继光刻机之后，EDA有望成为集成电路产业新的出圈词汇。
随着BIS的出口管制得到全球前三大EDA供应商陆续证实，中国集成电路产业链再度迎来考验。
EDA全称Electronic Design Automation（电子设计自动化），是芯片生产使用的工业软件的总称，类似于建筑设计的CAD软件——事实上，EDA最初就被视为CAD的一个分支。
作为芯片工程师的Photoshop，EDA把画电路变成了素材排列组合+写代码，几乎贯穿芯片生产的整个生命周期。ASML用来校准光刻机镜头的专业软件，便出自EDA开发商新思科技之手。
一旦离开了EDA工具，想在指甲盖大小的芯片里集成上百亿晶体管，无疑是天方夜谭。
用于芯片设计的EDA软件
相比半导体设备市场欧、美、日多家龙头相互制约、相对分散的竞争格局，前三大EDA厂商垄断了近80%的市场份额，且均为美国公司。与之对应，国内EDA爬坡多年，国产替代率仅勉强超过10%[2]。
EDA是美国集成电路产业优势最大的板块，也是国内产业链最薄弱的环节。
自动化与分工
EDA与集成电路产业几乎同步出现，其诞生初衷是把设计电路从画图的体力活变成写代码的脑力活。
1966年，大名鼎鼎的仙童半导体从IBM挖来了工程师James Koford，直接汇报给公司创始人，也是“摩尔定律”的提出者戈登·摩尔本人，具体任务是设计一套方案，代替人力完成芯片的版图绘制、测试、布线等必要步骤。
当时，芯片设计师在完成逻辑电路设计后，需要在图纸上手绘出晶体管及连接导线，即版图。后续制造环节用到的各类器件、材料（包括光刻用的掩膜版），都基于这份版图完成的，对准确性要求极高，一旦出错就要全盘推倒重来。
仙童半导体制造的芯片（按照晶体管密集程度排列）
当一块电路板上只有十几个晶体管时，手绘版图难度自然不大，但当晶体管数量扩大到100个以上，容错率就相当低了。
一颗包含150个电路模块（一个模块里集成了许多晶体管）的芯片，要耗费四个工程师一周的时间，俨然劳动密集型产业。
1955年的索尼TR-55收音机里集成了5个晶体管；70年后，英伟达在B200芯片里塞进了足足2080亿个晶体管。如果没有EDA工具，工作量难以想象。
有IBM的开发经验打底，James Koford和团队顺利完成任务，开发出了逻辑模拟器、测试程序生成器以及自动布局布线软件[4]，成功将四个工程师/一周的工时缩减到了一个工程师/一天。
现代的自动布局布线软件
以此为开端，EDA开始成为加快芯片生产流程的必备工具。
到70年代，摩托罗拉等芯片公司都开始用上了内部开发的EDA工具。但一方面，当时的EDA工具大多种类有限、功能简陋；另一方面，每家半导体公司的EDA工具都只“适配”自家的芯片设计，在整个产业的战略价值也相对有限。
1974年，英特尔在以色列法海建立研发中心，核心工作就是研发更好的EDA工具，以支持80286等一系列CPU的设计，负责人就是去年底黯然下台的英特尔CEO帕特·基辛格（Pat Gelsinger）。
80386开发团队，基辛格为右二
当时，英特尔总部需要定期将芯片设计的软件版本从加州发送到以色列海法，后者编写程序、完成自动化后，送回加州再进行生产制造。70年代还没有飞书和Slack，效率可想而知。
而伴随芯片生产环节不断细分，EDA软件也愈发繁杂，为了保证开发效率，英特尔只能把EDA研发部门分成三个环节，每个环节细分成四个部门，分散在全球十几个研究中心。
持续的研发投入和沉重的管理负担，推动了EDA软件最大的一次变革：EDA从半导体公司的研发部门变成了一个独立的产业，第三方EDA供应商开始出现。
1985年，通用电气率先将其EDA部门拆分成为一家独立公司，并改名为新思科技。这一时期创立的还有Mentor Graphics和Cadence，如今的EDA三大巨头正式集结。
由于芯片设计和生产需要的投资越来越大，英特尔、AMD这类芯片公司也乐于使用第三方工具，为自己节约成本。三巨头凭借与顶级芯片公司的绑定关系，逐步确立了领导地位，一直延续至今。
同一时期，中国的EDA软件也开始蹒跚起步。
糖与砒霜
1988年秋天，北京集成电路设计中心汇聚了来自全国17家单位的120多名学者和技术人员，国内第一套自研EDA软件——“ICCAD Ⅲ级系统”开发工作就此铺开[6]。
