有任何一種工具，能夠像電子設(shè)計自動化EDA軟件那樣，跟半導(dǎo)體行業(yè)的飛速發(fā)展如此緊密地綁定在一起。摩爾定律引領(lǐng)半導(dǎo)體行業(yè)60多年，EDA軟件則是這個先知定律的最忠實的仆人——它從來沒有跟丟過。如果沒有它，半導(dǎo)體的飛速發(fā)展，是不可想象的。

然而，整個EDA軟件的全球市場規(guī)模不足一百億美元，相對于5000億美元的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，它的產(chǎn)值幾乎不可見。但是如果沒有了這顆基石，全球所有的芯片設(shè)計公司都會直接停擺，半導(dǎo)體金字塔就會坍塌。

　　圖1：EDA是數(shù)字經(jīng)濟的支點

EDA軟件的工作，就是要在芯片那么小的空間進(jìn)行布局、走線和事前分析，如同在一個米粒上刻出航空母艦?zāi)Ｐ湍菢印ｋx開專業(yè)的EDA工具，半導(dǎo)體的設(shè)計和制造，都是不可想象的事情。

摩爾定律是一個催命鬼

摩爾定律成為半導(dǎo)體領(lǐng)域的圣經(jīng)，它使得行業(yè)預(yù)測變得簡單、粗暴且管用。這也使得整個領(lǐng)域的上下游，都不得不以同樣的速度完成演化。

這正是設(shè)計自動化面臨的情況，作為一門學(xué)科，它需要為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)不斷提供設(shè)計下一代芯片的方法和工具。這樣看來，EDA軟件就是一個被時間追趕的跑神。它永遠(yuǎn)在賽道上飛馳。每一代芯片的更新，復(fù)雜度往往是前一代的兩倍，而按照摩爾定律的時鐘，留給設(shè)計人員的時間只有一年半。軟件必須跟上來！EDA軟件永遠(yuǎn)氣喘吁吁在路上奔跑。

希臘神話中的阿波羅太陽神一直在追逐著達(dá)芙妮女神。達(dá)芙妮不能停下，當(dāng)被抓住的那一刻，她就永遠(yuǎn)變成了桂花樹。因此她必須用更快的速度來躲避阿波羅不斷伸出的手。這種追逐時刻，某種意義上就是EDA軟件和摩爾定律的關(guān)系。

第一代EDA：錯誤的歸屬

第一代EDA都是附屬在機械CAD供應(yīng)商之下，如Applicon、CALMA和CV，這都是當(dāng)時大名鼎鼎的CAD軟件。它們是這個新興產(chǎn)業(yè)的明星。

跟同時代其它軟件一樣，那個時候軟件并無獨立的身份，它們都需要緊密地依附在硬件廠商的懷抱里，才能有一口飯吃。當(dāng)時算力奇缺，存儲空間奇缺，軟件是難成氣候的。

然而，這些開創(chuàng)了CAD時代的早期公司基本上都死光了。導(dǎo)致這些第一代軟件死亡的原因，是當(dāng)年軟件發(fā)展的一個通病：軟件都是跟工作站和硬件緊密的綁定在一起。定制化太嚴(yán)重，機器移植太復(fù)雜。小型機和PC機的崛起宣告了他們的死亡：這是僵化和捆綁所付出的時代代價。

可以說，EDA最早的時候，它是機械CAD的附屬品。那還真是一個機械的時代。

圖2:EDA發(fā)展的歷史

如果從另外一個角度說，電子設(shè)計自動化EDA與機械MCAD（包括電氣ECAD），根本就不該在一起。EDA和CAD這二者，表面上看似同源，骨子里實非同宗。服務(wù)于電子半導(dǎo)體行業(yè)，與服務(wù)機械、航空、輪船等其他行業(yè)的軟件，有著本質(zhì)上的不同。

EDA前傳：SPICE傳奇

說到這里，需要回歸到EDA的正宗根基。半導(dǎo)體芯片設(shè)計公司與設(shè)計驗證工程師們，最離不開的軟件當(dāng)屬電路仿真軟件SPICE。它在仿真模擬電路、混合信號電路等許多場合縱橫馳騁。其實這才是最正宗的EDA軟件的開端。作為最早的電子設(shè)計自動化軟件，今天仍然是最重要的軟件之一。

