EDA软件三国杀 | 工业软件崛起需要民族数学的复
时间：2019-12-03 来源：新闻网 人浏览 -
引子：倒金字塔的尖尖角
没有任何一种工具，能够像电子设计自动化EDA软件那样，跟半导体行业的飞速发展如此紧密地绑定在一起。摩尔定律引领半导体行业60多年，EDA软件则是这个先知定律的最忠实的仆人——它从来没有跟丢过。如果没有它，半导体的飞速发展，是不可想象的。
然而，整个EDA软件的全球市场规模不足一百亿美元，相对于5000亿美元的半导体产业，它的产值几乎不可见。但是如果没有了这颗基石，全球所有的芯片设计公司都会直接停摆，半导体金字塔就会坍塌。
图1：EDA是数字经济的支点
EDA软件的工作，就是要在芯片那么小的空间进行布局、走线和事前分析，如同在一个米粒上刻出航空母舰模型那样。离开专业的EDA工具，半导体的设计和制造，都是不可想象的事情。摩尔定律是一个催命鬼
摩尔定律成为半导体领域的圣经，它使得行业预测变得简单、粗暴且管用。这也使得整个领域的上下游，都不得不以同样的速度完成演化。
这正是设计自动化面临的情况，作为一门学科，它需要为半导体产业不断提供设计下一代芯片的方法和工具。这样看来，EDA软件就是一个被时间追赶的跑神。它永远在赛道上飞驰。每一代芯片的更新，复杂度往往是前一代的两倍，而按照摩尔定律的时钟，留给设计人员的时间只有一年半。软件必须跟上来！EDA软件永远气喘吁吁在路上奔跑。
希腊神话中的阿波罗太阳神一直在追逐着达芙妮女神。达芙妮不能停下，当被抓住的那一刻，她就永远变成了桂花树。因此她必须用更快的速度来躲避阿波罗不断伸出的手。这种追逐时刻，某种意义上就是EDA软件和摩尔定律的关系。
图2:达芙妮变成桂花树的惊人一刻
第一代EDA：错误的归属第一代EDA都是附属在机械CAD供应商之下，如Applicon、CALMA和CV，这都是当时大名鼎鼎的CAD软件。它们是这个新兴产业的明星。
跟同时代其它软件一样，那个时候软件并无独立的身份，它们都需要紧密地依附在硬件厂商的怀抱里，才能有一口饭吃。当时算力奇缺，存储空间奇缺，软件是难成气候的。
然而，这些开创了CAD时代的早期公司基本上都死光了。导致这些第一代软件死亡的原因，是当年软件发展的一个通病：软件都是跟工作站和硬件紧密的绑定在一起。定制化太严重，机器移植太复杂。小型机和PC机的崛起宣告了他们的死亡：这是僵化和捆绑所付出的时代代价。
可以说，EDA最早的时候，它是机械CAD的附属品。那还真是一个机械的时代。
图3:EDA发展的历史
如果从另外一个角度说，电子设计自动化EDA与机械MCAD（包括电气ECAD），根本就不该在一起。EDA和CAD这二者，表面上看似同源，骨子里实非同宗。服务于电子半导体行业，与服务机械、航空、轮船等其他行业的软件，有着本质上的不同。
EDA前传：SPICE传奇
说到这里，需要回归到EDA的正宗根基。半导体芯片设计公司与设计验证工程师们，最离不开的软件当属电路仿真软件SPICE。它在仿真模拟电路、混合信号电路等许多场合纵横驰骋。其实这才是最正宗的EDA软件的开端。作为最早的电子设计自动化软件，今天仍然是最重要的软件之一。