中国第一家集成电路专业化工厂成立在1978年，虽然3英寸设备可以从日本和美国引进[7]，但EDA却受限于“巴统协议”，无法使用海外先进产品，与全球水平隔了几个世代，严重制约了国内芯片研发的发展。
“巴统”全称巴黎统筹委员会，由美英国等17个西方国家在1949年组建，对冷战的另一方实施战略物资和高技术产品的封锁，EDA作为芯片生产的关键工具，自然是重点把控对象。
“ICCAD Ⅲ级系统”上马的背景，便是这种技术封锁之下的自主化。
五年后的1993年，包含28个设计工具的EDA软件“熊猫系统”问世，虽然称不上世界一流，但对缺少先进EDA软件的国内芯片设计公司来说，已然雪中送炭，短时间内就被20多家设计公司和研究机构采用。
EDA作为典型的干中学、学中干工种，需要在具体的芯片设计环节中不断积累经验改进产品。当时，“熊猫系统”定价便宜大碗，甚至还有美国芯片公司禁不住诱惑前来询价[6]，看上去进展一切顺利。
然而“熊猫系统”问世第二年，“巴统”伴随苏联解体失去了存在价值，封锁和管制彻底放开，三巨头之一的Cadence当年就宣布进入中国市场，次年，新思科技和Mentors Graphics也拍马赶到。
EDA工具成长的关键是不怕不好用，只怕没人用，海外三巨头自然很清楚这一点。面对初生的假想敌“熊猫系统”，Cadence对双方重合的工具大幅降价甚至免费提供，再利用自身更齐全的工具箱和经过验证的成熟方案，迅速抢占市场。
面对这种降维打击，“熊猫系统”自然难以招架，遗憾折戟。
“熊猫系统”偃旗息鼓后，三巨头又将战略方向转向了高校和科研机构。1995年，新思科技一口气向清华大学捐赠了20套价值百万美元的Design Compiler，同时成立对应的电子设计中心，慷慨的不像资本主义世界的公司。
捐赠仪式上的清华大学周祖成教授（左）与新思科技代表陈志宽博士
每家EDA开发商都有自己的数据格式和使用逻辑，彼此并不兼容。类似于不同语种的学习，新思科技的目的，是试图让自己的EDA工具成为芯片工程师的“母语”，虽然客观上推动了国内芯片设计的进步，但让集成电路产业对自己产生了依赖。
一本武林秘籍练久了就会形成心得和肌肉记忆，用惯了新思编程软件的工程师，不一定能适应Cadence的编程环境。同时期国产操作系统和Windows有来有回，当时有媒体请还是金山总经理的雷军点评微软，后者说了句意味深长的话：
“世界上没有白吃的代价，人家撒网，让你来钻。”
中国的EDA软件就像一本残缺的武林秘籍，纵使招式齐全，但没有受众，终究无法开门立派，就此与国内芯片设计的发展节奏脱钩，划上了一个充满遗憾的句号。
被掐住的七寸
BIS上一次针对中国发布EDA出口禁令是在2022年，此次全面断供，除了打击范围更广之外，也给国内集成电路产业的未来蒙上了一层迷雾。
EDA公司大多采用固定期间授权的方式，假设芯片设计公司签了3年的授权合同，在这3年内，设计公司不仅能用完整的EDA工具，还能获得软件更新和对应的技术支持。
根据新思科技的解释，中国公司此前取得的授权仍然有效，但倘若BIS禁令落实，合同有效期过后将无法续签，意味着中国公司无法获得后续的更新和支持。
如果无法使用最先进的EDA工具，对中国公司最直接的影响是难以跟上先进工艺的进步节奏，比如先进制程芯片的流片和生产。
流片可以理解为代工厂为生产芯片前的“试产”，用来测试芯片的功能性能是否符合设计预期，并验证芯片设计方案与代工厂的工艺适配，这其中涉及一个关键的概念——PDK。
PDK全称Process Design Kit，即工艺设计包，可以理解为代工厂某一节点的用户使用说明”，其中包括这一节点的设计规则、仿真模型、技术文件等设计参数[8]。
台积电的PDK
假设一家芯片公司的一款芯片需要在台积电3nm制程上制造，就需要台积电提供3nm的PDK，芯片公司根据PDK的参数指导进行芯片设计，否则将导致芯片与台积电3nm工艺适配度不过关，达不到流片标准。
这与EDA软件有什么关系呢？别忘了，EDA软件的客户除了设计公司，还有芯片代工厂。
台积电的N2节点就点满了Cadence和新思科技的工具链，制作PDK也采用了后者的EDA工具。芯片设计公司如果没有事前取得EDA厂商的授权，连PDK都打不开，更别说流片了。
台积电2nm采用的不同厂商的EDA工具
而对于3nm等先进工艺节点，代工厂还会时不时改良翻新，比如台积电3nm至今为止已经推出了N3B、N3E、N3P、N3X四个版本，每个版本都对应不同的PDK，需要EDA厂商同步更新相关工具。
