美中科技新戰場：中國「電子設計自動化（EDA）」的發展與策略

EDA軟體是現代積體電路（Integrated Circuits, IC）設計不可或缺的一部分：透過設計軟體，工程師不需從零開始畫出複雜圖形，以程式語言即可組合不同功能的標準化元件來建立複雜的積體電路圖；模擬（simulation）工具則方便設計者直接透過模型參數模擬設計出的晶片電路的表現，測試晶片算力、散熱、功耗等物理性質以求最佳化；而驗證（verification）工具則測試設計各部件的連結是否正確並發揮應有的功能，以及是否符合晶圓廠製程的規格要求確保良率。

美中科技戰的新戰場

2022年八月12日美國商務部工業與安全局（BIS）宣布限制四項新興核心技術（emerging and foundational technologies）對中國的出口，被禁技術之一包括環繞閘極場效電晶體（Gate-all-around，GAAFET）技術的電子設計自動化（Electronic Design Automation, EDA）軟體，被認為是美中晶片科技戰中另一殺手級禁令。 模擬與驗證功能是EDA軟體的核心，EDA開發者與晶圓代工廠需要緊密合作，才能透過反映製造實況的數據讓模擬驗證功能有效。因此，中國本土廠商至今並無能力獨立開發三奈米以下先進製程必需使用的GAAFET電晶體技術的EDA，也導致本次禁令直接限制了中國IC設計公司設計先進製程未來最前端晶片的能力。

巨頭寡佔：EDA產業的現狀

EDA公司主要透過向IC設計公司銷售軟體和定期授權金獲利，目前全球EDA市場呈現寡占態勢，由三大巨頭美國新思科技（Synopsys，約20,300員工，市占32%）、益華（Cadence，約10,200名員工，市占30%）與德國西門子旗下的明導國際 （Mentor Graphics/Siemens EDA，市占13% ） 主導市場，僅餘25%市占則由中國華大九天（Empyrean）、安矽思（Ansys）、是德科技（Keysight）等數百公司分食。而在中國市場，三巨頭市占約八成以上 。本土產品大多只能支援28奈米以上成熟製程，本土龍頭華大九天雖有針對14、7、5奈米部分晶片設計的工具，但產品尚未能覆蓋先進製程邏輯晶片的全部設計流程。且如同其他應用軟體，IC設計工程師要從自大學進入電路設計起已經習慣使用的語言與成熟的軟體平台轉移到其他產品，過渡期學習成本相當高，公司也需時間磨合確定國產EDA能符合需求，萬一有誤差投片成本損失風險巨大。即便有中國政府補助力量和美國禁令的推力，中國本土設計業轉用國產誘因不高，因此短期內中國想打破美國公司的壟斷十分困難。

中國本土設計業轉用國產誘因不高，因此短期內中國想打破美國公司的壟斷十分困難。（擷取自Pixabay）

大撒幣：中國政府的補貼戰略

2015中國製造2025的提出和中美科技戰烏雲密布，激起中國業界關於EDA嚴重依賴美國廠商、需盡快扶持本土產業的討論，支援國產EDA產業的政策也陸續出爐。2018年九月中國重點投資半導體行業的國家集成電路產業投資基金（俗稱「大基金」）投入華大九天時值2400萬人民幣的股權，約占8.8%的股份。在華為2019年五月因進入實體清單被美國政府禁止使用美商EDA產品與更新服務之後，中國財政部與稅務總局宣布IC設計企業與軟體企業可享兩年免徵企業所得稅加上之後三年所得稅減半的「兩免三減半」。有EDA公司註冊的地方政府也紛紛頒布針對EDA產業的補貼政策，深圳2019年五月宣布「關於加快集成電路產業發展若干措施」，補貼EDA公司資本支出20%（最高3000萬RMB）、對EDA營運收入10%給予獎勵補貼（最高1000萬），EDA最重要的研發費用給予30%補助（最高3000萬），最後補貼IC設計公司購買本土EDA公司費用的20%（最高300萬）。上海2022年則宣布補貼EDA企業投資30% 、杭州2022年七月宣布補貼EDA R&D 15%、北京則於今年二月宣布補貼最多50%的EDA工具採購費用。中央、地方多管齊下，砸重金補貼EDA投資研發與採購成本，可見EDA作為「晶片之母」在中國晶片國產雄心下的關鍵角色。然而在國產EDA已經比三巨頭產品便宜一半以上的情況下，政府仍需下如此重金補貼企業採購成本，也側面顯現中國本土產品和三巨頭技術與市場份額上的差距。

