原創｜EDA行業進階：AI重塑設計生態

讀而思

當 AI 算法與芯片設計深度耦合，EDA 已不僅是效率工具，更是定義未來半導體產業格局的核心變量。從單點技術突破到全產業鏈協同，這場智能化變革正重塑芯片設計的底層邏輯，而生態構建能力將成為企業競逐下一個十年的核心壁壘。

沈錦璐 馮國楠 呂佩珏   中國電子信息產業發展研究院集成電路研究所

人工智能時代，電子設計自動化邁向更高效、更協同的發展。行業頭部企業正在積極推進智能化佈局，並與集成電路頂尖製造商協同開發先進技術與產品。未來，可結合大語言模型深度賦能、雲服務平臺同步共享等技術發展新趨勢，加速構建芯片設計的協作生態。

電子設計自動化（Electronic Design Automation，EDA）是利用計算機輔助進行集成電路設計的工業工具，是集成電路產業「軟實力」的重要內容。伴隨芯片設計基礎數據量的不斷增加、系統運算能力的階躍式上升，人工智能技術在EDA領域的應用需求逐步上升。依託人工智能技術重構集成電路設計範式，能夠大幅提升芯片設計自動化水平，精準預測和優化芯片的功耗、性能、面積（Power，Performance，Area，簡稱PPA），實現芯片設計端的降本增效。為此，行業頭部企業已加速佈局智能化EDA，協同產業鏈上下游形成更高效的芯片設計解決方案，推動形成資源整合的芯片設計合作生態，從而提升產品實力和企業競爭力。

全球EDA市場發展情況

EDA行業規模持續增長

隨着智能汽車、物聯網、人工智能等新興技術的普及，集成電路設計日益複雜，動輒數百億顆晶體管規模的芯片設計、製造和封測對EDA與具有知識產權的可重用設計模塊（Intellectual Property，IP）的依賴日益增加，推動EDA行業規模不斷增長。根據國際半導體行業協會（Semiconductor Equipment and Materials International，SEMI）數據，2018年至2024年全球EDA/IP市場規模穩步增長，2024年達178億美元，同比增長6.1%，近五年年均複合增長率達9.1%。預計2029年市場規模達到266億美元，年複合增長率將達8.5%。就全球EDA行業參與者來看，行業第一梯隊仍由擁有完整、全流程產品的新思科技，楷登電子和西門子EDA三家巨頭公司牢牢佔據，憑藉其高強度技術研發投入、完整生態鏈構建形成了較高的行業壁壘和用户黏性。

頭部廠商加速併購整合

在全球集成電路產業邁向數字化轉型和協同生態重構的發展態勢下，頭部EDA廠商持續採取併購整合戰略，加速向系統轉型升級。2023年11月，西門子完成對Insight EDA公司的收購，其在電路可靠性驗證領域的技術路線圖得以完善。楷登電子在2024年1月和6月先后併購系統級解決方案提供商Invecas和BETA CAE，補齊結構分析短板，鞏固其多領域工程仿真解決方案的領先地位，這也與楷登電子的智能系統設計（Intelligent System Design，ISD）戰略相符。此外，楷登電子於2025年1月與4月先后宣佈就收購領先嵌入式安全IP平臺提供商安全集成電路（Secure-IC）達成最終協議、與安謀科技達成最終協議收購「工匠」（Artisan）基礎IP業務，明確了楷登電子擴大其設計IP產品線的方略。新思科技擬收購安似科技事宜於2024年1月宣佈達成最終協議，截至2025年3月已陸續通過美國、歐盟、英國等主要司法管轄區的反壟斷審查，若收購成功達成將有力提升新思科技的仿真和分析能力。

