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国产EDA现状与困境:40%环节仍是空白!实现全流程仍需200亿元、3000研发人才、5年时间!如何突破?

发布时间:2022-09-12作者来源:萨科微浏览:1620


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近年来,随着国家的重视和支持以及产业界的共同努力,中国半导体产业发展迅速。但是,不可否认的是,国产半导体产业链仍存在着众多的薄弱环节。比如备受关注的半导体制造领域,国内就一直面临着“卡脖子”问题,特别是在先进制程制造方面受制严重。另外,国内的半导体设计产业虽然达到了全球领先的水平,但是芯片设计所需的EDA工具仍是严重受制于人,这些也成为了美国打压中国半导体产业的重要方向。


那么目前国内的EDA产业目前的现状如何,存在哪些问题,如何去突破?带着这些问题,芯智讯在近日采访了多家国产EDA厂商,希望能够为大家解答这些问题。


一、国产EDA现状与困境


对于芯片设计来说,随着芯片越来越复杂,设计也规模越来越大,设计师依靠手工难以完成相关工作,必须依靠 EDA 工具完成电路设计、版图设计、版图验证、性能分析等工作,以减少设计偏差、提高流片成功率及节省流片费用。因此,EDA也有着“芯片之母”之称。


1、美国EDA厂商垄断国内外市场


首先从全球EDA市场来看,美国厂商占据了垄断地位。数据显示,在2020年的全球EDA市场,美国Synopsys、美国Cadence,以及EDA研发总部在美国的Siemens EDA(2016年Mentor Graphics被德国西门子收购后更名为Siemens EDA)、美国Ansys、美国Keysight Technologies的市场份额分别为29.1%、32%、16.6%、4.8%和3.3%,合计占据了全球近86%的市场。


从国内EDA市场来看,美国三大EDA厂商也占据了主导地位。根据赛迪智库数据显示,2020年Synopsys、Cadence和Seimens EDA三巨头合计占领国内约80%的市场份额,国产EDA厂商的份额仅11.5%,其中华大九天占据了国内EDA市场约6%的市场份额,居本土EDA企业首位。


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虽然近两年在自主可控及资本的助推下,国产EDA发展迅速,涌现出了数十家EDA厂商,但是绝大多数都是小而不强,且绝大多数都属于是点工具类型,仅少数厂商拥有部分细分领域的全流程工具,但没有实现整个集成电路设计所需的EDA全流程的覆盖。目前,国内EDA厂商中,仅华大九天能够提供模拟电路设计全流程EDA工具;概伦电子也只是提供了器件建模和电仿真两大集成电路制造和设计的关键环节的工具,近期才刚发布面向各类存储器电路、各类模拟电路等为代表的定制类芯片设计的EDA全流程工具;芯华章也只在数字验证全流程方面有比较完整的覆盖。


2、国产EDA仍有40%环节存在空白


据芯智讯了解,由于EDA的产业涉及的工具链比较长,整个工具链要做全,并不是一家两家国产EDA厂商就能做到的,目前国产EDA厂商都相对比较弱小,需要国产EDA产业界共同努力。


一位专业人士向芯智讯透露,目前国产EDA工具整体上能够商业化、产品化,能够提供产业界使用的,大概只能覆盖60%~65%的环节,也就是说还有35%~40%的环节还存在着空白。

即便是国内最早上市的EDA厂商概伦电子,其主要也只是提供了器件建模和电仿真两大集成电路制造和设计的关键环节的工具。直到今年8月1日才宣布计划推出[敏感词]个面向各类存储器电路、各类模拟电路等为代表的定制类芯片设计的EDA全流程NanoDesigner。


而国内[敏感词]的EDA厂商华大九天,虽然已在模拟电路设计和平板显示电路设计方面基本实现了全流程工具覆盖。但是,在数字电路设计方面仍未形成全流程工具覆盖。有行业专家认为,目前国内数字电路全流程方面,可能仍有30%的空白。


