīng)用DSO.ai（Design Space Optimization AI），它能在巨大的芯片設(shè)計解決方案空間搜索優(yōu)化目標(biāo)，并利用強化學(xué)習(xí)技術(shù)優(yōu)化芯片的功耗、性能、面積等指標(biāo)。該應(yīng)用的主要客戶有三星電子、英國人工智能芯片制造商Graphcore、瑞薩電子等。

案例三：谷歌公司著手研究基于AI的數(shù)字電路芯片布局布線技術(shù)，相應(yīng)成果已刊發(fā)在2021年6月的Nature雜志上。

（4）新設(shè)計生態(tài)催生EDA云平臺。對于芯片設(shè)計行業(yè)，EDA云平臺的應(yīng)用不但可以較大幅度地降低設(shè)計成本，還可以讓客戶以較低成本獲得更強的算力。同時，EDA云平臺也更有利于實現(xiàn) EDA工具在教育領(lǐng)域的應(yīng)用。為此，主流EDA產(chǎn)品公司均對EDA云平臺建設(shè)給予了大力支持。云化EDA主要有5方面優(yōu)勢：①云端服務(wù)器可以提供很強的算力，是復(fù)雜芯片設(shè)計的底層保障；②芯片設(shè)計企業(yè)可根據(jù)企業(yè)需求靈活使用計算資源，而無須在芯片設(shè)計前購置大量的軟硬件設(shè)施；③大幅減少芯片設(shè)計企業(yè)的軟硬件日常維護(hù)開銷；④云端服務(wù)器的訪問不受地理環(huán)境約束，芯片設(shè)計企業(yè)的設(shè)計師們可以隨時隨地對云端軟件進(jìn)行訪問；⑤方便高校等教育機構(gòu)進(jìn)行人才培養(yǎng)。

2.2? IP核產(chǎn)業(yè)發(fā)展新趨勢

隨著集成電路產(chǎn)業(yè)進(jìn)入后摩爾時代，設(shè)計和制造企業(yè)開始更加重視產(chǎn)品的多樣化發(fā)展，而不再一味追求特征尺寸的縮小，使得IP核產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也出現(xiàn)了新的趨勢。

（1）技術(shù)與工藝結(jié)合愈發(fā)緊密。IP核作為集成電路設(shè)計和制造環(huán)節(jié)的關(guān)鍵組成部分，其發(fā)展趨勢和集成電路的整體演進(jìn)趨勢基本相同，都是向著工藝制程和精度尺寸不斷縮小、產(chǎn)品集成度不斷提高、整體性能不斷提升的方向發(fā)展。在工藝和設(shè)計關(guān)聯(lián)度越來越高后，也衍生出了設(shè)計制造協(xié)同優(yōu)化技術(shù)，通過彼此協(xié)作來滿足新制程節(jié)點器件的要求。

（2）芯粒（Chiplet）集成設(shè)計方法給IP核行業(yè)帶來新想象力。芯粒是指具有特定功能且?guī)в袠?biāo)準(zhǔn)互連接口的裸芯片。芯粒的集成方式是一種平衡計算性能與成本，提高設(shè)計靈活度，且提升IP核模塊經(jīng)濟性和復(fù)用性的新技術(shù)，被視為后摩爾時代支撐半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)之一。2022年3月，臺積電、英特爾、微軟等10家芯片廠商成立了通用芯粒高速互連（Universal Chiplet Interconnect Express, UCIe）聯(lián)盟，共同推廣UCIe技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。芯粒技術(shù)對半導(dǎo)體IP核的質(zhì)量、芯片設(shè)計能力都有一定的要求，所以具有芯片設(shè)計能力的IP核企業(yè)也將成為芯粒的重要供應(yīng)商之一。芯粒的發(fā)展演進(jìn)為IP核供應(yīng)商拓展了商業(yè)靈活性和發(fā)展空間。

（3）AI算法推動IP核研發(fā)加速。AI技術(shù)的發(fā)展帶來了計算模型的變革，使得各大IP核供應(yīng)商紛紛推出為AI定制或與AI結(jié)合的IP核，如Synopsys推出了高性能、嵌入式視覺處理器IP核——DesignWare EV系列。另外，AI算法也被用在與IP核相關(guān)的EDA工具中，如華大九天推出的Empyrean Qualib就是用AI算法實現(xiàn)了IP核驗證加速。

（4）IP核的研發(fā)應(yīng)用呈現(xiàn)平臺化發(fā)展態(tài)勢。以成套工藝技術(shù)為基礎(chǔ)、IC設(shè)計數(shù)據(jù)為核心、IP核為核心資產(chǎn)的設(shè)計平臺正在成為設(shè)計公司的核心競爭力。IP核平臺的主要任務(wù)是研發(fā)設(shè)計公司急需的IP核，以及提供相應(yīng)的設(shè)計技術(shù)服務(wù)，并將IP核的設(shè)計驗證貫穿整個設(shè)計過程。

（5）開源將為IP核供應(yīng)商帶來新的機遇與挑戰(zhàn)。后摩爾時代的產(chǎn)品設(shè)計將更加多樣化，嵌入式處理器因其功能的多樣性和靈活性，預(yù)計將迎來更大的市場空間。嵌入式處理器一般以IP核授權(quán)的商業(yè)模式運作，而ARM公司IP核的高昂授權(quán)費用會使初創(chuàng)芯片設(shè)計公司的創(chuàng)新成本大增。因此，在眾多中小公司需求的驅(qū)動下，近年來一些開源的免費IP核也初露頭角。

EDA產(chǎn)業(yè)與IP核產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議

3.1? 中國EDA產(chǎn)業(yè)的發(fā)展建議

結(jié)合中國EDA產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷史和當(dāng)今產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，提出發(fā)展國產(chǎn)EDA軟件產(chǎn)業(yè)的啟示與政策建議如下。

（1）緊跟產(chǎn)業(yè)發(fā)展大趨勢，結(jié)合已有基礎(chǔ)在新興EDA技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ふ彝黄瓶凇?/strong>從某些EDA細(xì)分工具環(huán)節(jié)切入，打造最強點工具，并以此為基點擴大產(chǎn)品矩陣。國外EDA軟件公司的產(chǎn)品成熟，但從某種程度上來說也是一種制約，這些EDA軟件公司通常很難對已成熟的產(chǎn)品架構(gòu)進(jìn)行大幅度改造，因而限制了其產(chǎn)品的創(chuàng)新。而國內(nèi)EDA軟件公司則沒有太多這方面的包袱，從而給國產(chǎn)EDA軟件帶來了技術(shù)上超越的可能。ABC（A，AI，人工智能；B，Big Data，大數(shù)據(jù)；C，Cloud Computing，云計算）技術(shù)代表了當(dāng)前正在經(jīng)歷的時代以及未來要去的方向，為EDA行業(yè)帶來了換道超車的新機遇。AI、大數(shù)據(jù)、云計算、萬物互聯(lián)促成了“算力”“算法”“數(shù)據(jù)”的深度融合，EDA行業(yè)的未來將會深深地與“ABC”技術(shù)綁定。國內(nèi)在上述技術(shù)領(lǐng)域具有優(yōu)勢，這大大地加快了國產(chǎn)軟件EDA技術(shù)與“ABC”技術(shù)的結(jié)合。