EDA產(chǎn)業(yè)的變遷（上篇）

EDA故事的起點

EDA故事的起點要從上世紀(jì)70年代說起，那時候芯片復(fù)雜度低，芯片設(shè)計人員可以通過手工操作完成電路圖的輸入、布局和布線。后來慢慢地開始有公司使用計算機輔助進(jìn)行集成電路版圖編輯、PCB布局布線，相繼出現(xiàn)了許多二維CAD、三維系統(tǒng)分析與設(shè)計(SAD)軟件。但是初代的EDA大都附屬在機械CAD的供應(yīng)商之下，比如當(dāng)年大名鼎鼎的Applicon、CALMA和CV。時至今日，這些開創(chuàng)CAD的早期公司基本上都倒下了，因為他們的產(chǎn)品都有一個通病，那就是軟件和硬件緊密綁定下的嚴(yán)重定制化和復(fù)雜移植。慘痛的教訓(xùn)讓大家明白了EDA獨立的重要性，依附關(guān)系并不能讓自己得到真正的成長。

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圖源：Computer History Museum

與此同時，一款由加州大學(xué)伯克利分校Don Pederson團(tuán)隊研發(fā)的代碼開源的仿真器——SPICE正在經(jīng)歷它關(guān)鍵的版本更新迭代（1998年，Don Pederson被授予了IEEE金獎，并收獲SPICE之父頭銜），以電路描述語言和關(guān)聯(lián)矩陣電路表示、節(jié)點-基準(zhǔn)電壓解決方案、稀疏矩陣算法、Newton-Raphson迭代和隱式數(shù)值積分等算法為起點，不斷向IC設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)。就如戈登·摩爾在1965年4月提出的摩爾定律所述，“集成電路上可以容納的晶體管數(shù)目在大約每經(jīng)過18個月便會增加一倍?！彪S著IC復(fù)雜度的提升，該技術(shù)的使用者越來越多，到了70年代末，絕大部分半導(dǎo)體公司都已經(jīng)用上了SPICE。

在這樣的開源大環(huán)境下，惠普（Hewlett Packard）、IBM、GE、國半（National Semiconductor）、亞德諾（Analog Devices）、泰克（Tektronix）、德州儀器（Texas Instruments）等大公司紛紛開始組建自己的CAD部門，并招攬了DickDowell、Steve Hamm、Graham Boyle和Burt Epler等SPICE專家，協(xié)同Don Pederson團(tuán)隊進(jìn)行程序的改編，以滿足公司自身的具體需求。

in-house工具轉(zhuǎn)向商用EDA工具

這樣的in-house模式持續(xù)了幾年，對于這些傳統(tǒng)大廠來說，復(fù)雜的邏輯和物理設(shè)計、庫和過程開發(fā)、封裝包裹在一個大的研發(fā)團(tuán)隊中，是一種扼殺創(chuàng)新的封閉金字塔。此外，在硅谷風(fēng)投興盛的帶動下，以ASIC為技術(shù)代表的半導(dǎo)體創(chuàng)業(yè)大潮逐漸興起。這些初創(chuàng)和還處在中小型階段的公司都面臨一個問題，那就是在做產(chǎn)品前先要成立一個自己的工具團(tuán)隊，這是不小的壓力。有需求就有市場，而嗅到商機的往往是最靠近需求的人。

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圖 | Mentor Graphics founders Tom Bruggere, Gerry Langeler, and Dave Moffenbeier，圖源：semiwiki

1981年，一幫來自Tektronix的年輕人離開公司，創(chuàng)立了 Mentor Graphics，這就是今天的EDA三巨頭之一，日后名聲飛揚的XpediTIon、PADS、Mentor EE均誕生于此。1983年，Mentor Graphics發(fā)布了一款交互式模擬仿真軟件 MSPICE，并開始拓展英國、法國、西德、日本等海外市場。

