芯片之母，EDA了解一下？

在芯片設計領域，EDA軟件是不可或缺的，EDA被稱為IC設計最上游最高端的軟件產品，涵蓋了IC設計、布線、驗證和仿真等所有方面。起初芯片設計還能使用人工手算，但是現在一顆芯片就有上百億的晶體管，不使用EDA軟件非常容易出錯。

在美國EDA領域，Synopsys、Cadence、Mentor Graphics被稱為三大巨頭，占據了全球市場超過65%的份額，中國市場的90%份額，華為、中興等等芯片廠商都離不開美國的EDA產品。

但美國一步步緊逼華為，幾乎是切斷了后路，那么，對于華為以及更多中國企業(yè)來說，發(fā)展國產EDA產業(yè)就變得尤為重要，但要從何發(fā)展，怎么發(fā)展呢？

近日，方正證券發(fā)布了《半導體EDA行業(yè)研究與投資報告》（以下簡稱《報告》），《報告》分析了EDA產業(yè)的新機遇以及國內產業(yè)發(fā)展特點，并據此提出了國產EDA的產業(yè)發(fā)展方向。

一、國內EDA市場發(fā)展概況

EDA是電子設計自動化（Electronic Design Automation）的簡稱，是從計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）、計算機輔助測試（CAT）和計算機輔助工程（CAE）概念發(fā)展而來。

芯片產業(yè)鏈包括設計、制造、封裝、測試、銷售，芯片核心實力重心在芯片設計，而芯片設計離不開芯片設計軟件EDA，EDA可謂是芯片產業(yè)鏈“任督二脈”。

EDA是廣義CAD的一種，是細分的行業(yè)軟件。利用EDA工具，電子設計師可以從概念、算法、協議等開始設計電子系統，完成電子產品從電路設計、性能分析到設計出IC版圖或PCB版圖的整個過程。

國內EDA產業(yè)發(fā)展從上世紀八十年代中后期開始，國產首套EDA熊貓系統于1986年開始研發(fā)并于1993年問世。

之后的國內EDA發(fā)展曲折而緩慢，因各種因素影響，國產EDA產業(yè)沒有取得實質成功，但近十年發(fā)展中，華大九天、芯禾科技、廣立微、博達微等幾個企業(yè)從國產EDA陣型中展露生機。

目前全球EDA軟件供應商主要是國際三巨頭Synopsys、Cadence和Mentor Graphic。

中國市場EDA銷售額的95%由以上三家瓜分，剩余的5%還有部分被Ansys等其它外國公司占據，給華大九天、芯禾科技等國產EDA公司留下了極少的份額，且后者在工具的完整性方面與三強相比，有明顯的差距。

而在局部取得突破的領域，國內廠商與三巨頭也存在著相當的差距，比如在物理驗證、綜合實力等方面，國內EDA廠商還“沒有能力全面支撐產業(yè)發(fā)展”，總體上還是很難離開三大巨頭公司的平臺。

究其根本，主要原因就在于兩點：

一是國內的EDA工具不全，EDA軟件要覆蓋IC設計、布線、驗證和仿真等所有方面，而國產EDA很多只涉及到其中的一部分環(huán)節(jié)；

另一個是國產EDA軟件和先進工藝的結合較差，畢竟國內制造水平不強，14nm也只是剛剛量產，而華為7nm甚至5nm的芯片已在路上了，自然國產EDA在先進工藝方面是差于國外的。

所以，一旦EDA受制于人，整個芯片軟件產業(yè)的發(fā)展都可能停擺，發(fā)展國產EDA迫在眉睫。

從全球科技產業(yè)周期的角度來看，目前處于5G應用周期的前夜，物聯網，人工智能和虛擬/增強現實領域的新機遇使得整個集成電路生產周期各階段的半導體公司都能受益。具備AI特性的EDA工具也可以幫助客戶設計出更好的芯片，并快速推向市場。

中國半導體的崛起，給發(fā)展EDA軟件帶來了新的希望。截止到2019年，中國大陸光晶圓廠，達到86座。同時還有全球最大的半導體消費市場，達到了60%。這表明中國的EDA企業(yè)正在追求快速增長，來滿足巨大的國內需求。

二、芯片產業(yè)鏈

一）芯片設計

集成電路作為半導體產業(yè)的核心，由于其技術復雜性，產業(yè)結構高度產業(yè)化。隨著產業(yè)規(guī)模的迅速擴張，產業(yè)競爭加劇，分工模式進一步細化，由原來的IDM為主逐漸轉變?yōu)镕abless+Foundry+OSAT。目前市場產業(yè)鏈為IC設計、IC制造和IC封裝測試。