戰略支持方向注重智能化

為維護EDA領域的全球領先優勢，美國近年來持續強化EDA智能化戰略佈局。2017年，美國國防部高級研究計劃局推出的「電子復興計劃」中已經開始支持電子設備智能設計（Intelligent Design of Electronic Assets，IDEA）項目，描繪出人工智能技術賦能EDA工具發展的新目標與新方向。其中提出的目標是實現「設計工具在版圖設計中無人干預的能力」，即由人工智能和機器學習的方法固化設計經驗，進而形成統一的版圖生成器，以期實現通過版圖生成器在24小時之內完成系統級芯片（System on Chip，SoC）、系統級封裝（System in a Package，SiP）和印刷電路板（Printed Circuit Board，PCB）的版圖設計。2024年美國白宮科技政策辦公室發佈《國家微電子研究戰略》，在「提高數字工具能力的戰略方法」中專門提到「進一步將人工智能和機器學習以及基於物理的方法集成到EDA工具中」，明確其在EDA領域的智能化佈局戰略。

全球廠商的智能化EDA佈局實踐

全球領先的EDA廠商正加速展開智能化EDA佈局，通過工具推出、算法更新、平臺服務等尋找人工智能與EDA融合的芯片設計解決方案，並加強與頂尖集成電路製造廠商等的協作，瞄準芯片設計的核心任務——優化芯片的功耗、性能、面積，共同提升芯片設計效率。

新思科技（Synopsys）

新思科技於2020年初推出融合人工智能與EDA的芯片設計解決方案DSO.ai，其使用自主的寄存器傳輸級（Register-transfer Level，RTL）至GDSII（Graphic Design System II）全流程優化，幫助芯片設計實現更高性能、更低功耗、更小芯片面積。DSO.ai的主要優勢在於突破性強化學習引擎，能夠在優化過程中進行智能學習並縮小設計空間，從而加快結果轉化速度並降低計算成本。DSO.ai已成功應用於多家芯片相關企業，例如，意法半導體在雲上採用DSO.ai，利用通用數據結構實現遠程調度任務，節省了大量計算資源、基礎設施設置時間，並有效提升PPA探索效率；微軟將DSO.ai用於自動化設計空間探索，在不降低其他指標的前提下，推動所有區塊的功率提高了10%~15%。

面向先進工藝開發，新思科技由人工智能驅動定製設計，共同合作形成差異化的產品組合。例如，新思科技採用其設計技術協同優化工具替換Intel 18A工藝技術，其AI驅動的數字和模擬設計流程已通過英特爾代工的Intel 18A工藝認證；聚焦由Synopsys.ai驅動的人工智能EDA流程，利用臺積電的N2和A16工藝提升人工智能和多芯片設計的計算性能和工程生產力，加快向新設計節點的遷移速度。為進一步提升協作設計效率，新思科技和臺積電還通過臺積電的雲認證啟用了基於雲的EDA工具，以便於共同客户能夠訪問與臺積電先進工藝技術無縫集成的雲就緒EDA工具。

楷登電子（Cadence）

楷登電子於2021年7月推出行業首款基於機器學習的設計工具 Cerebrus，通過革新數字芯片設計流程大幅提升工程效能，實現最高20%的PPA優化結果，以快速響應消費電子、超大規模計算、5G通信、汽車等多元市場的設計需求。2023年楷登電子先后推出Allegro X、OrCAD X等多款與人工智能相結合的產品，其中Allegro X利用雲端的擴展性來實現物理設計自動化，客户可使用生成式人工智能功能簡化其系統設計流程，將PCB設計周轉時間縮短10倍以上；OrCAD X平臺通過雲可擴展性和人工智能驅動的佈局自動化技術為設計人員提供支持，並由雲託管協作允許多個設計人員同時處理同一佈局設計。其后，楷登電子於2024年2月宣佈將Allegro X、OrCAD X與達索系統的3DEXPERIENCE Works產品組合進行整合，為雙方客户提供端到端解決方案，面向PCB、3D機械設計和仿真領域的持續開發提供協作支持。

2023年6月，楷登電子宣佈推出一套完整的、經過認證的背面實現流程，用以支持三星代工廠的SF2製程節點，並已採用該流程實現了一個2納米測試芯片的成功流片。其后，楷登電子與三星代工廠持續加深協作，共同加速在人工智能和三維集成電路（3D-IC）設計方面的技術進步。其中，二者在設計工藝協同優化（DTCO，Design Technology Co-optimization）中採用了楷登電子的人工智能技術，實現泄漏功率降低10%以上；並將楷登電子人工智能的「大師工作室」（Virtuoso Studio）流程成功部署於模擬電路過程遷移，幫助三星在將100MHz振盪器設計從14納米向8納米遷移時縮短了10倍的處理時間。