雨後春筍：大量出現的中國國產EDA公司

中國半導體大撒幣下真假EDA公司因為補助和資金狂潮如雨後春筍崛起，據Cadence和Synopsys共同創辦人Alberto L. Sangiovanni-Vincentelli估計，約有75家是有真實可使用產品的公司。而國產市占率一樣也呈華大九天獨居龍頭，其他著名公司有概倫電子（Primarius）、廣立微 （Semitronix）等。華大九天產品支援對類比跟LCD驅動IC全設計流程，但對於數位IC僅有對部分模擬驗證流程推出產品，有五款可支援五奈米製程，但對於設計流程中較困難的將程式碼轉化為電路圖的前段邏輯合成、後段布局繞線等環節尚未能推出產品。 而EDA最大本土客戶華為在2020年被禁止使用美系EDA時，每年購買EDA成本約在500萬美元左右，據稱2020年底華為手上的EDA授權便已過期，公司轉而著手研發自家的EDA系統，並於2023年三月宣布實現支援14奈米製程以上的EDA。

中國EDA企業雖有短期政府大力注資，但長期結構上仍面臨人才不足、無法有先進製程廠商配合研發等問題。（美聯社）

EDA軟體產品投入成本高、需要打入晶圓代工廠獲取製程資料開發驗證工具，而客戶使用一但在業界普及，不會輕易轉換到其他產品。況且中國EDA軟體產業長久以來有智慧財產權剽竊的問題，若軟體可供下載便有可能被複製盜版，高投入門檻與激烈的科技迭代競爭不利小公司發展茁壯，這也鼓勵已經有成熟利基和充足資本的大公司併購有優秀產品的小型公司來擴充產品線的業界生態。Cadence、Synopsys、Mentor Graphics 便是藉由大量的收購新創成長為三巨頭，Synopsys 2002收購Avanti 成為第一家提供前後端IC設計完整方案的公司，2023年底也傳出要收購市占第五名大廠Ansys，也曾收購台灣公司思源（2012）和至達（2023）。 中國IC設計2023 年會ICCAD指出，全球140家EDA公司中中國就有87家，在EDA補貼浪潮下已上市的大公司趁機併購了不少新創，如華大九天2022年併購有記憶體／IP設計軟體的芯達科技，概倫電子2021年收購韓國EDA公司Entasys和2020年收購開發AI模擬和驗證軟體的博達微。 未來產業趨勢在政府資源引導與市場競爭下，將會由當下多家小公司紅海競爭但產品多為針對設計流程某一節點的「點工具」，朝向企業數量收斂，每一家公司能結合多項產品，以單一平台支援設計流程所有環節的「全流程」方向發展。但併購熱潮成功的前提也需要中國大廠推出足以成為護城河的關鍵產品才能讓設計公司願意全流程採納本土大廠的EDA，扶植EDA國家隊和實現進口替代。

衝破突圍？中國EDA的發展障礙

中國EDA企業雖有短期政府大力注資，但長期結構上仍面臨人才不足、無法有先進製程廠商配合研發等問題。以人才言，中國軟體頂尖人才仍優先偏好軟體科技巨頭如騰訊、阿里巴巴工作，再來是新思、Cadence等外商，最後才是本土企業。純論員工人數，截至2022年中國EDA企業從業人員共約3000人，其中2500人為研發人員，比起新思Cadence全球各自統合上萬員工相形見絀。且本土研發人員散布各大公司開發相互競爭的技術，並無一家大公司或機關能統合人力與資源在落後技術追趕甚或彎道超車。另一個難以逾越的技術高牆，便是EDA開發過程需和代工廠合作取得先進製程的各項數據，IC設計廠商也早習慣使用主流EDA可讀取的製程設計套件（PDK），若要改用本土EDA得和晶圓廠合作開發新的PDK，已和老牌EDA合作的先進晶圓廠未必願意合作，這也是IC設計業要採用國產EDA最重要的瓶頸。

