【芯历史】一篇论文引发的EDA革命，催生三大国际巨头

EDA全称是Electronic design automation，也就是电子设计自动化，是指利用计算机辅助设计（CAD）软件，来完成超大规模集成电路（VLSI）芯片的功能设计、综合、验证、物理设计（包括布局、布线、版图、设计规则检查等）等流程的设计方式。

EDA工具素有“芯片之母”的美誉，是芯片制造最上游的产业，是衔接集成电路设计、制造和封测的关键纽带，对行业生产效率、产品技术水平都有重要影响。

回溯EDA工具的历史，它经历了怎样的演变历程？当今称霸EDA市场的海外三巨头是如何练就的？本期我们让我们一起走进EDA的发展史·上集。

01 EDA工具如何从“手工设计”走向“人机交互”

实际上，在EDA之前，集成电路是手工设计的，伴随集成电路规模逐步扩大和电子系统日趋复杂，EDA才发展成自动化工具，并逐渐商业化成熟。总的来看，EDA工具的发展大概经历了四个阶段。

第一阶段：计算机辅助设计（CAD）阶段。20世纪70年代，由于芯片复杂度低，芯片设计人员可以通过手工操作完成电路图的输入、布局和布线。七十年代中期，可编程逻辑设计技术的出现使得芯片设计自动化成为可能，交互图形编辑、晶体管版图设计、规则检查等功能提升了芯片设计的自动化程度。这一时期内出现的比较知名的厂商有Applicon、CALMA、ComputerVision等。

第二阶段：计算机辅助工程（CAE）阶段。20世纪80年代，EDA 技术进入发展和完善阶段，推出的EDA工具以逻辑模拟、定时分析、故障分析、自动布局和布线为核心，重点解决功能检测等问题，利用这些工具，设计师能在产品制作之前预知产品功能和性能。到了80 年代后期，EDA 工具已可以进行设计描述、综合与优化和设计结果验证。

在这里，值得着重介绍的是，EDA 技术真正的突破出现在1980年。这一年，加州理工学院教授Carver Mead和全录帕洛阿尔托研究中心的程式设计师Lynn Conway共同发表了一篇具有划时代意义的论文《超大规模集成电路系统导论》（Introduction to VLSI Systems），这成为电子设计自动化发展的重要标志事件。

为何这么说？主要是由于这篇论文提出了通过编程语言来进行芯片设计的新思想，从而启发了VHDL和Verilog等工具的诞生。使用编程语言进行芯片设计进一步降低了芯片设计师工作的复杂程度，是 EDA 商业化中的重要推动力。直至今日，尽管所用的语言和工具仍然不断在发展，但是通过编程语言来设计、验证电路预期行为，利用工具软件综合得到低抽象级物理设计的这种途径，仍然是数字集成电路设计的基础。

与此同时，这期间发生了一件相当重要的事情——商业专用集成电路或 ASIC 行业也诞生了。随着 VLSI Technology 和 LSI Logic 等公司开创的 ASIC 业务的出现，对自动化芯片模拟、设计和验证工具的需求变得更加普遍，这一发展催生了许多新公司来满足这一需求，EDA真正应运而生。

第三阶段：电子系统设计自动化（EDA）阶段。20世纪90年代，随着芯片设计流程的标准化发展以及集成电路设计方法论的完善，EDA 芯片设计工具百花齐放：可编程逻辑阵列、标准单元库、全/半定制设计、专用集成电路设计等。

也正是在这一阶段内，Synopsys、Cadence 和 Mentor（现为 Siemens EDA）公司迅速兴起，成为EDA领域的领军企业，这一三足鼎立的竞争格局延续至今。

第四阶段： EDA进入快速发展阶段。2000年前后，EDA在仿真验证和设计两个层面支持标准硬件语言的EDA软件工具功能更加强大，更大规模的可编程逻辑器件不断推出，系统级、行为级硬件描述语言趋于更加高效和简单。

目前EDA工具已能对集成电路的设计、制造、封装等环节实现全覆盖，应用于包括模拟电路、数字电路、FPGA、PCB、面板等多个领域的设计工作。

EDA 对现代集成电路产业意义重大,它不仅极大地降低了芯片的设计成本,使大规模的复杂电路设计成为现实,同时也推动IP生态的丰富,EDA 技术与现代先进工艺的结合更是为集成电路性能提升、尺寸缩减带来新的发展机遇。