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圖 | Jim Solomon

同年，一位名叫Jim Solomon的IC設(shè)計師厭倦了枯燥無味的重復(fù)勞動，決定離開美國國家半導(dǎo)體公司（National Semiconductor），在硅谷風(fēng)投和老東家國半以及其他三家業(yè)內(nèi)IC公司的出資支持下，成立了SDA（Silicon Design Automation），并開創(chuàng)了合伙人制度。值得一提的是，這些下游用戶投入了100萬美元，提供最真實的需求和最快速的反饋，最終獲取股權(quán)收益，與此同時，所有的幾家VC投資加起來也不超過100萬，不得不說這是一種高明的融資術(shù)。因此，當(dāng)時的SDA一成立，就成為了硅谷IC公司追捧的對象。

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圖 | Aart de Geus（中）

1986年，今天的EDA霸主Synopsys登場（公司名字來源于綜合優(yōu)化系統(tǒng)的英文組合Synthesis optimization systems），創(chuàng)始人 Aart de Geus 博士的導(dǎo)師是加州大學(xué)伯克利分校 SPICE 模擬程序之父 Rohrer 教授，創(chuàng)始團(tuán)隊來自通用電氣GE的微電子中心，融資來自于下游企業(yè)通用電氣和哈里斯半導(dǎo)體公司。初期Synopsys完美地利用了在GE所興起的邏輯綜合技術(shù)（從前的芯片設(shè)計，工程師都是從底層的電路板設(shè)計開始，而有了抽象化的技術(shù)之后，設(shè)計師可以直接采用高級語言“設(shè)計電路板”，然后通過邏輯綜合工具把抽象的設(shè)計自動轉(zhuǎn)化成機器語言，形成由各種邏輯門組成的電路組合）。同時，在制度和管理層面，Synopsys整體延續(xù)了SDA所有的創(chuàng)新機制。不難想象，在ASIC逐漸繁榮的當(dāng)口，這種抽象化工具很快就成為了產(chǎn)業(yè)界的標(biāo)準(zhǔn)，在壯大工程師群體的同時，推動了IC設(shè)計行業(yè)的大步向前。

正當(dāng)EDA行業(yè)飛速發(fā)展，前景一片大好之時，華爾街股票市場刮起了股票暴跌的風(fēng)潮，爆發(fā)了歷史上最大的一次崩盤事件。道·瓊斯指數(shù)一天之內(nèi)重挫了508.32點，跌幅達(dá)22.6%，創(chuàng)下自1941年以來單日跌幅最高紀(jì)錄。6.5小時之內(nèi)，紐約股指損失5000億美元，其價值相當(dāng)于美國全年國民生產(chǎn)總值的1/8。

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圖 | 1987年的華爾街，圖源：知乎

受股災(zāi)的影響，SDA計劃中的IPO被擱淺。此時，由Glen Antle和Paul Huang創(chuàng)立的ECAD公司（一款叫Dracula的DRC檢查工具誕生于此）稍顯幸運，在10月19號的股災(zāi)之前已成功IPO，不過還是一定程度上收到了股災(zāi)的影響。這是SDA公司的高層做了一個決定——“借殼上市”，于是兩家面臨危機的EDA公司正式合并為一家公司，取名Cadence，由原SDA的COO Joe Costello出任首位CEO。

以上只是EDA行業(yè)巨頭形成的一些縮影，據(jù)悉從80年代后期開始崛起的還有Daisy、Valid等。這些EDA公司開始大魚吃小魚，到了1988年，全球 EDA 市場總量約為 9 億美元，而Mentor Graphics營收突破3億美元大關(guān)，占比三分之一，超過IBM、麥道軟件等公司，成為當(dāng)時最賺錢的設(shè)計自動化公司。同年，Mentor Graphics以500萬美元兼并了Tektronix公司的CAE業(yè)務(wù)。1989年，Mentor 的業(yè)務(wù)繼續(xù)高歌猛進(jìn)，公司決定發(fā)布里程碑版本 Mentor Graphics 8.0，其功能規(guī)劃遠(yuǎn)超當(dāng)時市面上的其它軟件，以期望用戶使用這一款軟件就能解決幾乎所有電子電路研發(fā)工作者的難題。在這個計劃下，50 多個研發(fā)項目齊頭并進(jìn)、相互交織，但最終還是因為項目太復(fù)雜而延誤了發(fā)布時間，同時這個版本的開放性不夠好，與市面上其它的軟件很難兼容。就在客戶等待新版本發(fā)布過程中（1991年，歷史上第一次營收下跌，隨后裁員 15% 近500 人），Mentor Graphics的競爭對手Cadence的產(chǎn)品憑借著硬件環(huán)境適應(yīng)力強、能設(shè)計復(fù)雜芯片等優(yōu)勢占得市場先機，到了1992 年，Cadence逆襲成為當(dāng)時EDA行業(yè)的老大，布局布線市占比達(dá)八成以上。

