大冒險家粵語

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EDA全稱是Electronic design automation，也就是電子設計自動化，是指利用計算機輔助設計（CAD）軟件，來完成超大規模集成電路（VLSI）芯片的功能設計、綜合、驗證、物理設計（包括布局、布線、版圖、設計規則檢查等）等流程的設計方式。

EDA工具素有“芯片之母”的美譽，是芯片制造最上游的產業，是銜接集成電路設計、制造和封測的關鍵紐帶，對行業生產效率、產品技術水平都有重要影響。

回溯EDA工具的歷史，它經歷了怎樣的演變歷程？當今稱霸EDA市場的海外三巨頭是如何練就的？本期我們讓我們一起走進EDA的發展史·上集。

01 EDA工具如何從“手工設計”走向“人機交互”

實際上，在EDA之前，集成電路是手工設計的，伴隨集成電路規模逐步擴大和電子系統日趨復雜，EDA才發展成自動化工具，并逐漸商業化成熟。總的來看，EDA工具的發展大概經歷了四個階段。

第一階段：計算機輔助設計（CAD）階段。20世紀70年代，由于芯片復雜度低，芯片設計人員可以通過手工操作完成電路圖的輸入、布局和布線。七十年代中期，可編程邏輯設計技術的出現使得芯片設計自動化成為可能，交互圖形編輯、晶體管版圖設計、規則檢查等功能提升了芯片設計的自動化程度。這一時期內出現的比較知名的廠商有Applicon、CALMA、ComputerVision等。

第二階段：計算機輔助工程（CAE）階段。20世紀80年代，EDA 技術進入發展和完善階段，推出的EDA工具以邏輯模擬、定時分析、故障分析、自動布局和布線為核心，重點解決功能檢測等問題，利用這些工具，設計師能在產品制作之前預知產品功能和性能。到了80 年代后期，EDA 工具已可以進行設計描述、綜合與優化和設計結果驗證。

在這里，值得著重介紹的是，EDA 技術真正的突破出現在1980年。這一年，加州理工學院教授Carver Mead和全錄帕洛阿爾托研究中心的程式設計師Lynn Conway共同發表了一篇具有劃時代意義的論文《超大規模集成電路系統導論》（Introduction to VLSI Systems），這成為電子設計自動化發展的重要標志事件。

為何這么說？主要是由于這篇論文提出了通過編程語言來進行芯片設計的新思想，從而啟發了VHDL和Verilog等工具的誕生。使用編程語言進行芯片設計進一步降低了芯片設計師工作的復雜程度，是 EDA 商業化中的重要推動力。直至今日，盡管所用的語言和工具仍然不斷在發展，但是通過編程語言來設計、驗證電路預期行為，利用工具軟件綜合得到低抽象級物理設計的這種途徑，仍然是數字集成電路設計的基礎。

與此同時，這期間發生了一件相當重要的事情——商業專用集成電路或 ASIC 行業也誕生了。隨著 VLSI Technology 和 LSI Logic 等公司開創的 ASIC 業務的出現，對自動化芯片模擬、設計和驗證工具的需求變得更加普遍，這一發展催生了許多新公司來滿足這一需求，EDA真正應運而生。

第三階段：電子系統設計自動化（EDA）階段。20世紀90年代，隨著芯片設計流程的標準化發展以及集成電路設計方法論的完善，EDA 芯片設計工具百花齊放：可編程邏輯陣列、標準單元庫、全/半定制設計、專用集成電路設計等。

也正是在這一階段內，Synopsys、Cadence 和 Mentor（現為 Siemens EDA）公司迅速興起，成為EDA領域的領軍企業，這一三足鼎立的競爭格局延續至今。

第四階段： EDA進入快速發展階段。2000年前后，EDA在仿真驗證和設計兩個層面支持標準硬件語言的EDA軟件工具功能更加強大，更大規模的可編程邏輯器件不斷推出，系統級、行為級硬件描述語言趨于更加高效和簡單。

目前EDA工具已能對集成電路的設計、制造、封裝等環節實現全覆蓋，應用于包括模擬電路、數字電路、FPGA、PCB、面板等多個領域的設計工作。

EDA 對現代集成電路產業意義重大,它不僅極大地降低了芯片的設計成本,使大規模的復雜電路設計成為現實,同時也推動IP生態的豐富,EDA 技術與現代先進工藝的結合更是為集成電路性能提升、尺寸縮減帶來新的發展機遇。