现如今，几乎所有芯片设计公司都离不开EDA软件，如果没有它，高通、华为、苹果等一系列芯片厂商都将无法研制新的芯片，完成芯片迭代升级。

02 时势造英雄 国际三大EDA巨头终养成

上文在介绍EDA工具发展历程的时候，国际三大EDA巨头（Synopsys、Cadence 和 Mentor（现为 Siemens EDA））已经有所提及。

这三大EDA巨头均来自于美国，并且均成立于20世纪八九十年代。Synopsys是由曾就职于通用电气的微电子中心的Aarde Geus创办；Cadence是由SDA和ECAD公司合并而来;Siemens EDA的前身是Mentor Graphics，Mentor Graphics成立于1981年，创始团队来自于美国俄勒冈州电子制造公司Tektronix；2017年Mentor Graphics被西门子收购，西门子于2021年将Mentor Graphics更名为Siemens EDA。

20世纪90年代以来，随着Fabless 模式兴起，芯片设计厂商成为EDA的重要使用者，这一阶段内EDA厂商的主要客户为芯片设计公司，包括英伟达，高通，德州仪器在内的公司，此外，芯片代工厂商如台积电也成为了EDA 产品的使用者，EDA客户群体进一步拓宽。

时势造英雄，这一时期，Cadence 开创了只卖软件的模式，EDA 软件的工业属性得到体现，随后Synopsys 和 Mentor 也同Cadence一起确立了三分天下的秩序。

纵观这三大EDA巨头的发展史，它们自成立以来发起过众多兼并收购案以此来迅速补全领先产品技术。事实上，EDA发展的历史就是一部并购史，仅仅由三巨头发起的并购就达到惊人的200次，其中Synopsys兼并收购次数最多，高达80次；Cadence和Siemens EDA分别为62次和66次。

以自Synopsys为例，1986年成立以来，Synopsys通过发起几十余项并购交易，不断寻找那些已经被市场证明成功的产品及其企业，通过滚动并购操作达到了扩大业务规模、进行技术整合的目的。

其中最经典的无外乎Synopsys在2002年以8.3亿美元收购与Cadence结束专利诉讼的Avanti公司，一举补齐了数字集成电路EDA全流程所需要的团队和技术，并一举获得了芯片后端布局布线近四成的市场。正是这场收购改变了传统上“Synopsys占前端，Cadence占后端”的格局，让Synopsys在进入到后摩尔定律时代之前完成基石技术的布局。

此外，Siemens EDA其前身是成立于美国的Mentor，在Mentor 发展的近30年历程中，其收购了Synergy Dataworks、Silicon Compiler Systems等众多半导体领域及EDA产业公司，而Mentor最终也在2010年被西门子以45亿美元收购，成为今天的Siemens EDA并作为西门子数字工厂DF集团的一部分。

EDA巨头并购的深层次原因主要有两个，其一是通过并购补全自己的工具链，其二则是将潜在的挑战者“扼制”在萌芽状态。

正是靠着这种百川汇海的并购，三巨头们才形成了一道不可逾越的知识鸿沟。三巨头均具备提供全套的芯片设计EDA解决方案的能力，但在具体的细分领域和应用中竞争力有差异，拥有不同的优势产品。

经过多年的收购兼并以后，三巨头市场的影响力也日益集中。据ESD Alliance，1996年至2020年全球EDA市场CR3始终维持在50%以上，Cadence、Synopsys、Mentor三分天下的格局较为稳定。

当然，中国市场这块“大蛋糕”也是EDA三巨头觊觎的对象。20世纪90年代前后，三巨头纷纷进入中国市场，它们的到来，却给彼时的中国本土EDA产业造成致命性打击。

事实上，早在上世纪80年代，中国EDA产业也曾有过短暂的辉煌，但可惜，有如昙花一现，辉煌很快就沉寂下去，并长达15年之久，这段历史有着怎样的“隐情”？国产EDA产业的转折点又是从何时到来？关于这部分的历史，还请关注【芯历史】下期的内容。（校对/holly）