EDA从何而来，为何而生？

• EDA：电子设计领域的“刚需”型生产工具

EDA是应用于电子领域的研发设计类软件。EDA的涵义为电子设计自动化，从功能上看属于广义的CAD/CAE软件在电子设计领域的分支，在电子行业以计算机辅助设计取代手工版图设计。而EDA也是一个较为广泛的概念，应用在包括IC设计（数字IC、模拟IC、FPGA）、PCB设计、以及其他电子面板设计（比如FPD设计）等场景的设计工具均可归为EDA的范畴，而其中IC设计是其中技术门槛最高，市场需求最大的领域。

EDA处于半导体产业链的最上游。IC设计是芯片制作流程的前置环节，是将集成电路系统、逻辑与性能的设计需求转化为具体的物理版图的过程，主要包括前端设计（规格制定、详细设计、HDI编码、前仿真验证、逻辑综合、静态时序分析）和后端设计（可测性设计、布局规划、CTS、布线）等多个环节，而这其中的各个环节均需要EDA工具的应用，所以EDA也被认为是半导体产业链的基础之一。

EDA的应用已经成为IC设计领域的刚需。随着半导体行业的发展，IC设计的复杂程度指数级上升，当今的IC设计公司（Design House）已不可能完全离开EDA工具，而单凭手工完成版图的设计；同时EDA的应用也能够帮助IC设计人员有效提升设计的效率及准确度，进而节约大量设计费用（UCSD教授Andrew Kahng认为，当前消费级SoC在EDA工具的帮助下，设计费用约为4,000万美元费用；而如果不使用EDA工具，其设计费用将高达77亿美元[1]）。

EDA是典型的高门槛专业软件。大部分的EDA软件都运行于LINUX系统而非Windows系统，其原因为大多数工程及科技软件原先都是在UNIX平台上首先开发和使用的，并且LINUX作为多用户分布式系统更加适合于EDA这样的专业科技软件；EDA的价格也较为高昂，通常整套工具的价格可高达数十万美元，但我们认为这与其能够为IC设计公司创造的价值相比已经算是“不值一提”。

EDA的发展历经三个阶段，从通用走向专业，从工具走向平台：

►初级阶段（1970-1980年）：以通用CAD辅助电子设计。随着通用的CAD软件在机械设计等领域投入使用，电子设计人员也开始尝试以CAD代替手工制图，将PCB 设计过程中高重复性的繁杂劳动如布图布线工作用二维平面图形编辑与分析的 CAD 工具代替。彼时的EDA实际上是机械CAD的附属工具，而Applicon、CALMA等CAD厂商是当时EDA行业的主宰。

►发展阶段（1980-1990年）：专业EDA工具开始出现。半导体设计的要求逐渐提高，对于EDA工具的要求从基础的CAD设计延伸至CAE仿真，电路仿真程序SPICE的推出标志着专业的EDA设计工具的诞生，而Mentor Graphics，Daisy等公司也以软硬件结合的方式实现了EDA的初步商业化；此后Synopsys、Cadence等当今的EDA巨头也相继登上舞台，并以纯软件的方式重塑了行业的商业模式。

►成熟阶段（1990年至今）：技术基本成熟，EDA走向平台化。高制程芯片的发展进一步加剧了IC至多流程各环节的复杂度以及环节内部验证的工作量，对于EDA技术提出了更高的要求。以高级语言描述、系统级仿真和综合技术为特征的 EDA 技术基本成熟，同时产品形态上也从最初的点工具，进化为全流程工具以及设计平台，头部厂商均推出了大规模、平台级的EDA系统。

EDA持续发展的背后是摩尔定律的推动，优胜劣汰下行业的集中化趋势并不可逆。设计是制造的前置环节，因此EDA软件需要随着芯片制程工艺的进步，而进行持续的不断地更新迭代，为半导体产业不断提供设计下一代芯片的方法和工具，这对EDA厂商的研发实力提出了非常高的要，只有头部公司能够持续跟上行业的发展速度。这也导致了经过几十年的优胜劣汰后，如今的EDA行业已经呈现出高集中度的态势，大部分份额均被头部的三家公司占据。

各类型的IC设计均离不开EDA的应用。从功能上看，芯片可分为通用IC（CPU、DRAM）和专用IC（ASIC）；从结构上看，其又可以分为数字IC（CPU、GPU、逻辑电路）、模拟IC （运算放大器、基准电压源等）和数模混合IC。为了满足不同功能和不同结构IC的设计需求，IC设计从实现方法上大致可以主要分为全定制和半定制设计：