数字EDA领域专业人士指出,RTL(register transfer level)逻辑仿真,是EDA工具中是用量[敏感词]的一块,国内这类产品也很少;逻辑综合方面比较薄弱,国内的EDA厂商逻辑综合工具现在做FPGA是可以的,因为FPGA是相对比较固定的,但做ASIC则不然

对此,在RTL逻辑仿真工具上已有突破的芯启源EDA&IP销售总经理裘烨敏也指出,“RTL仿真确实很难,之前也仅有国外三大EDA厂能够提供相关产品。我们也是在去年才成功推出了自己逻辑仿真工具——MimicPro,并且已经有提供给客户使用,客户产品今年也才刚刚流片。即便如此,我们的逻辑仿真工具也并没有做到百分之百的覆盖,但是已经可以解决很多企业的痛点了,或者说已经合格做备胎了。”


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△芯启源EDA&IP销售总经理裘烨敏


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△芯启源EDA仿真工具MimicPro


裘烨敏坦言:“RTL仿真这一块,普适性的feature相对不多,每一个企业对于feature的要求都有比较大的差异,哪怕是同一个行业都会有一些不一样,这就要求我们国内的企业投入更多的人力去适应客户的需求。我们也希望有更多的合作伙伴或者友商往RTL仿真去做,但确实很难,虽然国内有我们这样的一两家公司在做,但是做到落地到商用打磨完,可能还需要两三年。”


据芯智讯了解,对于芯片前端设计人员来说,主要工作内容就是进行RTL逻辑开发。当算法人员完成算法之后,芯片设计人员是用Verilog HDL完成算法的硬件建模,即所谓的RTL开发。RTL开发完成之后,进入验证阶段。这市就需要用到EDA逻辑仿真验证,可以用来检查代码中的语法错误以及代码行为的正确性。而随着异构芯片、chiplet 的普及、算法、软件框架的复杂化,前端工程师范畴的验证工作,也从逻辑仿真,覆盖到算法及软硬件协同验证。


3、质量、工艺、数据迁移问题


国产EDA除了仍有很多空白环节之外,要想替代国外EDA,还存在着质量、对先进工艺的支持、客户数据迁移等方面的问题。


行芯董事长兼总经理贺青就表示,“虽然国内在模拟电路设计上已经实现了全流程工具覆盖,但在数字芯片设计的EDA工具链与国际头部公司还存在空白。数字芯片从开发到流片投入动辄数亿元试错成本高昂,所需EDA工具种类繁多,对精度、效率、容量都有极高要求行芯从2018年成立,一直专注于芯片物理设计Signoff领域,与行业头部客户协同作战,用了四年时间才实现数字EDA工具的商业化。


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行芯董事长兼总经理


裘烨敏也坦言:“我们的RTL仿真工具实际上在性能上,牺牲了很多feature,接下来我们会把性能赶上去,但是feature的能力还得慢慢往上走,debug的功能确实没有做到那么全,也还得一步一步,一点一点的做,而且越后面剩下的骨头就越难啃。”


另外,国产EDA在先进制程工艺的支撑上也存在着难题。比如目前国内很多芯片设计公司都能够设计7nm、5nm的芯片,但是国产EDA工具很多还做不到对先进工艺的支持。


业内普遍认为,EDA发展[敏感词]的问题,是我们拿不到先进工艺的参数(需要代工厂配合),没有参数,工具就没有办法适配、结合,这也意味着再往更先进的制程走就会非常困难,国产EDA工具被卡也还有这方面的原因。所以即便全流程工具有了,还要和先进制程结合。


对于国产EDA厂商来说,要想从国外EDA厂商手中抢下客户,还面临着客户数据迁移的难题。


如果客户长期使用国外的EDA工具,就会积累很多的底层数据,主要就是PDK,特别是对于模拟芯片来说更为关键。比如台积电,一年可能会发布多个工艺节点,每个工艺节点又会有不同的分支,所以总的PDK可能有几千个。国内很多晶圆厂的各个工艺也只提供三大EDA公司的PDK,其他都不愿意提供,因为他也要投入。这时候,客户想要迁移到国产EDA工具,就必须要解决PDK问题。因为PDK不能直接拿来用,一方面有加密的问题,另一方面还有知识产权的问题。所以,必须要重新来做一套,非常的耗时耗力。这也是国产EDA工具在推广过程当中遇到的[敏感词]问题。