加州伯克利分校UCB电机工程与计算机系的Pederson教授，造就了三个传奇。第一是他在五六十年代就力主在伯克利大学里建设了半导体制造厂，这是第一个设立在大学的“微电子制造厂”。这个迷你工厂MiniFab，让小规模的工艺实验成功可能，极大地促进了伯克利分校的电子工程学科的发展；第二个传奇是他对于电路仿真程序SPICE的巨大贡献。在他的支持下，来自电机系与机械系的小伙子——那些对电子一窍不通的大学生，凭借着高超的数学理论和数值分析基础，硬是稀疏矩阵算法实现了方程组的求解，完成了电路仿真程序。可以毫不夸张地说，SPICE几乎是脱胎于数学理论的功底。可以说正宗EDA软件的诞生，就像响亮的啼叫，向世界宣告着数学的荣耀。更为传奇的是，Pederson最早创建了开源运动。他允许SPICE四处扩散，几乎免费使用。唯一的回报要求，就是开发者把增加的代码，要发回来。仅此而已。这比大名鼎鼎的开源操作系统LINUX内核开源的1991年，整整早了20年。可以说，这位教授不仅仅是SPICE之父，也绝对是软件代码开源运动的鼻祖级人物。实际上，伯克利分校的有限元仿真软件也是独步天下，而且代码也是开源的。上个世纪八九十年代，以北大为代表，也从伯克利分校也带回来有限元的火种。其中SAP84有限元仿真软件，四处扩散，名噪一时。可惜最后后继无人，也都是无疾而终。
这是一个科学向全世界开放的黄金时代。而基础研究，则是工业软件的魂魄。
当时的半导体巨头如惠普HP、泰克和德州仪器TI等纷纷建立了自己的CAD部门，将SPICE程序进行改编，为自己部门所用。整整十多年，产业界与学术界进行大规模地知识吞吐和交换，多个版本不断迭代演化，SPICE功能也是发展迅速。到了1993年伯克利最后一次更新版本的时候，SPICE达到了巅峰的位置，它的求解算法已经炉火纯青。这种大规模的商业+学术的无私合作，是制造业发展史上十分罕见的一幕。随着SPICE逐渐开始出现商业化版本的时候，这个EDA工具软件，已经深深地烙上了工业的影子。
正是这种奇特的学术与产业的哺育与反哺现象，也间接地打造了美国EDA软件在全球独一无二的霸主地位。它深深地扎根在了美国的土地上。在全球软件领域，无论是哪种类别的软件，美国之外基本上都有旗鼓相当的竞争对手，除了EDA软件。这听上去，真的是一个奇怪的悖论：软件源代码广为开放传播的伯克利，反而造就了本土化最成功的软件霸主地位。
第二代EDA：走出封闭塔
SPICE只能解决一小部分问题。EDA软件更多的功能，需要更加商业化应用的接班人。
在上世纪七十年代，设计自动化软件也开始出现第二代旗帜。当时最有名气的三家马车中，Daisy Systems和Valid Logic出售自有的硬件和软件系统，工作站也是自己开发的；Mentor Graphics则开发专用软件，捆绑在Apollo工作站上。
这三家基本上都是软硬件在一起，看上去跟第一代EDA差别不大，然而时代不同了，全新的赛道出现了：那就是专用集成电路ASIC（Application Specific IC）。
当时半导体的世界，就跟“大陆漂移说”一样，所有五大洲都是一体的。IC的设计队伍，都在强大的半导体公司，从头做到尾。设计是一门高门槛的技术活儿，它是由庞大的半导体制造商的设计部门自己完成的，如IBM、GE的内部设计部门（In-House）。可以想象，复杂的逻辑和物理设计、库和过程开发、封装，都在一个团队里面。这是一个封闭的金字塔，一般人难以走进。
然而，ASIC的发展，改变了这一封闭的局面。电路的设计不再是那些大型半导体厂商的专利。二者都是集成电路，但设计者们的理念已经完全不同了。设计自动化的软件商们创造了一些半定制和定制方法，使得系统设计师们不需要了解通用IC的物理版图、加工工艺，就可以利用编程语言进行设计。
相比那些硅片公司的内部设计团队，ASIC的体量更大、需求更容易满足。而系统设计者远比那些内部设计团队更加开放，EDA软件得到了迅速的扩张。这大大地加速了EDA设计从业人员的数量。这也意味着独立的EDA厂商，可以单独为半导体厂商服务。而Daisy这个好听的名称，也成为后来EDA软件人才的摇篮。