加州伯克利分校UCB電機工程與計算機系的Pederson教授，造就了三個傳奇。第一是他在五六十年代就力主在伯克利大學(xué)里建設(shè)了半導(dǎo)體制造廠，這是第一個設(shè)立在大學(xué)的“微電子制造廠”。這個迷你工廠MiniFab，讓小規(guī)模的工藝實驗成功可能，極大地促進(jìn)了伯克利分校的電子工程學(xué)科的發(fā)展；第二個傳奇是他對于電路仿真程序SPICE的巨大貢獻(xiàn)。在他的支持下，來自電機系與機械系的小伙子——那些對電子一竅不通的大學(xué)生，憑借著高超的數(shù)學(xué)理論和數(shù)值分析基礎(chǔ)，硬是稀疏矩陣算法實現(xiàn)了方程組的求解，完成了電路仿真程序。可以毫不夸張地說，SPICE幾乎是脫胎于數(shù)學(xué)理論的功底。可以說正宗EDA軟件的誕生，就像響亮的啼叫，向世界宣告著數(shù)學(xué)的榮耀。更為傳奇的是，Pederson最早創(chuàng)建了開源運動。他允許SPICE四處擴散，幾乎免費使用。

唯一的回報要求，就是開發(fā)者把增加的代碼，要發(fā)回來。僅此而已。這比大名鼎鼎的開源操作系統(tǒng)LINUX內(nèi)核開源的1991年，整整早了20年。可以說，這位教授不僅僅是SPICE之父，也絕對是軟件代碼開源運動的鼻祖級人物。實際上，伯克利分校的有限元仿真軟件也是獨步天下，而且代碼也是開源的。上個世紀(jì)八九十年代，以北大為代表，也從伯克利分校也帶回來有限元的火種。其中SAP84有限元仿真軟件，四處擴散，名噪一時。可惜最后后繼無人，也都是無疾而終。

這是一個科學(xué)向全世界開放的黃金時代。而基礎(chǔ)研究，則是工業(yè)軟件的魂魄。

當(dāng)時的半導(dǎo)體巨頭如惠普HP、泰克和德州儀器TI等紛紛建立了自己的CAD部門，將SPICE程序進(jìn)行改編，為自己部門所用。整整十多年，產(chǎn)業(yè)界與學(xué)術(shù)界進(jìn)行大規(guī)模地知識吞吐和交換，多個版本不斷迭代演化，SPICE功能也是發(fā)展迅速。到了1993年伯克利最后一次更新版本的時候，SPICE達(dá)到了巔峰的位置，它的求解算法已經(jīng)爐火純青。這種大規(guī)模的商業(yè)+學(xué)術(shù)的無私合作，是制造業(yè)發(fā)展史上十分罕見的一幕。隨著SPICE逐漸開始出現(xiàn)商業(yè)化版本的時候，這個EDA工具軟件，已經(jīng)深深地烙上了工業(yè)的影子。

正是這種奇特的學(xué)術(shù)與產(chǎn)業(yè)的哺育與反哺現(xiàn)象，也間接地打造了美國EDA軟件在全球獨一無二的霸主地位。它深深地扎根在了美國的土地上。在全球軟件領(lǐng)域，無論是哪種類別的軟件，美國之外基本上都有旗鼓相當(dāng)?shù)母偁帉κ郑薊DA軟件。這聽上去，真的是一個奇怪的悖論：軟件源代碼廣為開放傳播的伯克利，反而造就了本土化最成功的軟件霸主地位。

第二代EDA：走出封閉塔

SPICE只能解決一小部分問題。EDA軟件更多的功能，需要更加商業(yè)化應(yīng)用的接班人。

在上世紀(jì)七十年代，設(shè)計自動化軟件也開始出現(xiàn)第二代旗幟。當(dāng)時最有名氣的三家馬車中，Daisy Systems和Valid Logic出售自有的硬件和軟件系統(tǒng)，工作站也是自己開發(fā)的；Mentor Graphics則開發(fā)專用軟件，捆綁在Apollo工作站上。

