一款小小的计划软件，怎样成了 “杀手锏”？

8.23

知识分子

The Intellectual

如果没有了EDA软件，举世全部的芯片计划公司都会立即停摆 | 图源：pixabay.com

编者按

8月13日，美国商务部工业安全局公布对中国断供电子计划自动化（以下简称EDA）软件的高级模块。该软件的作用，是在芯片局促的空间举行布局、走线和事前分析，犹如在一颗米粒上刻出航空母舰模子。离开专业的EDA工具，半导体的计划和制造都是不可想象的事变。

美国的EDA电子计划自动化软件对中国企业的熔断，已经是第三次了。第一次是2018年对付复兴；第二次是2019年断供华为；而这一次，干脆是对中国整个企业。看起来不起眼的一种工业计划软件，何以成了遏制中国半导体业发展的杀手锏？

撰文｜林雪萍

责编｜邸利会

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“软硬” 兼施

说EDA软件小，也允许以从其举世市场规模看，仅约为100亿美元。相对于5000亿美元的半导体产业，仅占2%。但如果没有了这块基石，举世全部的芯片计划公司都会立即停摆，半导体倒金字塔瞬间坍塌。

迄今为止，没有任何一种工具能像EDA软件那样，跟半导体行业的飞速发展云云精密地绑定在一起。摩尔定律引领半导体行业60多年，EDA软件则是这个先知定律的最老实的伴随者。如果没有它，半导体的飞速发展是不可想象的。

笔者以为，这次禁运，事关半导体将来十年的格局。

半导体制程已经进入到3nm后工艺，摩尔定律面临着失效的局面，而半导体界正在接纳一种全新的GAA晶体管来应对更先辈的制程，更换之前不停使用的鳍式场效应晶体管FinFET。三星已经在其3nm工艺中使用了这种新型晶体管，而英特尔和台积电计划在2024年将其用于2nm工艺。而美国商务部此次禁运的并非全部EDA软件，而是针对可以大概计划包罗这种最新晶体管芯片所必须的EDA软件模块。

换言之，这是对高级制程的高级模块的禁售。

实际上，西欧一些仿真软件CAE的许多模块不停都是禁售的，这是发达国家的惯用技法——它们会接纳熔断战术，抽掉死后的梯子，将后发追赶国家的技能锁定在前几代的技能平原上。

看起来，对于中国半导体的封堵，美国当局接纳了 “软硬” 兼施的两手棋——

美国已经克制荷兰公司阿斯麦ASML向中国贩卖极紫光刻机，现正思量禁售深紫光刻机，后者可以加工128层以上的闪存存储器。迩来，美国最大的几家半导体装备制造商，如科磊KLA和泛林LAM，已经公布不再向中国出售14nm制造的装备。

计划软件加制造装备，一局面向将来的封堵已经逼近。

学界鼻祖

最早的EDA软件，实在是属于呆板盘算机辅助计划（Computer-aided design，以下简称CAD）软件的供应商之下。

上个世纪五六十年代的明星CAD软件，如Applicon、CALMA和CV等，同时也会有EDA软件。电子行业并没有出现出跟呆板行业的格外差异之处，其计划软件也是在一起，没有分离。

在呆板期间，EDA软件虽是呆板CAD软件的附属品，但它们看似同宗同源，差异却很大。一个是服务于电子半导体行业，跟着摩尔定律走；一个是服务于呆板、航空、汽车、汽船等制造行业，跟着物理定律走。这种内涵的差异终极导致了厥后的分道扬镳。直到本日，EDA和CAD险些属于了完全差异的行业。

EDA独自开宗立派，要从电路仿真软件SPICE提及。它才是最正宗的EDA软件的鼻祖。

作为最早的EDA软件，SPICE在本日仍然位列最紧张的软件之一，是半导体芯片计划公司与计划验证工程师最离不开的软件。而说到SPICE，就不得不提佩德森（Donald Pederson），他是美国加州大学伯克利分校电机工程与盘算机系教授，被尊为SPICE之父。