美國這次專門封殺GAAFET EDA的目的相當明確：在禁止先進微影設備出售中國，扼殺中芯七奈米以下製造能力的同時，在設計端也要癱瘓華為海思等中國頂尖IC設計業設計三奈米製程以下晶片的能力。華為 2020年推出交由台積電代工（現可由中芯七奈米製造）的麒麟9000已是五奈米技術，若想推出三奈米以下產品必須使用三星三奈米、台積電二奈米製程以下的GAAFET。美國只限制GAAFET也因為五奈米以上都有中國EDA廠商可部分支援設計流程，過度限制美國三巨頭產品賣給中國反而可能迫使中國IC設計轉而購買本土產品幫忙練兵，有利中國實現進口替代，還不如讓中國廠商在資源與技術劣勢下繼續被三巨頭壓制。Cadence 在2021年對BIS的報告就指出，在華為之後若擴大限制EDA出口至中國，中國廠商在7奈米以上製程和類比IC市場可以快速取代三巨頭的市占，中國IC設計公司也可以和外國IC設計公司合作委託代理設計或是間接取得EDA突破封鎖。

美中大博弈：EDA產業是否改變半導體版圖？

2022年的EDA 禁令只針對GAAFET，可能就是在美國三巨頭強力遊說下面對經濟現實的折衷方案。面對微影設備端的禁令，中國／中芯目前可見的對策除了中長期加速華為／上海微電子相關設備的研發，短期中芯也不惜成本開發了用現有DUV多重曝光／蝕刻來製造七奈米甚至五奈米晶片。那在軟體端，中國可否也有相似的短期與中長期對策呢？

短期而言，華為海思和其他中國IC設計業者在EDA軟體授權過期後仍可能以駭客或第三方轉手方式取得盜版EDA軟體授權碼使用先進EDA，然後投片中芯等可配合盜版EDA設計的本土晶圓廠。2019年新思就曾提告InnoGrit 利用中國盜版工具和偽授權碼生成器破解其軟體在中國與北美使用。 在成熟製程盜版是中國市場長年問題，但一來美國廠商不太可能在中國法庭占到便宜，只能針對海外分公司在中國境外提告求償，二來讓中國工程師持續習於使用美國軟體也限制了中國廠商發展，也使美國廠比較少採取法律手段對抗盜版，相關訴訟不多。而在22奈米以下先進製程端，全部依賴盜版EDA不切實際，原因也是IC設計需要代工廠綁定EDA正版版本的PDK，PDK會因每次投片量產更新資料，而每次更新都會檢測軟體是否有最新版本的授權，盜版軟體不更新很快就不能使用。而晶圓廠收到晶片設計文件，也可知道EDA軟體版本，晶圓廠可拒絕代工並通知智財權被侵害的企業。 更有效率的方式，則是設立看似與實體清單內公司無聯繫的第三方公司作為白手套購買EDA產品，2019年新思與中企全芯智造成立合夥公司，就被懷疑是因應華為進入出口清單提前成立第三方中介EDA販售。華為2023年成功發展七奈米晶片在中芯量產，被官員與智庫認為極有可能使用盜版EDA軟體，因為華為正版授權在2020年早已過期，也無法獲得版本更新與技術支援，而中國也尚無七奈米以下全設計流程的EDA。 因為以上原因，相比使用盜版，透過第三方白手套購買使用正版EDA軟體比起盜版在先進製程設計上是更為可行的做法，EDA三巨頭或晶圓廠也沒有誘因協助美國政府調查告發。此外，如同輝達在AI晶片禁令後推出降規版A800，新思和Cadence在GAAFET禁令後很快推出了不支援GAAFET的降規產品，仍可供IC設計廠商設計三奈米以上先進晶片，中國仍可設計當前先進製程端主流FINFET的晶片。

中長期而言，中國持續撒幣投入自研外，也可透過併購外國EDA公司或延攬外國EDA公司頂尖人才回國創立公司以快速增進本土實力。2022年8月英國便引用國家安全與投資法阻止中國EDA公司合見工軟旗下香港超橙控股收購英國EDA公司Pulsic，認為此收購可增進威脅國家安全的中國尖端半導體發展。

大撒幣在中國經濟成長下行、地方財政拮据的情況能否持續，都是將來中國EDA發展的問號。（美聯社）

合見工軟2020年成立，第二大股東是大基金二期（股份10%），第五大股東中國互聯網投資基金（股份6%）由中央網信辦與中國財政部成立，推動網路牆國戰略，總裁徐昀曾擔任Cadence中國區總經理。路透社2023年底披露前Siemens EDA高管Liguo "Recoo" Zhang帶著一批員工2022年回國創立SEIDA，宣稱可以提供光學鄰近修正（Optical Proximity Correction）軟體技術協助晶圓廠進行校正布局。外國公司高管帶著技術與人才帶槍投靠中國，也是突破科技出口禁令的一個方法，美國目前雖然禁止公民和永久居民無許可為中國發展半導體，但在中國重金禮聘下，在寬廣的中國市場另闢爐灶對外國公司內不得志的華裔高管仍有吸引力。 2020年中企芯華章也未經投審會許可在台設立公司並招募工程師，由台灣力德公司擔任聘僱的白手套，直接在台灣工作由VPN將成果傳回中國母公司。檢調也已於2023年十月起訴公司在台負責人。