這三家基本上都是軟硬件在一起，看上去跟第一代EDA差別不大，然而時代不同了，全新的賽道出現(xiàn)了：那就是專用集成電路ASIC（Application Specific IC）。

當(dāng)時半導(dǎo)體的世界，就跟“大陸漂移說”一樣，所有五大洲都是一體的。IC的設(shè)計隊伍，都在強大的半導(dǎo)體公司，從頭做到尾。設(shè)計是一門高門檻的技術(shù)活兒，它是由龐大的半導(dǎo)體制造商的設(shè)計部門自己完成的，如IBM、GE的內(nèi)部設(shè)計部門（In-House）。可以想象，復(fù)雜的邏輯和物理設(shè)計、庫和過程開發(fā)、封裝，都在一個團(tuán)隊里面。這是一個封閉的金字塔，一般人難以走進(jìn)。

然而，ASIC的發(fā)展，改變了這一封閉的局面。電路的設(shè)計不再是那些大型半導(dǎo)體廠商的專利。二者都是集成電路，但設(shè)計者們的理念已經(jīng)完全不同了。設(shè)計自動化的軟件商們創(chuàng)造了一些半定制和定制方法，使得系統(tǒng)設(shè)計師們不需要了解通用IC的物理版圖、加工工藝，就可以利用編程語言進(jìn)行設(shè)計。

相比那些硅片公司的內(nèi)部設(shè)計團(tuán)隊，ASIC的體量更大、需求更容易滿足。而系統(tǒng)設(shè)計者遠(yuǎn)比那些內(nèi)部設(shè)計團(tuán)隊更加開放，EDA軟件得到了迅速的擴張。這大大地加速了EDA設(shè)計從業(yè)人員的數(shù)量。這也意味著獨立的EDA廠商，可以單獨為半導(dǎo)體廠商服務(wù)。而Daisy這個好聽的名稱，也成為后來EDA軟件人才的搖籃。

然而第二代EDA的缺陷，跟第一代EDA沒有什么兩樣。它依然是跟軟件和硬件緊密的綁定在一起，硬件收入是很大的一塊兒。這是一個時代的硬傷，遲早要發(fā)展成要命的腫瘡。

第三代EDA的崛起（上）：CADENCE

第三代EDA與第二代EDA的差別，并不在于時間。他們其實幾乎是在同一時間形成的。就像你哥哥和你叔叔前后腳生下了孩子，他們是同齡不同輩。

因此，這并不是一個進(jìn)化關(guān)系，而是一個對未來的判斷。第三代EDA主要以Cadence和Synopsys為代表。這兩個公司的名稱也都是改了幾次，背后也是曲折的故事。

僅僅比Mentor的成立晚一年，Cadence在1982年的成立，這些來伯克利大學(xué)的尖子生和貝爾實驗室的科學(xué)家們，開創(chuàng)了一種全新的商業(yè)模式，那就是“只賣軟件”（Software-Only）。這是一種從未有過的軟件業(yè)務(wù)模式。此前所有軟件，都是捆綁在硬件設(shè)備上搭配銷售。那是一個軟件向硬件曲膝求愛的時代。硬件的存儲、計算、顯示，都是積極昂貴的稀缺資源，軟件不過是珍貴花瓶上的一個有顏色的條紋而已。這個條紋讓硬件顯得更加物有所值。

現(xiàn)在看起來，作為第二代EDA壽命最長的MENTOR，在2016年被西門子公司45億美元收購也是有前兆的。1990年的時候，Mentor公司對“只賣軟件”模式依然不屑一顧，董事長說過從未見過單獨軟件銷售能夠存活。雖然它后來通過并購，積極調(diào)整戰(zhàn)略保持了EDA三強地位。但與第三代EDA兩大巨頭的差距還是越來越大，最后還是成了西門子的盤中餐，喪失獨立地位。或許，這就是第二代EDA產(chǎn)品的宿命，早在三十五年前的出生之日已經(jīng)注定。