图1Donald O. Pederson|图源：berkeley.edu，Karen Pederson摄

佩德森作育了三个传奇。

第一个传奇是，他早在20世纪五六十年代就想法在加州大学伯克利分校里创建了半导体制造厂。MiniFab是第一个设立在大学里的 “微电子制造厂”。这让小规模的工艺实验成为大概，极大地促进了该校电子工程学科的发展。

第二个传奇就是他对于电路仿真步调SPICE的巨大贡献。

在他的支持下，来自电机系与呆板系的那些对电子险些一无所知的大门生们，依附着高超的数学理论和数值分析底子，生硬地通过希罕矩阵算法实现了方程组的求解，完成了电路仿真步调。可以绝不浮夸地说，SPICE险些完全出自数学理论的功底。

第三个传奇是，佩德森教授也是开源运动的发起人。

他允许SPICE随处扩散，险些可以免费使用。唯一的回报要求，就是开发者要把增长的代码发返来。这比1991年台甫鼎鼎的开源利用体系LINUX内核开源早了整整20年。

插一句，伯克利分校的有限元仿真软件也独步天下，其代码也是开源的。20世纪八九十年代，以北京大学为代表，许多国内高校都从加州大学伯克利分校带回了有限元仿真软件的火种。此中，SAP84有限元仿真软件在国内随处传播，名噪一时。那是一个知识向全天下开放的黄金期间。

当时的半导体巨头如惠普、泰克和德州仪器等公司，纷纷创建了自己的CAD部分，将SPICE步调举行改编，为自己部分所用。整整十多年，产业界与学术界举行了大规模地知识吞吐和互换，SPICE多个版本不停迭代演化，其功能敏捷发展。

1993年，加州大学伯克利分校末了一次更新的SPICE版本到达了顶峰状态，它的求解算法已经出神入化。这种大规模的贸易加学术的无私互助，是制造业发展史上非常有数的一幕。之后，SPICE渐渐出现贸易化版本。

软硬分离

SPICE只能办理小部分的题目，更多的EDA软件功能，须要更加贸易化的接棒人来实现。

当时半导体的天下，都是集成一体化的天下。集成电路计划这门高门槛的技能活，由巨大的半导体制造商，如IBM、通用电气的计划部分独自完成。可以想象，复杂的逻辑和物理计划、库和过程开发、封装，都由一个团队完成。这个封闭的金字塔，一样平常人难以走进。

在20世纪70年代，EDA软件开始出现第二代旗帜。当时最著名气的三驾马车中，Daisy Systems 公司和 Valid Logic 公司出售自有的硬件和软件体系，工作站也是自己开发的；Mentor公司则开发专用软件，捆绑在阿波罗（Apollo）工作站上。

这三家根本上都是把软硬件放在一起，看上去似乎与第一代EDA软件的差异不大。然而，期间究竟差异了，全新的赛道已经出现：那就是专用集成电路（Application Specific IC, 以下简称ASIC）。ASIC的发展，彻底改变了这种封闭局面。

ASIC的体量更大、需求更轻易满意，体系计划者也远比那些内部计划团队开放，EDA软件因此得到了敏捷扩张，从业职员的数量随之大幅增长，包罗许多华人和华裔从业职员，渐渐构成了一种强大的软件泥土。独立的EDA软件厂商由此出现，可以单独为半导体厂商服务。

然而，第二代EDA软件的缺陷跟第一代一样显着，那就是过于依靠硬件。软件和硬件精密地绑定在一起，硬件收入占比最大。

这是一个硬件为王的期间。硬件的存储、盘算、表现都是极其昂贵的稀缺资源，软件不外是贵重花瓶上有颜色的斑纹而已——只管这些斑纹让硬件显得更加物有所值。

只有当硬件随着摩尔定律的路径，越跑越快，本钱越来越低，算力变得并不稀缺，新的软件模式才出现。

第三代EDA软件紧张以Cadence公司和Synopsys公司的产物为代表，它们不停坚强地活到了本日，并成为霸主职位。

第三代EDA软件与第二代的区别在于贸易模式，而不在于出现的时间。它们实在险些是在同一时间形成的。这两代之间并不存在一个进化的关系，而是基于对将来判定的两条路径的选择。