國內(nèi)襁褓中的IC產(chǎn)業(yè)，EDA進(jìn)入中國市場

按照時間線，我需要來介紹一下EDA在中國的發(fā)展，眾所周知，建國后受到巴統(tǒng)（巴黎統(tǒng)籌委員會）對中國實施禁運的影響，EDA軟件的核心技術(shù)一直無法進(jìn)入中國。

在這樣的背景下，1986年，法國同意幫中國建立集成電路設(shè)計中心，并贈送一套ICCAD（集成電路自動化設(shè)計）系統(tǒng)。但是由于政府的更迭，這一計劃被擱淺，于是國務(wù)院決定自主攻關(guān)拿下ICCAD系統(tǒng)這個堡壘，這一任務(wù)交到了剛成立不久的北京集成電路設(shè)計中心，由來自硅谷的華人CAD專家連永君來帶頭，組建三級系統(tǒng)（當(dāng)時的ICCAD系統(tǒng)叫法）開發(fā)小組，地點位于712廠的一個五層樓中。

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圖 | 來自硅谷的華人CAD專家連永君（右）

1991年，三級系統(tǒng)的研制初顯成效，通過了國家驗收（核心部分由28個設(shè)計工具組成，共180萬行代碼），史稱“熊貓系統(tǒng)”。為何要將三級系統(tǒng)重命名為熊貓系統(tǒng)呢？據(jù)悉，因為攻關(guān)人員長期熬夜加班，黑眼圈都很重，很像國寶熊貓，于是經(jīng)上級同意，由此得名。

90年代初期，以無錫華晶、紹興華越、上海貝嶺、上海飛利浦、北京首鋼日電為代表的的中國半導(dǎo)體步入萌芽階段。同時，隨著前蘇聯(lián)1991年解體，“巴統(tǒng)”影響逐漸減小，于是1992年Cadence成為首家進(jìn)入中國市場的EDA供應(yīng)商，次年另外兩家EDA廠家Synopsys和Mentor Graphics也悄悄進(jìn)入中國（也有另一種說法，Mentor Graphics早在1989年就進(jìn)入了中國市場，但是主要以PCB板級設(shè)計為主）。

中國側(cè)，在熊貓系統(tǒng)誕生后，我國引進(jìn)了大量的工藝制造線，但是設(shè)計業(yè)一直跟不上，于是呈現(xiàn)了一波“無米之炊”的景象。再加上受 1994 年“巴統(tǒng)”正式解散的影響，美國解除了對中國EDA 軟件的封鎖，于是國內(nèi)發(fā)起了“造不如買、買不如租”的“新思潮”，熊貓系統(tǒng)的推廣大大受阻。至少到2008年4月這段時間內(nèi)，中國的EDA產(chǎn)業(yè)是不進(jìn)則退的。

EDA進(jìn)入系統(tǒng)設(shè)計階段

我們再回到EDA國際主流市場，上世紀(jì)90年代，隨著硬件語言的標(biāo)準(zhǔn)化和集成電路設(shè)計方法的不斷發(fā)展，EDA市場上出現(xiàn)了設(shè)計方法的各種流派，比如全定制設(shè)計、半定制設(shè)計，ASIC設(shè)計、標(biāo)準(zhǔn)單元庫、門陣列、可編程邏輯陣列等。

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圖源：億歐

在摩爾定律的大框架下，半導(dǎo)體開始走入（超）大規(guī)模集成電路（VLSI）時代，電路設(shè)計開始轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計。與此同時，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的分工模式進(jìn)一步細(xì)化，逐步由IDM（Integrated Device Manufacturer，集約化制造商）主導(dǎo)的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)生態(tài)，向Fabless（無工廠僅設(shè)計）+Foundry（代工廠）+OSAT（Out Sourced Assembly and Testing，封測代工廠）的產(chǎn)業(yè)格局演進(jìn)，開始形成IC設(shè)計、IC制造和IC封裝三大核心板塊。