Cadence獨特的引入投資的模式，也同樣引人注目。它把入股機會留給了下游廠商，類似GE、愛立信、IBM等半導(dǎo)體生產(chǎn)商，這些下游用戶各自投入了100萬美元，與此同時是所有的幾家VC投資加起來也不超過100萬。這是一次高明的融資術(shù)。Cadence聰明地將下游半導(dǎo)體設(shè)計制造商，納入到自己的石榴裙下。沒有半導(dǎo)體廠商提供工藝、提供反饋，EDA軟件的長大，是不可能的。這次投資的分布，也明顯地表明了EDA軟件的工業(yè)屬性而非IT屬性。”大工業(yè)，小VC”是研發(fā)工具軟件的一個重要特點。這不是靠錢能砸出來的。它需要的是工業(yè)用戶的經(jīng)驗。

更令人佩服的是，CADENCE還開創(chuàng)了合伙人制度。這是以一種莊重的方式，宣示了這個領(lǐng)域?qū)︻I(lǐng)軍人物知識價值的高度認(rèn)可。CADENCE公司的創(chuàng)建，本質(zhì)上則是基礎(chǔ)科學(xué)的勝利，也是一個基礎(chǔ)研究與產(chǎn)業(yè)熱情相互對接的勝利。這些伯克利大學(xué)的學(xué)生們和貝爾實驗室一起，成就了一個非凡的產(chǎn)業(yè)：很小，但卻很尖。這些來自伯克利的開源代碼，當(dāng)時也流向了中國，也在四處擴散。可惜，沒有工業(yè)用戶的接納，這些代碼也就像斷線的風(fēng)箏，最后終是不知去向。

第三代EDA（下）Synopsys登場

四年之后成立的Synopsys，延續(xù)了CADENCE所有的創(chuàng)新機制。實際上，這種合伙人制度已經(jīng)成為半導(dǎo)體行業(yè)的一種慣例。作為等離子刻蝕設(shè)備的隱形冠軍的上海中微，也是企業(yè)職員全民持股。它的董事長深受這種硅谷合伙人文化的熏陶，近四十年前令人心醉的微風(fēng)，至今依然浸潤著中微今天高速的成長。

最早的物理設(shè)計人員，是一門精密的工匠活，需要動手處理每一個晶體管，絕對的高強度勞動密集型，而且還要頭腦靈活。而隨著晶體管集成度的提高，已經(jīng)大大超越了工程師的邏輯極限。這個時候，單元庫出現(xiàn)了，它包含了預(yù)先設(shè)計好的各種特性邏輯門。就像現(xiàn)在的數(shù)據(jù)模板調(diào)用一樣，設(shè)計人員就能花更少的時間和精力設(shè)計出規(guī)模更大的電路。單元庫擁有很多優(yōu)勢，使得設(shè)計很容易從一個晶圓工廠移植到另一家。最重要的是，半導(dǎo)體的設(shè)計思路轉(zhuǎn)向了抽象化，即在一個更高的層次上進(jìn)行設(shè)計，而把那些底層的細(xì)節(jié)都?xì)w并到庫和CAE工具中。

Synopsys的團(tuán)隊，就在這個時候登場了。他們是來自通用電氣GE的微電子中心。創(chuàng)始人的出身，往往是一個工業(yè)軟件基因的決定性DNA片斷。GE的工業(yè)背景，給Synopsys帶來了扎實的根基。事實上，1986年創(chuàng)辦的Synopsys公司，主要就是利用了在GE所興起的綜合技術(shù)。以前的芯片設(shè)計都是工程師從底層的電路板設(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。

Synopsys之所以能在起步的時候，引領(lǐng)了行業(yè)的技術(shù)優(yōu)勢，很大原因在于它推進(jìn)了抽象化的發(fā)展，使得整個行業(yè)的設(shè)計，前進(jìn)了一大步。抽象化成為了產(chǎn)業(yè)界的標(biāo)準(zhǔn)，也進(jìn)一步擴展了芯片設(shè)計群體。就像系統(tǒng)設(shè)計工具擴展了ASIC設(shè)計師群體那樣，抽象語言也使得大量的工程師能夠參與進(jìn)來，形成了一個蔚為壯闊的工程師社群。同樣的現(xiàn)象，在后來也發(fā)生在法國達(dá)索系統(tǒng)的3D Experience軟件上，它壯大了社群隊伍，使得群體力量可以更好地協(xié)同和匯聚。