Cadence公司于1982年创建，仅仅比第二代三驾马车之一的Mentor公司的创建晚一年。来自加州大学伯克利分校的尖子生和贝尔实验室的科学家，在Cadence开创了一种全新的贸易模式，那就是 “只卖软件”（Software Only）。

这是一种从未有过的软件业务模式。此前全部软件，都是捆绑在硬件装备上搭配贩卖的。

如今看起来，第二代EDA软件独立公司中存在时间最长的Mentor，其在2016年被西门子公司45亿美元收购是有先兆的。

1990年，Mentor公司依然对 “只卖软件” 模式表现出了不屑一顾。时任公司董事长说，从未见过单独软件贩卖可以大概存活。汗青上 “软件是硬件的附属” 的印象，很难被冲破。厥后，Mentor固然通过并购，积极调解战略，也保持了EDA软件公司三强之一的职位，但与EDA软件别的两巨头的差距仍越来越大。信息技能革命正在沉寂走向软件为主导的方向。

合 作

这一时期，Cadence公司引入投资的独特模式，同样引人注目。这又是软件得以生存的关键一步：软件是用出来的。

Cadence把入股时机留给了鄙俚厂商，如通用电气、爱立信、IBM等半导体生产商。这些鄙俚用户各自投入了100万美元。这是一种高明的融资术。Cadence公司聪明地让鄙俚半导体制造商与自己捆绑在一起。

没有半导体厂商提供工艺、提供反馈，EDA软件的长大是不大概的。这次投资的分布，也显着地表明确EDA软件的工业属性而非信息技能属性。

“工业反哺胜于投资” 是研发工具软件的一个紧张特点，这不是靠钱能砸出来的，它最须要的是工业用户的履历。

Cadence公司还开创了合资人制度，宣示了这个范畴对领武士物知识代价的高度承认。其创建，本质上是底子科学的胜利，也是一个底子研究与产业热情相互对接的胜利。加州大学伯克利分校的尖子生和贝尔实验室的科学家一起，效果了一个非凡的产业：规模虽小，但威力超群。

四年之后创建的Synopsys公司，连续了Cadence公司全部的创新机制。实际上，这种合资人制度已经成为半导体行业的一种惯例。

走向更高的条理

早期电路板的物理计划职员干的是一门精密的工匠活，须要动手处置处罚每一个晶体管，绝对属于高强度的劳动麋集型作业，而且须要头脑机动。

随着晶体管集成度的进步，其复杂水平已经大幅逾越了工程师的逻辑极限。这个时间，单位库出现了，它包罗了预先计划好的各种特性的逻辑门。就像如今的数据模板调用一样，计划职员能花更少的时间和精力计划出更大规模的电路，也使得电路计划工作很轻易从一家晶圆工厂移植到别的一家。

最紧张的是，半导体的计划思绪转向了抽象化，即在一个更高的条理上举行计划，而把那些底层的细节计划都归并到单位库和仿真软件CAE工具中。抽象化的技能还让计划师可以直接接纳高级语言 “计划电路板”，然后通过逻辑综合工具把抽象的计划自动转化成呆板语言，形成由各种逻辑门构成的电路组合。

Synopsys公司的团队在这个时间登场了，其成员来自通用电气的微电子中央。通用电气的工业被页粳给Synopsys公司带来了踏实的根基。

Synopsys公司能在起步的时间就引领了行业的技能上风，很大缘故因由也在于它推进了抽象化的发展，使得整个行业的计划进步了一大步。抽象化成为产业界的标准，也进一步扩展了芯片计划群体。就像体系计划工具扩展了专用集成电路计划师群体那样，抽象语言使得大量的工程师可以大概加入进来，形成了一个蔚为壮观的工程师社群。