西門子EDA（Siemens EDA）

西門子持續加強人工智能及機器學習在EDA中的應用，並在2023年先后推出Questa數字驗證工具套件和Solido設計環境軟件。其中，Questa通過本地協作和集中數據訪問支持公共、私有云和混合雲配置，能夠自動捕獲項目生命周期中運行的每個引擎的所有數據，幫助客户在整個設計和驗證過程中管理需求、編碼、測試和發佈管理；Solido將人工智能技術無縫集成到雲部署的智能設計環境中，已成功向內存和傳感器技術提供商SK hynix提供暴力窮舉精度的偏差分析能力，顯著縮短其從初始設計進入生產階段的時間。同時，使用雲結合人工智能作為技術底座，利用雲供應商資源，面向「雲就緒」Flight plans場景推動EDA工具軟件發揮最大效能。其在2024年推出Veloce CS系統，將硬件的加速仿真、企業原型驗證、軟件原型驗證功能「三合一」，以期實現更快的計算速度以及更高的可擴展性、一致性和靈活性，從而幫助客户達到最佳生產效率。

安似科技（Ansys）

安似科技加強與半導體產業鏈頭部企業合作，推動設計流程的持續創新以及EDA解決方案的優化升級。爲了利用人工智能開展3D-IC設計，併爲更廣泛的先進半導體技術開發新一代多重物理解決方案，安似科技於2024年9月宣佈正與臺積電合作開發新的工作流程，通過optiSLang流程集成和優化軟件，減少電磁仿真次數、形成協同優化的通道設計，進而降低設計時間與成本並加快產品上市進程。此外，臺積電、安似科技和新思科技三家公司將RaptorX EM建模引擎與optiSLang相結合，共同開發出了一種創新的人工智能輔助射頻遷移流程，使客户能夠自動將模擬電路從一個芯片流程遷移到另一個芯片流程。

2024年11月，安似科技宣佈正在將英偉達的模數（Modulus）框架集成到其支持EDA的「海景」（SeaScape）大數據分析平臺中，幫助工程師創建定製化和生成式人工智能代理模型，進而改善圖形處理單元、高性能計算芯片、人工智能芯片、智能手機處理器以及高級模擬集成電路等應用的產品結果。其中，SeaScape大數據分析平臺是安似科技專為EDA設計的雲計算原生數據基礎架構，Modulus則是英偉達的一款物理學人工智能框架，可訓練並部署基於物理知識與仿真數據相結合的模型，使用户能夠根據其需求創建定製化的人工智能引擎。通過將英偉達的Modulus框架集成到安似科技的SeaScape平臺中，客户能夠使用由安似科技的工具生成的高置信度數據訓練其人工智能引擎，進而以新創建的引擎執行更穩健的設計探索。安似科技和英偉達已經證明，這種人工智能增強型流程可將熱仿真速度提高100倍以上。

谷歌深度思考（Google DeepMind）

谷歌深度思考作為谷歌旗下的人工智能企業，致力於研究新的芯片設計方法，以提升谷歌自主研發的張量處理單元（Tensor Processing Unit，TPU）性能。在2021年6月發表論文展示「快速芯片設計的圖形佈局方法」，並於2022年開源相關算法代碼促進全球研究人員進行芯片預訓練后，谷歌深度思考團隊於2024年9月在《自然》（Nature）雜誌上正式公開其最新的芯片設計算法AlphaChip。AlphaChip作為一種基於學習的方法，能夠在解決更多芯片放置問題的實例中不斷自我優化，通過「外部研究人員使用存儲庫進行芯片塊的預訓練-將預訓練模型應用於新的芯片塊」的循環持續提升其速度、可靠性與放置質量。AlphaChip已被用於谷歌超過3代的TPU中，以及被芯片製造商聯發科用於加速芯片開發，並被期望於未來通過人工智能方法實現算法和硬件、軟件和機器學習模型的端到端協同優化，進而實現整個芯片設計過程的全自動化。