掐脖子：美國是否再度出手？

2019年以來，美國在製程設備和設計軟體兩端的technological chokepoint分別以禁令「掐脖子」，狙擊中國IC製造與設計在先進製程的發展，確實打擊了分別為設計和製造龍頭的華為和中芯，企業獲利大減也拖慢了技術發展。但2023年華為7奈米晶片的推出，顯現中國舉國體制的補貼有其效果，也反映美國禁令仍有漏洞：先進製程端EDA軟體透過各種管道無法完全禁絕，中芯透過DUV也可拚先進製程，雖然這也迫使中國付出極高的生產成本與資源浪費。另一後果則是這也讓中國認識到其晶片供應鏈的真正軟肋，並迫使其加大對本土產業鍊弱點的支持。而美國在歐美半導體巨頭的多方遊說下，對於是否擴大禁令，禁止讓較成熟的先進製程工具與設備如可製作7奈米以上先進製程的DUV設備和 EDA也有所保留。一來中國市場是美國半導體企業顯著的利潤來源，再來拱手將營收讓與中國企業，也可能成為滋養中國設計與製造能力的養分，減輕政府補貼財政壓力。開放西方企業在部分非最先進製程的市場繼續供應中國，反而可以繼續用市場力量壓縮中國廠商的利潤與生存空間，維持科技優勢。美方晶片與半導體設備出口政策的一再反覆微調，也反映兩種派別態度之間的權衡，一派代表企業利益，認為只需禁止最先進技術輸中就可保持美國技術優勢，應續讓企業繼續賣降規產品，向中國收取發展先進製程的"晶片稅"，另一派代表國安考量，認為只要是中國未擁有的技術，都應全面禁止輸中，逼迫中國放棄發展半導體與相關應用如AI、監控、電信系統等。

2019年以來，美國狙擊中國IC製造與設計在先進製程的發展，確實打擊了分別為設計和製造龍頭的華為和中芯，企業獲利大減也拖慢了技術發展。（本報合成圖片）

延長賽：勝敗仍在未定之天

在各類政策激勵與政府資源挹注下，中國EDA公司投資自主研發正如火如荼進行，中國IC設計業者在政策引導和風險分散考量下也開始轉用本土產品。如同中國半導體設備業者，華大九天和蓋倫電子等EDA公司在景氣逆風的2023年營收成長約30%，且2019年以來年年增長都在30-40%以上。華大九天目標2025年達成5奈米IC設計全流程支援，為此2023年對R&D的投入達到營收的 70.56% ，比美廠30-40%的比例高出許多。如此高的研發投入下，企業在獲利端也有所犧牲，也顯現政府補助的必要性。2023年前三季華大九天共獲利1.71億人民幣中，政府補貼就有1.29億（75%），而概倫電子在獲940萬補貼之後仍虧損約2800萬人民幣（營收2.2億、研發1.5億占68%）。 數位晶片的驗證環節仍是中國產業面臨的最大瓶頸，在製造設備端同被「掐脖子」的情況下要追趕並非易事，但在其他中國不落人後的市場，如類比IC設計和先進封裝，在中美脫鉤與政策支持的大環境下，中國EDA公司逐步拓展市占並走向獲利仍大有可能。但舉國體制補貼是否真的能分配資源到具競爭力的企業而非投入到如IPO失敗的芯願景技術落後、涉嫌山寨他家產品的公司，大撒幣在中國經濟成長下行、地方財政拮据的情況能否持續，都是將來中國EDA發展的問號。

※ 本文為《上報》與國家科學技術委員會・科技民主與社會研究中心「半導體產業政策研究組（DSET-SEMI）」的企劃專題。文內省略若干學術格式，有興趣的讀者請參見科技民主與社會研究中心官方網站。

本文作者為科技民主與社會研究中心「半導體產業政策研究組（DSET-SEMI）」海外研究員，杜克大學政治經濟學碩士與加州大學柏克萊分校商學跟公共政策博士生，研究領域為政治經濟學、產業組織與賽局理論。目前研究中國以產業引導基金與其他補貼方式入股半導體等高科技戰略產業的政策，著重分析中國政府基金選擇投資企業的條件與背後動機，以及政府入股後對企業治理、創新與獲利表現的影響。