一旦EDA厂商停止向芯片设计公司授权，意味着后者无法取得代工厂最新的PDK，基于新工艺的设计和流片同样无从谈起。
PDK是EDA公司、芯片设计公司、代工厂以及整个集成电路产业链共生关系的缩影。
集成电路产业经过漫长时间的分工与整合，产业链上下游的各个环节，存在着“互相适配”的绑定关系。
一颗芯片从设计到封装完成，需要用到ARM的指令集和架构、Cadence的EDA工具、Toppan的掩模版、ASML的光刻机、东京电子的刻蚀机、KLA的封测设备、信越化学的硅晶圆、霍尼韦尔的靶材、东京应化的光刻胶等等。
在摩尔定律的推进过程中，每个环节的研发和改进都需要上下游环节的配合协作、相互适配，由此形成了环环相扣的共同体。这个过程中积累的Know How会成为某种意义上的“标准”，进一步拉高行业门槛。
集成电路产业的发展，可以看作产业链每个环节肩并肩在摩尔定律的跑道上奔跑。其残酷之处在于，没有人会停下来等掉队的人。一旦跟不上大部队的节奏，追赶的代价就会成倍增加。
美国EDA三巨头在90年代的高速增长的原因，是他们与同时期最顶级的半导体公司一起经历了集成电路产业进步最快的阶段，通过一系列收购参与了“标准”的确立。
另一方面，伴随集成电路产业分工的细化，每一个环节的技术难度和投资规模都望而生畏，进一步提高了挑战者面临的困难。
上世纪70年代，日本通产省牵头，集合富士通、日立、三菱、东芝、NEC五家公司，“仅仅”用了290亿日元的财政补贴，就换来了4000多件技术专利和一条完整的半导体产业链：做材料的京瓷和住友，做掩模版的TOPPAN，做设备的东京电子，和做光刻机的佳能和尼康。
时至今日，仅台积电一家公司一年的资本开支就逼近400亿美元，想要复刻日本人当年的成绩，几乎是天方夜谭。
中国大陆集成电路产业的薄弱，一个重要原因是在产业高速迭代的周期参与度不足，导致错过了产业标准和规则的适配过程。
这也一定程度揭示了国内EDA工具发展困境的真相：并非程序员不够努力，而是整个产业链在全球分工中的存在感不足。
尾声
2023年，华为轮值董事长徐直军曾宣布实现14nm EDA工具全链条国产化[9]，不可忽视的大背景，是14nm工艺从设计、制造、到封测的国产供应链的全线打通。
同样，要实现更先进工艺的国产EDA工具突破，也需要上下游一起进步。
无论是芯片设计、芯片制造还是EDA工具，它们终究是一个“工程问题”而非“科学问题”。两者的核心区别在于，科学问题是一道答案未知的数学题，有可能题目本身就是错的；但工程问题有明确的解，能不能做出来考验自身能力。
EDA工具的特殊性在于，它在商业上类似操作系统和指令集，竞争力很大程度上来自产业上下游共同构建的生态。换句话说，不怕你反复摇摆，就怕你下决心另起炉灶。
当年“熊猫系统”的诞生，恰恰来自密不透风的封锁，过去数十年里，中国集成电路产业面对的绝望，也远不止这一次。
参考资料
[1] Synopsys at Bank of America Conference: Navigating Regulatory Challenges
[2] 中国EDA产业白皮书
[3] 1966: Computer Aided Design Tools Developed for ICs, Computer History Museum
[4] Oral History of Fairchild Micromosaic and Micromatrix Programs, Computer History Museum
[5] Coping with the Complexity of Microprocessor Design at Intel – A CAD History, Pat Gelsinger
[6] 错失15年的中国EDA产业，最终走上崛起之路，集微网
[7] 未曾忘却的记忆：回旋在酒仙桥地区的集成电路梦，朱贻玮
[8] 什么是PDK？它在半导体产业起着什么样的作用，OFweek电子工程网
[9] 突破“乌江天险”，实现战略突围——徐直军在硬、软件工具誓师大会上的讲话，徐直军
编辑：李墨天
视觉设计：疏睿
责任编辑：何律衡
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