从设计者角度考虑,从一个EDA公司平台迁移到另外一个EDA平台的时候,工具卖多少钱不重要,怕的是原来底层积累的东西迁移不过去,那个代价比买EDA的代价要大很多,也确实有一定的难度。


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芯启源产品市场总监胡侃


芯启源产品市场总监胡侃认为,这其实是国产EDA生态的问题。“不管是EDA的标准化,还有很多处理器的开源组织,都不是我们自己的,没有标准化就面临很多客户使用的时候会产生壁垒,厂家不一样,标准知识不一样,文件都不一样,不可复用,这个使得产业落地非常有挑战性,怎么打通这个生态,怎么构建国产EDA生态很重要。


4、人才缺口问题


国产EDA要发展,离不开人才。但是目前国内的EDA人才比较缺乏。


根据招股书显示,国内[敏感词]的EDA厂商华大九天截至2021年12月31日,员工总数也只有660人;概伦电子截至2022年6月30日,在职员工总数为294人;广立微截至2022年6月30日,在职员工总数为102人。相比之下其他数十家国产EDA厂商的员工人数大多不到100人。照此估算,目前已有这些国产EDA厂商的员工总数恐怕仅有不到3000人左右(赛迪智库数据显示,2020年本土EDA企业总人数约为2000人)。


需要指出的是,本土EDA厂商当中这不到3000人的从业人员,其中大约仅有2500人是研发人员。


相比之下,头部的EDA厂商当中,仅Synopsys一家EDA企业的全球员工数就超过了13000人,达到了本土EDA产业的从业人数4倍以上。即使规模相对较小的Siemens EDA,全球员工总数也有6000人以上。


另外,目前国内很多EDA公司都还是各做各的,存在着重复投入和浪费的问题。


二、国产EDA如何破局?


以上提到了国产EDA面临的很多问题和挑战,那么如何解决这些问题和挑战呢?


1、实现EDA全流程覆盖:需投入200亿元、3000研发人才、5年时间


如何打造EDA全流程?行芯董事长兼总经理贺青认为,EDA企业应该从点工具上突破,并争取客户的使用以获得迭代;对于行业而言,应思考如何“连点成线”。


对于国内目前比较欠缺的数字全流程EDA工具方面,贺青表示,基于目前的行业发展,通过国内EDA厂商协作的方式,大概还需要两年的时间才能打造一套完全国产化的数字EDA全流程工具。


按照EDA行业的正常的经验,一个工具从开发到出来成熟,变成产品有5年,但是现在由于外部形式变化,所以迫使国内需要加快一点,所以过去两年左右开始布局,再加两年左右基本可以成熟。这可能是必须要走的路。


但是,数字全流程只是一个方面。从整个国产EDA全流程覆盖的角度来看,设计、制造端,还有应用端,所有的东西都要全部覆盖。


芯智讯从业内多位专家处了解到的看法是:“国内涉及到制造、封装层面布局的企业还不多,很多都是刚刚起步,五年时间属于基本的要求。而且五年内要想真正做出来,还需要有足够的资源才行,这个资源也不仅仅是有钱就行,也不是说有足够数量的人才就行,关键是要有足够的高层次人才行。未来五年内把这个事情做好,预计每年要投入40-50亿元(至少200亿)。人才方面,国内要把EDA做全,3000的研发人员是起步要求,加上其他的销售、行政等配套人员,差不多要4000人。但是目前,国内的EDA人才是比较紧缺的。”