而知識產(chǎn)權(quán)IP的發(fā)展，再次推進(jìn)了EDA的發(fā)展。這是硅基系統(tǒng)設(shè)計方面的一個里程碑。最為典型的英國ARM公司開始登場，它帶來另外一個全新的商業(yè)模式：將各種設(shè)計庫虛擬化，然后授權(quán)給其它企業(yè)使用。這意味著，作為處理器的交付物，不再是具體的物理產(chǎn)品，而是以一種數(shù)字化存在的IP模塊形式而存在。ARM這種思想對整個半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)生了重大的影響。物理實體變成了軟件定義，處理器就是IP模塊。而Synopsys很快就注意到了這種模式的價值，它迅速地開辟了這塊陣地，使得IP模塊收入，成為其整個收入的重要一塊，當(dāng)前已經(jīng)接近1/3的產(chǎn)值來自于此。風(fēng)頭強勁。

IP模塊的高速發(fā)展，極大地擴展了EDA軟件的靈活性。這是一種極簡主義和知識復(fù)用的勝利。

并購的歷史

EDA軟件有著極其龐雜的分類，根據(jù)美國專門從事EDA咨詢給公司GSEDA（2018年已經(jīng)賣給另外一家咨詢公司）統(tǒng)計，一共涉及到90多種不同的技術(shù)。

圖3：EDA軟件分類（局部圖）

在這些技術(shù)里面，密密麻麻地分布了420家公司。而按照美國《半導(dǎo)體工程》雜志的清單列舉中，EDA軟件一共有900多家小公司。

這么多小公司，是如何存活的？

研發(fā)工具軟件的發(fā)展史，永遠(yuǎn)充滿了鯊魚吞吃的并購史。機械類設(shè)計軟件CAD如此，仿真軟件CAE如此，電子設(shè)計自動化軟件EDA也是一樣。這是一個非常奇怪的市場，小魚的存在，似乎就是用來喂養(yǎng)大魚。而在美國工業(yè)軟件的池子里，前赴后繼，永遠(yuǎn)都是層出不窮的小魚小蝦。

這是國外工業(yè)軟件發(fā)展歷史給中國工業(yè)軟件上演的最陌生的一課。并購這種場景在中國鳳毛麟角。中國工業(yè)軟件的池子里沒有大魚，沒有小魚，都是長不大的魚。這樣看起來，還是水質(zhì)的問題吧。

在CADENCE數(shù)不清的并購中，1989年收購Verilog是其最為重要的一次并購。Verilog作為一種模擬器，用來描述芯片并對其進(jìn)行模擬和驗證的工具，它成功地解決了復(fù)雜度帶來的芯片性能驗證的困難。EDA從設(shè)計領(lǐng)域，同時進(jìn)入了軟件模擬和硬件仿真。這也意味著設(shè)計與仿真，是同一家公司的不同套軟件來完成。二者密不可分。這個趨勢，比機械領(lǐng)域的CAD和CAE的融合，整整要早三十多年。直到最近幾年，在非電子制造的領(lǐng)域，CAD和CAE的融合，才開始成為明顯的技術(shù)主流。這也再次說明，電子設(shè)計自動化EDA軟件的發(fā)展，其實是完全獨立于機械CAD的發(fā)展。

2001年前后，正是CADENCE與它的叛將所成立的公司，精疲力竭地打官司的時候。那是一段人性黑暗的歷史，充滿了算計和反算計。就在這個時候，坐山觀虎斗的Synopsys，出其不意地收購了這家叛將公司，獲得了面向工具開發(fā)者的前端工具。這大大豐富了Synopsys的產(chǎn)品線。

談?wù)撨@些并購的歷史，將是一個繁瑣的過程。根據(jù)南山工業(yè)書院的統(tǒng)計，在美國EDA公司的并購歷史上，僅僅由Top3的三家巨頭直接參與的并購就達(dá)到了驚人的200次。每家企業(yè)的并購數(shù)量平均達(dá)到70次。如果考慮許多并購公司在此之前也是吃東吃西，總并購次數(shù)大約在300次左右。