在核心環(huán)節(jié)中，IC設計處亍產業(yè)鏈上游，IC制造為中游環(huán)節(jié)，IC封裝為下游環(huán)節(jié)。

芯片設計分為前端設計（也稱邏輯設計）和后端設計（也稱物理設計），兩者并沒有統一嚴格的界限，涉及到與工藝有關的設計就是后端設計。從設計程度上來講，前端設計的結果就是得到了芯片的門級網表電路。

1、EDA工具：IC設計的最上游產業(yè)

在 IC設計中，邏輯合成這個步驟便是將確定無誤的HDLcode，放入電子設計自動化工具（EDAtool），讓電腦將HDLcode轉換成邏輯電路，產生電路圖。然后反復的確定此邏輯閘設計圖是否符合規(guī)格并修改，直到功能正確為止。

EDA是芯片設計最上游、最高端的產業(yè)，同時也是國內芯片產業(yè)鏈最為薄弱的環(huán)節(jié)。

從市場價值來看，整個EDA軟件的全球市場規(guī)模不足一百億美元，卻撬動了5000億美元的半導體產業(yè)。如果沒有了這顆基石，全球所有的芯片設計公司都會直接停擺，半導體金字塔就會坍塌。

根據加州大學Kahng教授的計算分析，在2011年一片芯上系統SoC的設計費大約是4000萬美元。如果沒有EDA技術進步，這筆費用會上升至77億美元，EDA軟件讓設計費用整整降低了200倍。

2、TCAD：集成電路EDA核心技術

TCAD（TechnologyComputerAidedDesign）全稱是半尋體工藝和器件仿真軟件。整個EDA軟件中，TCAD在器件設計和工藝開發(fā)環(huán)節(jié)中發(fā)揮著至關重要的作用，是集成電路設計和制造中不可缺少的重要組成部分，是EDA軟件系統中的核心底層。

目前全球TCAD（傳統TCAD）仿真工具主要被兩家美國公司Synopsys和Silvaco壟斷，兩者市場份額總和超過90%。但是隨著集成電路技術的發(fā)展，其先進制造技術逐漸逼近3-5nm技術節(jié)點，傳統的TCAD將面臨巨大的困難和挑戰(zhàn)。

主要的困難有3點：

當器件到達深納米尺度甚至原子尺度時，量子效應將起重要作用，而傳統的模型沒有完備地包含量子效應。

當器件達到納米尺度后，通過實驗手段獲得可靠的參數變得越來越困難和費時費力。

諸多新型電子器件和電子材料的不斷問世，完全超出了傳統TCAD方法的應用范疇。

AtomisticTCAD是目前全球最先進和最準確的從原子尺度迚行仿真，用來設計原子尺度電子器件的TCAD工具，完美的解決了傳統TCAD面臨的三大問題，包括量子效應、實驗參數和新型器件。與傳統的工藝建模技術相比，AtomisticTCAD是原子級的計算機輔助設計軟件，通過對納米級半導體電子器件進行建模和仿真，無需進行大量實驗測量便可以準確地獲得過程技術參數。它可以有效地緩解納米級半導體行業(yè)設計不制造中常見的難題，并有助于半導體制造商加快半導體工藝的開發(fā)，提高良率。此外，AtomisticTCAD可以擴展到對任何新型材料進行仿真，并具有廣泛的行業(yè)應用。

3、EDA工具分類

EDA工具分為三部分：前端（Verilog數字描述、以及數模混合）；后端（Place＆Routing布局與布線）；驗證（DRC／LVS 等）。

具體來說，在芯片的前端設計中，包含了芯片規(guī)格的制定和詳細設計、HDL編碼、真仿驗證、邏輯綜合、靜態(tài)時序分析（SAT）以及形式驗證；而后端設計中，包含了可測性設計（DFT）、布局規(guī)劃（FloorPlan）、時鐘樹綜合（CTS）、布線（Place& Route）、寄生參數提取以及版圖物理驗證等等。

4、發(fā)展歷程

EDA作為集成電路設計的基礎工具，大致經歷了以下幾個發(fā)展階段：

二）IP核

1、定義

IP核（IntellectualPropertyCore）是指在半導體集成電路設計中那些可以重復使用的、具有自主知識產權功能的設計模塊，設計公司無需對芯片每個細節(jié)進行設計，通過購買成熟可靠的IP方案，實現某個特定功能，這種類似搭積木的開發(fā)模式，縮短了芯片開發(fā)的時間，提高了芯片的可靠性。