現如今，幾乎所有芯片設計公司都離不開EDA軟件，如果沒有它，高通、華為、蘋果等一系列芯片廠商都將無法研制新的芯片，完成芯片迭代升級。

02 時勢造英雄 國際三大EDA巨頭終養成

上文在介紹EDA工具發展歷程的時候，國際三大EDA巨頭（Synopsys、Cadence 和 Mentor（現為 Siemens EDA））已經有所提及。

這三大EDA巨頭均來自于美國，并且均成立于20世紀八九十年代。Synopsys是由曾就職于通用電氣的微電子中心的Aarde Geus創辦；Cadence是由SDA和ECAD公司合并而來;Siemens EDA的前身是Mentor Graphics，Mentor Graphics成立于1981年，創始團隊來自于美國俄勒岡州電子制造公司Tektronix；2017年Mentor Graphics被西門子收購，西門子于2021年將Mentor Graphics更名為Siemens EDA。

20世紀90年代以來，隨著Fabless 模式興起，芯片設計廠商成為EDA的重要使用者，這一階段內EDA廠商的主要客戶為芯片設計公司，包括英偉達，高通，德州儀器在內的公司，此外，芯片代工廠商如臺積電也成為了EDA 產品的使用者，EDA客戶群體進一步拓寬。

時勢造英雄，這一時期，Cadence 開創了只賣軟件的模式，EDA 軟件的工業屬性得到體現，隨后Synopsys 和 Mentor 也同Cadence一起確立了三分天下的秩序。

縱觀這三大EDA巨頭的發展史，它們自成立以來發起過眾多兼并收購案以此來迅速補全領先產品技術。事實上，EDA發展的歷史就是一部并購史，僅僅由三巨頭發起的并購就達到驚人的200次，其中Synopsys兼并收購次數最多，高達80次；Cadence和Siemens EDA分別為62次和66次。

以自Synopsys為例，1986年成立以來，Synopsys通過發起幾十余項并購交易，不斷尋找那些已經被市場證明成功的產品及其企業，通過滾動并購操作達到了擴大業務規模、進行技術整合的目的。

其中最經典的無外乎Synopsys在2002年以8.3億美元收購與Cadence結束專利訴訟的Avanti公司，一舉補齊了數字集成電路EDA全流程所需要的團隊和技術，并一舉獲得了芯片后端布局布線近四成的市場。正是這場收購改變了傳統上“Synopsys占前端，Cadence占后端”的格局，讓Synopsys在進入到后摩爾定律時代之前完成基石技術的布局。

此外，Siemens EDA其前身是成立于美國的Mentor，在Mentor 發展的近30年歷程中，其收購了Synergy Dataworks、Silicon Compiler Systems等眾多半導體領域及EDA產業公司，而Mentor最終也在2010年被西門子以45億美元收購，成為今天的Siemens EDA并作為西門子數字工廠DF集團的一部分。

EDA巨頭并購的深層次原因主要有兩個，其一是通過并購補全自己的工具鏈，其二則是將潛在的挑戰者“扼制”在萌芽狀態。

正是靠著這種百川匯海的并購，三巨頭們才形成了一道不可逾越的知識鴻溝。三巨頭均具備提供全套的芯片設計EDA解決方案的能力，但在具體的細分領域和應用中競爭力有差異，擁有不同的優勢產品。

經過多年的收購兼并以后，三巨頭市場的影響力也日益集中。據ESD Alliance，1996年至2020年全球EDA市場CR3始終維持在50%以上，Cadence、Synopsys、Mentor三分天下的格局較為穩定。

當然，中國市場這塊“大蛋糕”也是EDA三巨頭覬覦的對象。20世紀90年代前后，三巨頭紛紛進入中國市場，它們的到來，卻給彼時的中國本土EDA產業造成致命性打擊。

事實上，早在上世紀80年代，中國EDA產業也曾有過短暫的輝煌，但可惜，有如曇花一現，輝煌很快就沉寂下去，并長達15年之久，這段歷史有著怎樣的“隱情”？國產EDA產業的轉折點又是從何時到來？關于這部分的歷史，還請關注【芯歷史】下期的內容。（校對/holly）

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