正如前面所提到的,目前本土EDA企业的员工总数大概只有不到3000人,这其中研发人员估计不到2500人。


另外,本土EDA企业之前还存在着各自为战,着重复投入和浪费的问题。所以,真正在做有助于国产EDA全流程覆盖,这2500人研发人才是不够的。


就目前国内所有的EDA人才力量,如果大家做好分工尚能满足人力要求,如果企业间还存在很多业务和人力的重叠则不太足以支撑,所以需要大家协作来解决这个问题。


“EDA全流程的覆盖,需要众多国产EDA合作伙伴一起,通过形成联盟,特别是在重点客户上,大家需要充分协同。比如,我们的产品主要是面向先进工艺,但是我们只覆盖了一个面,要实现所有流程的覆盖,就需要大家一起,在某家大客户那边投一个团队,大家一起打磨,整个流程串起来没有问题了,能够被客户用了,才算是有了。”贺青说道。


2、多角度入手,引导和鼓励使用国产EDA


国产EDA要想得到更快的发展,自然是离不了国产芯片设计厂商的大力支持。虽然在近年来美国对中国半导体产业的持续打压,以及“国产替代”的趋势之下,一些国产芯片设计厂商也开始愿意给予国产EDA机会,但是主要也只是一些头部的芯片设计厂商。


“中国现在几千家芯片设计企业,实际上愿意用国产EDA的企业少之又少,哪怕在‘清单’上的企业,有些都没有用,这就是当前的状况,也是需要大家努力改变的。当然,现在情况至少比以前好了很多。”贺青说道。


另一方面,正由于目前国产EDA与国外EDA存在较大差距,因此客户在用的过程当中也存在一定的风险,这也让部分国产芯片设计厂商望而却步,特别是中小型的芯片设计厂商不愿意当“小白鼠”,而对于大厂来说,门槛更高,很多中小国产EDA厂商又难以做进去。

对此,一些国产EDA企业曾从以下几方面持续呼吁:


首先,随着外部形势的变化,企业上下游要有战略的定位。鼓励和引导产业界从战略的角度来考虑,这需要国家和产业界集体呼吁,因为这已经不是简单的市场、效益问题。


第二,仅仅靠几个大公司对产业的拉动,力量有限,还是要市场化。这就要求国产EDA厂商要把自己的产品做好,前期需要抓住客户战略上给予支持的机会,把产品打磨好,后期就需要主动地从市场化的角度,配合应用需求,依靠自身产品的市场竞争力去赢得市场。


第三,政府层面上应该鼓励或者引导国产化的应用。比如设立一个国产化奖励基金,用国产化EDA用得好了,可以奖励一下,用得越好奖励更多,真正的让他愿意用,并把国产EDA用好。


“国产EDA发展目前主要是基于外部的压力,反而发展的比较快。在前几年,我们做好的工具,实际上没有特别好的场景给我们做打磨,很多客户此前或许基于他们自身尽快流片实现量产压力,并没有给国产EDA企业机会。但现在,这些机会开始越来越多,我们也是希望从政府引导方面给到企业更多的机会。EDA本来就是工具,整个全流程的东西不经过打磨自然是无法做到更好。我们也是希望客户能给我们机会去打磨,去把产品做好。”裘烨敏说道。


鸿芯微纳CTO王宇则认为,即使未来国产EDA工具链技术上达到了可替代性,真正要国内用户愿意来买单也会是非常困难的。“需要多管齐下才有成功可能性。首先需要有采用国产EDA工具的头部芯片设计企业来背书;还要有国内fab对国产工具的支持,协同优化;国家政策上要加强保护软件知识产权,加强打击盗版,同时以补贴鼓励使用国产工具,使芯片公司从财务上使感受到使用国产工具的好处。这样形成正循环,最后形成国产工具的突破。”


3、天下武功,唯快不破


要想突破国外EDA的垄断,甚至实现反超,国产EDA除了要把产品做好之外,还需跑的比国外EDA厂商更快。虽然国外的EDA厂商为了服务好本土客户,也都有在国内建立服务团队,提供本地化的快速服务。但是由于外资企业文化上的差异,本土EDA厂商依然可以通过“速度”来实现突围。比如本土厂商很多都可以为客户提供7×24小时的快速反应的贴身服务,而这却是国外EDA厂商难以做到的。