EDA行業(yè)作為促成這一轉(zhuǎn)變的助力促成者，也演繹著本身的變遷歷史，從系統(tǒng)行為級描述到系統(tǒng)綜合、系統(tǒng)仿真與系統(tǒng)測試，真正實現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計自動化的正向設(shè)計方法。以Cadence為例，1991年它收購了一家以Composer模擬版圖提取工具而聞名的EDA公司Valid（Composer曾廣泛應(yīng)用于門陣列設(shè)計和PCB設(shè)計之中），從此Cadence將一只腳伸到了系統(tǒng)級。值得一提的是，目前在PCB領(lǐng)域的絕對霸主Allegro，就源自Valid。

1993年開始，Mentor Graphics與Cadence的競爭越發(fā)激烈，相互翻盤對方的客戶。不過，Mentor Graphics作為老牌霸主，根基還是不錯，從1994年開始到2007年這十年間又返回穩(wěn)定發(fā)展階段，長期占據(jù)EDA市場的頭部位置。

此外，Synopsys在這些年間也沒閑著，據(jù)悉在 1990 年到 1999 年這十年間，在Aart de Geus的 領(lǐng)導(dǎo)下，Synopsys共進(jìn)行了 20 次收購。比如，1990年，收購了 Zycad 公司的 VHDL 仿真業(yè)務(wù)，并推出了測試綜合產(chǎn)品；1995 年收購了 Silicon Architects；推進(jìn)下一代門陣列技術(shù)的開發(fā)；1997 年收購了聚焦深亞微米分析的 Epic Design Technology 和開發(fā)高級仿真產(chǎn)品的 Viewlogic Systems。在整合邏輯綜合、模擬和測試三大技術(shù)產(chǎn)品線的情況下，1999 年Synopsys收入跨過8 億美元大關(guān)。

而進(jìn)入21世紀(jì)后，我們不得不提到一次顛覆EDA市場頭部排位的收購，那就是2002 年Synopsys以 8.3 億美元收購與 Cadence 結(jié)束專利訴訟的 Avant，直接晉升至EDA老二的地位。要知道Avant可是與Cadence正面競爭的一匹黑馬（關(guān)于Avant和徐建國的故事，有興趣的可以去網(wǎng)上搜一下，很是戲劇性，有人說Synopsys是鶴蚌相爭下的漁翁得利）。收購Avant后的Synopsys將Astro 工具和Physical Compile整合，形成了能夠并行執(zhí)行物理綜合、時鐘樹綜合、布局、布線、良品率優(yōu)化和校正等功能的強大 IC Compiler，直接銜接了 Synopsys 前端和后端工具，這對于90nm 以下IC設(shè)計中的時序、功耗、面積、信號完整性和良品率優(yōu)化有著舉足輕重的作用。

不過，在1999年到2002年間，在Ray Bingham執(zhí)掌Cadence時代，同樣也經(jīng)歷了三次重要的收購：2001年收購Silicon Perspective，將IC布局工具First Encounter和SI分析工具CadMos收入囊中，為下一代布局布線做技術(shù)儲備；2002年收購Simplex，補足Cadence在寄生參數(shù)提取和分析方面的能力；同年收購IBM硬件仿真業(yè)務(wù)，真正占領(lǐng)硬件仿真高地。

總之，當(dāng)EDA進(jìn)入系統(tǒng)設(shè)計階段，頭部企業(yè)一直在演繹著大魚吃小魚的戲碼。

好了，由于篇幅的問題，筆者決定將《EDA產(chǎn)業(yè)的變遷》分為上下兩篇來呈現(xiàn)，今天先講到這里，下篇中我們將就2008年全球金融危機對EDA產(chǎn)業(yè)的沖擊，在摩爾定律走向消亡的十字路口EDA產(chǎn)業(yè)的選擇，以及中國EDA能否逃出“長不大的小魚”魔咒？等問題跟大家一起分享與討論。
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