知识产权（IP）的发展，也再次推进了EDA软件的发展。这是硅基体系计划方面的一个里程碑。

英国ARM公司的登场，带来一个全新的贸易模式。它将各种计划库假造化，然后授权给其他企业使用。这意味着，作为处置处罚器的交付物，不再是具体的物理产物，而是以一种数字化的IP模块情势而存在。ARM公司的这种头脑对整个半导体行业产生了巨大的影响。物理实体变成了软件界说，处置处罚器就是IP模块。

Synopsys公司很快就注意到了这种模式的代价，它敏捷进入这块阵地，使得IP模块收入成为其整个收入的紧张一块，当前它的近1/3的产值来自于此，而且这块业务发展势头强劲。

IP模块的高速发展，极大地扩展了EDA软件的机动性。这是一个极简主义和知识复用的胜利。

频仍的并购

EDA软件有着极其繁芜的分类。根据美国专门从事EDA咨询的公司GSEDA（2018年已经出售给别的一家咨询公司）统计，EDA软件一共涉及90多种差异的技能。在这个范畴，密密麻麻地分布着420家公司。而按照美国《半导体工程》杂志的罗列清单，EDA软件范畴一共有900多家小公司。

工具软件的发展史，是一部鲨鱼吃小鱼的并购史。呆板类CAD软件云云，仿真CAE软件云云，半导体的EDA软件更是云云。

这是一个非常希奇的市场，小鱼的存在，似乎就是用来喂养大鱼的。而在美国工业软件的池子里，小鱼、小虾前赴后继，永世层出不穷。这是国外工业软件发展给中国工业软件界教授的生疏一课。

并购这种场景在中国工业软件市场上并不常见。EDA公司或软件并购的汗青较为冗长。简朴地说，在美国EDA公司的并购史中，仅仅由排名前三的巨头企业直接加入的并购就到达了惊人的200次，每家企业的并购数量均匀到达70次。如果思量许多被并购公司在此之前也是在大鱼吃小鱼，那么前三巨头每家所涉的总并购次数估计在300次左右。

这个并购的汗青是连续发生的。从1990年开始，每十年所发生的并购次数非常安稳。许多小公司的存活期只有短短几年，并购金额常常是几百万美元。EDA软件行业的并购频率大概是许多其他行业无法企及的，这也反映了工业软件有着极其特别的产业规律。

靠着强力的知识吞吐，工业软件以其 “百河纳川” 的汇聚方式，形成了深不可测的知识鸿沟——追赶者很轻易被远远甩在反面。正是这些叠罗汉式的并购，促进了无数电子工程师的头脑碰撞和专业技能的沉淀，终极将人类的聪明汇聚成高耸入云的工程学尖塔。

尖塔之外，很难有取巧速升的构筑。

三十年前的第三代EDA软件的紧张玩家，根本创建了江湖的秩序，以至于厥后再无寻衅者。自那以后，全部的初创公司再也没有了资源加持的发展空间，2002年以后的二十年，没有一家企业可以大概上市。全部EDA软件新创公司的唯一运气，就是被三家头部企业吞并收购。三代江湖，五十年汗青，作育了EDA软件三分天下的分治格局。

本钱杀手，逾越摩尔

EDA软件的鼻祖SPICE诞生于1971年，虽比摩尔定律的提出时间晚了6年，但它自诞生之日起就成为摩尔定律最忠诚的保驾护航者。

摩尔定律成为半导体范畴的铁律，使得行业推测变得简朴、直白且管用，也使得整个范畴的上鄙俚都不得不以同样的速率演化。这正是EDA软件面临的状态。它须要为半导体产业不停提供计划下一代芯片的方法和工具。EDA软件不停被时间追赶，永世在赛道上飞驰。

在2001年的时间，摩尔定律发展的最大威胁来自计划费用的飙升。EDA软件的发展，乐成地平复了计划本钱的大概暴涨。它不停在扮演 “本钱杀手” 的脚色。

根据美国加州大学Kahng教授的盘算分析，2011年一块体系级芯片（SoC）的计划费约莫是4000万美元。如果没有EDA技能的进步，这笔费用从2001年到2011年这10年就会上升至77亿美元。可见，EDA软件把计划费用整整低沉了约莫200倍。