“中国人的勤劳,使得我们本土企业可以通过更快的速度来进行追赶国外厂商。比如,以前我们客户采用国外的EDA软件设计芯片所需要的周期是1,那么我们公司现在已经做到只需要原来周期的1/3,要做到这一点,我们自然需要付出更多的人力和时间,这也使得我们每天几乎都处于极限状态,用速度来帮助客户换取时间。这也是我们的一个取胜之道。”贺青说道。

当然,除了通过更多的人力和精力的付出,来换取速度上的优势,我们也可以尝试其他的路径或者其他人没有走通的路径,比如更好的解决硬件对于软件的加速问题,来实现速度上的赶超。


4、并购整合,做大做强


近几年由于美国的打压以及资本的追捧,涌现出了一大批的初创型国产EDA企业,使得目前国内国产EDA企业的数量超过了30家,远超国外EDA企业数倍。虽然数量很多,但总体上都很弱小,产品覆盖面也是非常零散。


从国外三大EDA巨头的发展历程来看,期间经历了一系列频繁的并购。有数据统计,截至2020年底,这三大EDA巨头共发起过200余起兼并收购案,其中Synopsys兼并收购次数最多,高达80次;Cadence和Siemens EDA分别为62次和66次。


显然,未来国产EDA要想做大做强,也必然会经历一个优胜劣汰、大鱼吃小鱼的过程。


鸿芯微纳CTO王宇也表示:“国外EDA供应商经过二三十年的商业竞争,兼并整合,已经形成了数家公司能够提供高度集成和完整的工具链。相比之下,国内EDA供应商还处于仅能提供点工具,群雄逐鹿的状态。国内芯片设计公司既没有动力,也没能力来购买国产点工具,化费精力拼装成工具链来取代现有高度成熟高度整合,由单一供应商提供的解决方案。就连国内的Fab,也只认证Cadence flow与Synopsys flow, 没有点工具的认证机制。所以,国产EDA 要能够赢得客户,成为主流工具链,并购整合是极为必要的手段。”


对于国内EDA产业整合并购需要注意的关键问题,还是需要更多的战略思考与定力。一方面,纯粹的技术拼凑无法真正提升企业的核心竞争力,需要做到真正的互补;另一方面,企业只有自身具备一定的自主技术与研发实力后,才能够透过自身的创新能力,把这些技术充分消化、串联起来,才能更好打通工具间的限制,通过深度融合更好赋能客户生产效率提升。

5、突破工艺限制,面向系统级应用,打造下一代EDA


过去的四十年里面,不断发展的工艺和架构设计共同推动着先进制程的发展。但是现实趋势来看,一方面工艺的进步已经逼近极限,更高工艺已经不能带来过去那种成本、性能、功耗的全面优势。


根据Techinsight网站对天玑9000处理器的分析,台积电所声称的N4关键工艺尺寸与其早期N5产品几乎完全相同。另一方面,芯片创新空间更大了,越来越多的系统厂商,诸如苹果、特斯拉等开始下场自研芯片。援引某位业内资深人士观点,他表示“为了达成系统、应用对芯片的要求,大家更多从系统设计角度出发,借助系统、架构的创新,以应用导向驱动芯片设计,实现对系统能力的提升,降低对先进工艺的依赖。”


这些新出现的市场需求、技术趋势,一方面为EDA发展提供了新的市场机遇,另一方面,也对EDA工具提出了更高的、不同以往的要求。这位业内资深人士人提到,“诸如人工智能、云原生等技术的出现,又为下一代EDA工具提供了更大的想象空间。这就为国产EDA厂商提供了更高的技术起点,也是实现跨越式发展的新机遇。”


由此看来,如何抓住下一代EDA的发展趋势,带动EDA从自动化向智能化发展,形成从系统需求到芯片设计的智能化流程,让系统工程师和软件工程师都能参与到芯片设计中来,缩短从芯片需求到系统应用创新的周期,降低复杂芯片的设计和验证难度,更好赋能电子系统创新,也应该成为所有EDA厂商思考和重视的方向。






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