EDA的并購歷史，與CAD/CAE的并購史不太一樣，后者主要集中在最近十多年。然而EDA從1990年開始，每個十年所發(fā)生的并購都很均勻。這說明，EDA這個產(chǎn)業(yè)，早已成為一個非常成熟的產(chǎn)業(yè)。從來就沒有黑馬挑戰(zhàn)者。唯一令人震驚的超級黑天鵝事件，是Mentor一不小心在2016年成為西門子的獵物。

有意思的是，如果細(xì)看過去，許多小公司存活只有幾年，而并購金額經(jīng)常出現(xiàn)幾百萬美元的標(biāo)的。這是一個任何行業(yè)都可能無法達(dá)到的并購頻率，也反映了工業(yè)軟件其實有著極其特殊的產(chǎn)業(yè)規(guī)律。

靠著強力的知識吞吐，工業(yè)軟件以其“百溪成河、百河入川”的匯聚方式，形成了深不可測的知識鴻溝——追趕者則很容易被遠(yuǎn)遠(yuǎn)甩在后面。正是這些疊羅漢式的并購，讓無數(shù)電子工程師的思想碰撞和專業(yè)技術(shù)的沉淀，最終將人類的智慧匯聚成高聳入云的工程學(xué)尖塔——尖塔之下，很難有速成取巧的道路。

小記：EDA的未來

三十年前的第三代，從此確立了江湖的秩序，后來再無挑戰(zhàn)者。自那以后，所有的初創(chuàng)公司都再也沒有了資本加持的發(fā)展空間，2002以后沒有一家能夠上市。他們唯一的使命，就是幾乎被三家包圓收購。三代江湖，五十年歷史，造就了EDA軟件堅不可摧的三分天下分治格局。

然而，過于成熟的事物背后都會是隱憂。EDA軟件近十多年的發(fā)展，看上去更像是在深扎營寨，而并未見到像樣的疆土開拓，整個產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值也在100億美元徘徊不前。

那么EDA的未來在哪里？

除了汽車和車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展之外，目前能看到三處明亮的光源，正在吸引著人們的視線。一個是很有吸引力的市場：生物仿真如新陳代謝、基因和神經(jīng)，將成為一個全新的天地。EDA的設(shè)計仿真環(huán)境將從電路變成液體或者空氣。一個是最大的挑戰(zhàn)，如何迎接后馮諾依曼時代的計算架構(gòu)——這個架構(gòu)曾經(jīng)主宰了70多年以來所有的計算機體系。沒有了總線，時鐘不復(fù)存在。沒有了時鐘的傅里葉變換將走向何處？原有的數(shù)學(xué)根基正在動搖；一個是IC將走向巔峰，集成電路有可能迎來“類腦芯片”（仿神經(jīng)的計算芯片）的時代。有了這些突破，EDA將會抖擻精神，再攀高峰。

而所有這些光源的能量，都是來自基礎(chǔ)科學(xué)。所有這些懸念的解決方案，無一例外地都要回到自然科學(xué)問題，從數(shù)學(xué)、物理，到化學(xué)、生物等。正如EDA最早的誕生，是從大學(xué)實驗室里走出來一樣，基礎(chǔ)研究從來就是它的根基。產(chǎn)業(yè)的互動和回饋，則加速了它的強壯。

法國工業(yè)研發(fā)工具軟件非常發(fā)達(dá)，無論是全壘打的達(dá)索系統(tǒng)，還是專注于仿真的ESI集團(tuán)。部分原因可以歸結(jié)為法國強大的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。中國CAD前輩北航唐榮錫教授曾經(jīng)表達(dá)過類似的話，“CAD的崛起，離不開民族數(shù)學(xué)復(fù)興和一流的用戶”。這是一個樸素得不能再樸素的寓言：小小產(chǎn)值的工業(yè)研發(fā)工具軟件的崛起，背后離不開偉大的自然科學(xué)復(fù)興和一流的用戶傾力扶持。
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