然而第二代EDA的缺陷，跟第一代EDA没有什么两样。它依然是跟软件和硬件紧密的绑定在一起，硬件收入是很大的一块儿。这是一个时代的硬伤，迟早要发展成要命的肿疮。
第三代EDA的崛起（上）：CADENCE
第三代EDA与第二代EDA的差别，并不在于时间。他们其实几乎是在同一时间形成的。就像你哥哥和你叔叔前后脚剩下了孩子，他们是同龄不同辈。
因此，这并不是一个进化关系，而是一个对未来的判断。第三代EDA主要以Cadence和Synopsys为代表。这两个公司的名称也都是改了几次，背后也是曲折的故事。
仅仅比Mentor的成立晚一年，Cadence在1982年的成立，这些来伯克利大学的尖子生和贝尔实验室的科学家们，开创了一种全新的商业模式，那就是“只卖软件”（Software-Only）。这是一种从未有过的软件业务模式。此前所有软件，都是捆绑在硬件设备上搭配销售。那是一个软件向硬件曲膝求爱的时代。硬件的存储、计算、显示，都是积极昂贵的稀缺资源，软件不过是珍贵花瓶上的一个有颜色的条纹而已。这个条纹让硬件显得更加物有所值。
现在看起来，作为第二代EDA寿命最长的MENTOR，在2016年被西门子公司45亿美元收购也是有前兆的。1990年的时候，Mentor公司对“只卖软件”模式依然不屑一顾，董事长说过从未见过单独软件销售能够存活。虽然它后来通过并购，积极调整战略保持了EDA三强地位。但与第三代EDA两大巨头的差距还是越来越大，最后还是成了西门子的盘中餐，丧失独立地位。或许，这就是第二代EDA产品的宿命，早在三十五年前的出生之日已经注定。
Cadence独特的引入投资的模式，也同样引人注目。它把入股机会留给了下游厂商，类似GE、爱立信、IBM等半导体生产商，这些下游用户各自投入了100万美元，与此同时是所有的几家VC投资加起来也不超过100万。这是一次高明的融资术。Cadence聪明地将下游半导体设计制造商，纳入到自己的石榴裙下。没有半导体厂商提供工艺、提供反馈，EDA软件的长大，是不可能的。这次投资的分布，也明显地表明了EDA软件的工业属性而非IT属性。”大工业，小VC”是研发工具软件的一个重要特点。这不是靠钱能砸出来的。它需要的是工业用户的经验。
更令人佩服的是，CADENCE还开创了合伙人制度。这是以一种庄重的方式，宣示了这个领域对领军人物知识价值的高度认可。CADENCE公司的创建，本质上则是基础科学的胜利，也是一个基础研究与产业热情相互对接的胜利。这些伯克利大学的学生们和贝尔实验室一起，成就了一个非凡的产业：很小，但却很尖。这些来自伯克利的开源代码，当时也流向了中国，也在四处扩散。可惜，没有工业用户的接纳，这些代码也就像短线的风筝，最后终是不知去向。
第三代EDA（下）Synopsys登场
四年之后成立的Synopsys，延续了CADENCE所有的创新机制。实际上，这种合伙人制度已经成为半导体行业的一种惯例。作为等离子刻蚀设备的隐形冠军的上海中微，也是企业职员全民持股。它的董事长深受这种硅谷合伙人文化的熏陶，近四十年前令人心醉的微风， 至今依然浸润着中微今天高速的成长。
最早的物理设计人员，是一门精密的工匠活，需要动手处理每一个晶体管，绝对的高强度劳动密集型，而且还要头脑灵活。而随着晶体管集成度的提高，已经大大超越了工程师的逻辑极限。这个时候，单元库出现了，它包含了预先设计好的各种特性逻辑门。就像现在的数据模板调用一样，设计人员就能花更少的时间和精力设计出规模更大的电路。单元库拥有很多优势，使得设计很容易从一个晶圆工厂移植到另一家。最重要的是，半导体的设计思路转向了抽象化，即在一个更高的层次上进行设计，而把那些底层的细节都归并到库和CAE工具中。