EDA行業智能化發展趨勢

基於大語言模型的深度賦能

大語言模型自動化在上下文學習、指令遵循、逐步推理等方面的能力持續提升，已成為向各個專業領域提供深度知識支持的專家角色，也為EDA技術帶來了新的發展契機。大語言模型賦能解析芯片設計需求，自動生成代碼框架，甚至輔助完成複雜的電路邏輯設計，推動芯片的敏捷開發向更高層次智能化、自動化躍遷。部分高校和科研院所已發佈基於大語言模型的芯片設計自動化研究成果，例如紐約大學、新南威爾士大學、卡爾加里大學結合大語言模型的交互能力與Verilog的仿真輸出構建反饋驅動的全自動方法AutoChip，上海人工智能實驗室和香港大學聯合研究由大語言模型和AutoMage模型授權的EDA自主代理工具ChatEDA。隨着大模型在參數量、算法優化與數據訓練等維度持續突破，其將進一步提升邏輯推理、知識整合與複雜任務處理能力，更深層次賦能EDA技術在設計環節智能解析需求、驗證環節精準定位缺陷，併爲EDA工具與芯片製造、系統設計的深度融合提供更多可能。

結合雲服務的協作效率提升

隨着芯片設計複雜度呈指數級增長，對計算資源與協作效率的要求不斷攀升，傳統本地部署的EDA工具已難以滿足產業需求，雲服務的引入為EDA發展提供資源優化配置、跨時域研發協同的新可能。一方面，芯片設計在不同階段對算力的需求差異巨大，從電路仿真到物理驗證，所需的計算資源可能在短時間內大幅波動。雲服務可實時監控算力負載，根據實際需求動態分配算力，避免資源閒置或不足，確保設計流程順暢推進，提高整體計算效率。另一方面，雲服務打破了地域限制，允許全球設計團隊成員通過雲端平臺實時共享數據、同步設計進度，實現無縫協作，極大地縮短了溝通成本與時間成本。此外，企業無需一次性投入大量資金購置昂貴的本地計算設備，只需按需購買雲服務，有效降低企業成本負擔，提升資源利用率。因此，雲平臺已成為EDA廠商的佈局重點，楷登電子的OrCAD X平臺即為EDA企業構建雲服務的典型實踐，面向「雲就緒」場景最大程度發揮EDA工具效能已成為EDA未來發展的關鍵趨勢之一。

協同IP的自動設計生態構建

面向集成電路產業的升級需求，新一代「EDA+IP+AI」協同自動設計已然成為行業發展趨勢。其中，EDA工具作為芯片設計的基礎平臺，構建起高效的電路設計與仿真環境，由其電路建模、邏輯驗證及物理實現功能助力設計師快速完成方案迭代與結構優化；IP核作為預驗證的功能模塊，從處理器內核、通信協議模塊到電源管理單元，為複雜芯片設計提供了可靠的基礎構件；人工智能算法基於機器學習與數據挖掘技術，在需求分析階段精準解析設計目標，在參數優化環節自動生成最優配置方案，在佈局佈線過程中智能規避設計衝突，全面提升設計的智能化水平。此前，楷登電子收購嵌入式安全IP平臺提供商Secure-IC以及安謀科技基礎IP業務已可體現其策略性選擇。未來，EDA工具與IP的深度協同加之人工智能精準賦能，將共同支撐起從架構探索到物理實現的完整設計閉環，成為新的技術和產品競爭點。

人工智能發展浪潮為我國EDA企業帶來了築基與飛躍的新機遇。面對全球EDA市場的激烈競爭和快速變革，企業可與高校、科研院所開展產學研協作，積極利用大語言模型在海量數據學習分析方面的技術優勢，深度優化芯片設計流程，提升設計效率與精度。同時，藉助雲服務構建雲端協同設計平臺，打破地域限制，能夠讓不同地區的設計團隊實時協作、共享數據，有效降低企業運營成本，提高整體研發效率。此外，企業可適時採用併購整合戰略，補足自身技術短板，完善自身產品矩陣，並加強與芯片製造工藝廠商之間的定製化協作，推動向系統性設計的轉型，進而實現從技術突破到市場拓展的全面升級，構築自主生態位優勢。