►全定制IC设计：基于晶体管级，所有器件和互连版图均按规定的功能、性能要求，对电路的结构布局、布线均进行专门的最优化设计，通常用来设计模拟电路及数模混合电路，比较适合大批量生产、要求集成度高、速度快、面积小、功耗低的通用IC或ASIC[2]。全定制IC设计更加依赖于设计人员本身对于电路的理解，EDA工具在其中主要起到辅助的作用。

►半定制IC设计：基于门阵列（gate-array）、标准单元、可编程元器件等一定规格的功能块的半定制设计，一般用来设计数字电路，大部分数字大规模电路都使用半定制流程设计（数字SoC设计）。半定制设计的标准化程度相对更高，EDA工具的参与度相对更高，对于设计人员对于电路理解的要求相对更低。

EDA工具对全定制和半定制IC设计的各个环节均实现了覆盖。全定制和半定制IC设计需要不同类型的EDA工具，全定制IC设计主要包括电路原理图设计、电路仿真、掩膜设计、版图验证、流片等环节。而半定制IC设计在流程上更为细致化、标准化，主要可划分为前端设计（从规格制定到生成门级网表）和后端设计（布局布线、版图生成）。目前针对全定制和半定制IC设计的各个环节均已经有成熟的EDA公司，其中半定制IC设计相对而言更为依赖于EDA，同时主要采用半定制设计的数字IC在全球半导体市场也占有更高的份额，因此下文中我们主要会聚焦在半定制数字IC设计领域的EDA应用。

• 半定制数字IC设计中的EDA应用详解

半定制IC设计可大致分为前端设计和后端设计环节：

►前端设计：又称逻辑设计，主要和电路逻辑的实现相关，使用HDL语言描述电路，并进行仿真验证、综合和时序分析，最后转换成门级网表，包括规格制定、详细设计、HDL编码、逻辑仿真验证、逻辑综合等环节。

►后端设计：又称物理设计，主要和工艺相结合，将门级网表转换成IC设计版图（gds文件，进行验证后输出以进行下一步的IC制造工作，主要包括可测性测试、布局规划、时钟树综合、布局布线、版图生成、物理仿真验证等环节。

半定制数字IC设计的流程较长，各环节均需应用专门的EDA工具。在下面两张图表中，我们展示了半定制数字IC前端设计以及后端设计的全流程环节以及需要使用的主流EDA工具。总体上看，数字IC设计具有较长的环节链路，IC设计公司通常需要配置整套的EDA工具以满足其使用需求。

• 商业模式：软件工具为基础产品，但价值远不止于工具

EDA厂商的商业模式主要是以EDA软件授权结合IP授权：

►EDA软件授权：EDA厂商会将自身开发的各类工具、软件包（上面提到的各个环节的工具大多数都会被整合在软件包中形成整体解决方案），以软件授权的方式进行售卖，大部分合约均是以2-3年的期间授权的模式，小部分合约为永久授权。下游客户方面则以中大型IDM、Fabless企业为主。

►IP授权：EDA厂商也会直接向客户提供芯片IP授权，分为软IP（RTL编码功能块）、固IP（完成逻辑综合后的门级网表）、硬IP（掩膜版图）。EDA厂商主要提供的是软IP和固IP，常见的做法是将软IP集成至EDA软件中；收费方式则包括单次授权费（License）和持续的版税费（Royalty）两种。大部分的Fabless/IDM都会采购一些IP核以提升芯片开发的效率。

EDA厂商为客户提供的价值远不仅仅是设计工具：

其一，结合先进工艺，与Foundry的验证配合。由于EDA最终输出的版图都是会交给Foundry来进行代工，因此EDA工具与先进的工艺密不可分（尤其是后端工具），EDA厂商需要向Fabless客户证明通过自身的产品设计出的版图能够通过Foundry的验证，并投入量产；而Fabless仅有购买那些得到了验证的EDA工具，才能够具备取得头部Foundry代工配额的可能性。

其二，专业的服务，甚至是技术上的直接支持。EDA厂商为客户提供工具的同时，也会向其输出专业化的咨询、培训服务，甚至是直接参与到IC的设计。同时由于EDA厂商本身对于IC设计、工艺技术已经积累了较为深刻的理解，因此客户对于厂商所提供的专业服务往往具有较大的需求，甚至更希望得到在技术知识方面的支持。

头部EDA厂商在与工艺的结合和专业服务这两方面优势明显。在工艺层面，Synopsys、Cadence等头部公司通过在行业中多年的耕耘，一方面积累了深厚的Fabless/IDM客户基础，另一方面也已经与头部的Foundry建立了深入的合作关系，对先进工艺具有深入的理解；在服务层面，这些头部企业内的员工往往也都是半导体领域的顶尖人才，具备直接向客户输出技术服务的能力。我们认为头部的EDA公司不仅在产品工具层面领先，其在工艺和服务上的壁垒更为稳固。