Synopsys的团队，就在这个时候登场了。他们是来自通用电气GE的微电子中心。创始人的出身，往往是一个工业软件基因的决定性DNA片断。GE的工业背景，给Synopsys带来了扎实的根基。事实上，1986年创办的Synopsys公司，主要就是利用了在GE所兴起的综合技术。以前的芯片设计都是工程师从底层的电路板设计开始。而有了抽象化的技术之后，设计师可以直接采用高级语言 “设计电路板”，然后通过逻辑综合工具把抽象的设计，自动转化成机器语言，形成由各种逻辑门组成的电路组合。
Synopsys之所以能在起步的时候，引领了行业的技术优势，很大原因在于它推进了抽象化的发展，使得整个行业的设计，前进了一大步。抽象化成为了产业界的标准，也进一步扩展了芯片设计群体。就像系统设计工具扩展了ASIC设计师群体那样，抽象语言也使得大量的工程师能够参与进来，形成了一个蔚为壮阔的工程师社群。同样的现象，在后来也发生在法国达索系统的3D Experience软件上，它壮大了社群队伍，使得群体力量可以更好地协同和汇聚。
而知识产权IP的发展，再次推进了EDA的发展。这是硅基系统设计方面的一个里程碑。最为典型的英国ARM公司开始登场，它带来另外一个全新的商业模式：将各种设计库虚拟化，然后授权给其它企业使用。这意味着，作为处理器的交付物，不再是具体的物理产品，而是以一种数字化存在的IP模块形式而存在。ARM这种思想对整个半导体行业发生了重大的影响。物理实体变成了软件定义，处理器就是IP模块。而Synopsys很快就注意到了这种模式的价值，它迅速地开辟了这块阵地，使得IP模块收入，成为其整个收入的重要一块，当前已经接近1/3的产值来自于此。风头强劲。
IP模块的高速发展，极大地扩展了EDA软件的灵活性。这是一种极简主义和知识复用的胜利。
并购的历史
EDA软件有着极其庞杂的分类，根据美国专门从事EDA咨询给公司GSEDA（2018年已经卖给另外一家咨询公司）统计，一共涉及到90多种不同的技术。
图4：EDA软件分类（局部图）
（Source：GSEDA）
在这些技术里面，密密麻麻地分布了420家公司。而按照美国《半导体工程》杂志的清单列举中，EDA软件一共有900多家小公司。
这么多小公司，是如何存活的？
研发工具软件的发展史，永远充满了鲨鱼吞吃的并购史。机械类设计软件CAD如此，仿真软件CAE如此，电子设计自动化软件EDA也是一样。这是一个非常奇怪的市场，小鱼的存在，似乎就是用来喂养大鱼。而在美国工业软件的池子里，前赴后继，永远都是层出不穷的小鱼小虾。
这是国外工业软件发展历史给中国工业软件上演的最陌生的一课。并购这种场景在中国凤毛麟角。中国工业软件的池子里没有大鱼，没有小鱼，都是长不大的鱼。这样看起来，还是水质的问题吧。
在CADENCE数不清的并购中，1989年收购Verilog是其最为重要的一次并购。Verilog作为一种模拟器，用来描述芯片并对其进行模拟和验证的工具，它成功地解决了复杂度带来的芯片性能验证的困难。EDA从设计领域，同时进入了软件模拟和硬件仿真。这也意味着设计与仿真，是同一家公司的不同套软件来完成。二者密不可分。这个趋势，比机械领域的CAD和CAE的融合，整整要早三十多年。直到最近几年，在非电子制造的领域，CAD和CAE的融合，才开始成为明显的技术主流。这也再次说明，电子设计自动化EDA软件的发展，其实是完全独立于机械CAD的发展。