EDA技能第一个将关于盘算建模、盘算头脑、盘算探索的概念和技能，乐成应用于电子电路计划工程范畴。它改变了电子工程师计划和制造集成电路的方式。

本日要计划任何一个电路，都可以从可实验编程语言规定的高度抽象的盘算模子开始。然后，电路计划颠末一系列综合、转换和优化，再举行严酷的数字模拟和原型计划，接着是正式和半正式的验证，末了通过先辈的光刻和化学工艺制造出来。各环节高度专业化，界面清楚，分工明确。

别的，EDA技能是盘算机科学与工程跨范畴互助的效果。盘算机科学家和EDA工程师与电气工程师互助，得到了差异条理的电路模子；他们与物理学家和化学家互助，推出了制造模子；他们与理论盘算机科学家互助，举行各种复杂性分析；他们与应用数学和优化专家互助，开发出伸缩性很好的模拟和综合算法；他们与应用范畴专家互助，开发出知识产权（IP）库。

正由于云云，EDA软件成为半导体行业的骄子。电子电路计划范畴遇到的题目，好比本钱压力、复杂性寻衅、多样性寻衅，有许多须要通过EDA技能来办理。与此同时，EDA技能也在扩展其自身的应用范畴，跳出电子电路的窠臼，办理诸多新兴范畴的计划自动化题目。

当硬件行业越来越多地讨论 “后摩尔期间” 的时间，EDA软件责无旁贷地挑起了重担，不光要连续 “摩尔定律”，而且要实现 “逾越摩尔” 的雄心。

中国的寻衅

如今EDA范畴的这种把持局面，给中国半导体的快速发展困绕了巨大的阴影。

与国外再无上市公司差异，这两年资源恰好给了中国软件巨大的追捧。本年国内EDA软件的上市公司有两家：概伦电子和华大九天。一个代表了海归创业，华裔不停是举世EDA人才池里最为紧张的气力；一个代表了本土对峙，前身源自研究院所的华大九天，见证了中国整个EDA软件汗青。它从抽芽到鼓起，到沉寂，再到重回资源舞台中央。而在这之外，尚有一批EDA软件，正在企业家的雄心和资源的豪情之下，逆流而上。

然而，这些EDA软件各自体量都很小，纵然是集万般痛爱于一身的龙头华大九天，也只有5.8亿元人民币收入。而Synopsys在2021年收入为260亿元人民币左右，利润到达50多亿元人民币。中国的这些EDA软件，恐怕还无法全面寻衅国外三大EDA厂家的高端地皮。

而国际上这三大芯片计划软件公司不停将中国视为紧张客户。根据美国证券生意业务委员会的季度财报，在2022年第二财季中，Cadence有13%的收入来自中国大陆，Synopsys则到达了17%，中国市场是它们的必争之地。但这些用于先辈制程的GaaFET的计划软件，中国的公司用得应该并不多。

这意味着，此次EDA软件的功能模块断供的限定，对这些厂家的收入干扰很小，但对中国雄心勃勃的半导体筹划却是影响巨大，一条技能迭代升级的鸿沟就竖在面前。

应对中国的崛起，美国的举措似乎正在变得更加具有打击性和体系性。美国战略与国际研究中央CSIS以为，美国当局找到了保住技能霸权的最好方法，那就是跑得更快。接纳的方法则是两头下注，既要跑得更快（如本年8月10日通过的2800亿美元的《芯片与科学法案》），同时要不停扔出停滞物（本年8月13日发布的管制公告）。美国如今要将中国半导体的技能，拦截在14nm的围墙之外。

如果中国不只管办理计划软件工具以及体量更大得多的光刻装备等题目，面向将来的半导体恐怕会输在起跑线上。对中国而言，任何一家EDA软件的单打独斗，恐怕很难奋起直追。体系性、生态性的布局，竣事当前零星的诸侯割据大家争上市的局面显得尤为迫切。

制版编辑|姜丝鸭