2001年前后，正是CADENCE与它的叛将所成立的公司，精疲力竭地打官司的时候。那是一段人性黑暗的历史，充满了算计和反算计。就在这个时候，坐山观虎斗的Synopsys，出其不意地收购了这家叛将公司，获得了面向工具开发者的前端工具。这大大丰富了Synopsys的产品线。
谈论这些并购的历史，将是一个繁琐的过程。根据南山工业书院的统计，在美国EDA公司的并购历史上，仅仅由Top3的三家巨头直接参与的并购就达到了惊人的200次。每家企业的并购数量平均达到70次。如果考虑许多并购公司在此之前也是吃东吃西，总并购次数大约在300次左右。
图5：三家EDA的并购史
（原创绘图：南山工业书院工业软件组）
EDA的并购历史，与CAD/CAE的并购史不太一样，后者主要集中在最近十多年。然而EDA从1990年开始，每个十年所发生的并购都很均匀。这说明，EDA这个产业，早已成为一个非常成熟的产业。从来就没有黑马挑战者。唯一令人震惊的超级黑天鹅事件，是Mentor一不小心在2016年成为西门子的猎物。
有意思的是，如果细看过去，许多小公司存活只有几年，而并购金额经常出现几百万美元的标的。这是一个任何行业都可能无法达到的并购频率，也反映了工业软件其实有着极其特殊的产业规律。
靠着强力的知识吞吐，工业软件以其“百溪成河、百河入川”的汇聚方式，形成了深不可测的知识鸿沟——追赶者则很容易被远远甩在后面。正是这些叠罗汉式的并购，让无数电子工程师的思想碰撞和专业技术的沉淀，最终将人类的智慧汇聚成高耸入云的工程学尖塔——尖塔之下，很难有速成取巧的道路。
小记：EDA的未来
三十年前的第三代，从此确立了江湖的秩序，后来再无挑战者。自那以后，所有的初创公司都再也没有了资本加持的发展空间，2002以后没有一家能够上市。他们唯一的使命，就是几乎被三家包圆收购。三代江湖，五十年历史，造就了EDA软件坚不可摧的三分天下分治格局。
然而，过于成熟的事物背后都会是隐忧。EDA软件近十多年的发展，看上去更像是在深扎营寨，而并未见到像样的疆土开拓，整个产业的产值也在100亿美元徘徊不前。那么EDA的未来在哪里？
除了汽车和车联网的发展之外，目前能看到三处明亮的光源，正在吸引着人们的视线。一个是很有吸引力的市场：生物仿真如新陈代谢、基因和神经，将成为一个全新的天地。EDA的设计仿真环境将从电路变成液体或者空气。一个是最大的挑战，如何迎接后冯诺依曼时代的计算架构——这个架构曾经主宰了70多年以来所有的计算机体系。没有了总线，时钟不复存在。没有了时钟的傅里叶变换将走向何处？原有的数学根基正在动摇；一个是IC将走向巅峰，集成电路有可能迎来“类脑芯片”（仿神经的计算芯片）的时代。有了这些突破，EDA将会抖擞精神，再攀高峰。
而所有这些光源的能量，都是来自基础科学。所有这些悬念的解决方案，无一例外地都要回到自然科学问题，从数学、物理，到化学、生物等。正如EDA最早的诞生，是从大学实验室里走出来一样，基础研究从来就是它的根基。产业的互动和回馈，则加速了它的强壮。
法国工业研发工具软件非常发达，无论是全垒打的达索系统，还是专注于仿真的ESI集团。部分原因可以归结为法国强大的数学基础。中国CAD前辈北航唐荣锡教授曾经表达过类似的话，“CAD的崛起，离不开民族数学复兴和一流的用户”。这是一个朴素得不能再朴素的寓言：小小产值的工业研发工具软件的崛起，背后离不开伟大的自然科学复兴和一流的用户倾力扶持。
作者：林雪萍（南山工业书院发起人，北京联讯动力咨询公司总经理）
赵堂钰（南山工业书院工业软件研究组研究员）
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