多數SoC廠商依賴IP設計SoC芯片的過程，其本質就是尋找驗證及整合IP核的過程。IP核變成了SoC設計的基礎，深刻的影響著SoC的設計。隨著需求端的快速變化，上市時間越來越短，SoC設計公司對成熟IP的依賴程度日益增加。

2、類別

主要分為3個類別，即軟核、固核、硬核。

3、半導體行業(yè)IP的競爭格局

半導體IP行業(yè)的客戶積累，是一個較長期的過程，且客戶黏性較強，其原因主要包括以下三點：

IP技術護城河的形成，無論硬件、基礎軟件和應用軟件，都需要長時間研發(fā)投入的積累。

由于IP模塊和芯片設計企業(yè)客戶的研發(fā)體系是深度耦合的，IC設計企業(yè)的技術積累，全都基于所采用的IP，因此遷移成本較高。

上下游生態(tài)網絡的建立，對于IP授權企業(yè)來說，本身就是護城河。這是由于客戶在選擇芯片設計提供商時，極為謹慎，會重點關注其是否有相應的成功案例。

以上三點，決定了IP授權行業(yè)，往往形成贏家通吃的競爭栺局，新競廠家，較難在短時間內超越競爭對手。

4、IP設計的新技術：自動IP生成

常規(guī)的IP設計過程費時費力，而自動IP生成則是希望能通過直接把頂層架構設計（對于數字IP）戒模塊指標（模擬IP）映射到電路。這樣一來，就能大大節(jié)省設計的時間和成本，同時可以做更多的設計探索，最終收斂到最優(yōu)設計。

自動IP生成領域對亍中國的半導體行業(yè)有重要價值，中國距離全球先進的差距也并不大，因此，如果得到足夠支持的話有機會能在未來數年內達到全球領先水平。對于模擬IP自動生成來說，發(fā)展時間還不長，中國和國外巨頭尚處于同一起跑線。而擁有下一代的自動模擬IP生成工具，也有利于鞏固中國模擬IP設計強國的地位。

三、產業(yè)發(fā)展特點

一）全球市場格局

全球EDA市場現狀：行業(yè)規(guī)模增大，整體增速較低。

隨著EDA行業(yè)的發(fā)展，相關軟件產品逐漸增多，再加上全球芯片制造中對EDA產品的需求加大，使得EDA行業(yè)市場規(guī)模不斷提高，但整體增速不高。據統計，2018年全球EDA行業(yè)市場規(guī)模為97.04億美元，較2017年同比增長4.30%。預計2019年年收入為105億美元，同比增長8.25%。經過不斷的市場洗牌，EDA行業(yè)已經從上世紀的百家爭鳴縮減到目前三大巨頭，成為一個高度壟斷的行業(yè)。

2019年第一季度資料顯示，SIP市場規(guī)模約為8.66億美元，占行業(yè)總收入約33.36%；CAE市場約為規(guī)模8.41億元，占比約為32.38%；PCB&MCM（印刷電路板和多芯片模塊）市場規(guī)模2.24億美元，占比約為8.63%。

從區(qū)域來看，北美地區(qū)是EDA軟件行業(yè)發(fā)展最好的地區(qū)，在全球市場占比高達42.7%；其次是APAC地區(qū)（亞太地區(qū)），近年來需求上升較快，占據了34.6%的市場份額；最后是EMEA地區(qū)(歐洲、中東和非洲地匙）和日本地區(qū)，占比相對較小，分別占據13.3%和9.4%的市場份額。

目前，全球EDA軟件供應者主要是國際三巨頭Synopsys、Cadence和Mentor Graphic，三大EDA企業(yè)占全球市場的仹額超過60%。2018年，Synopsys全球市場份額領先，占比達到32.10%；Cadence次之，占比為22.00%；Mentor Graphic占比為10.00%。

二）五大行業(yè)特點

1、寡頭壟斷

國際三巨頭所占國際市場份額超過60%，在國內市場寡頭壟斷的現象更加嚴重，三巨頭所占比例高達95%，可以看出EDA產業(yè)為寡頭壟斷的狀態(tài)。

2、并購頻繁

EDA國際三巨頭在過去的30多年里，經過了60+次數的并購，才最終奠定了如今正在行業(yè)內的寡頭壟斷地位，其中Synopsys的并購次數高達80次，這說明EDA產業(yè)的發(fā)展是離不開并購擴張的。

3、產業(yè)投資周期長

EDA行業(yè)的產品和服務需要長時間的技術積累，內容攮括了眾多基礎科學，是整個工業(yè)軟件的智慧結晶。

4、需建立產業(yè)生態(tài)圈，產業(yè)鏈上下游聯動支持

EDA作為半導體行業(yè)的第一個環(huán)節(jié)，是制造和設計的紐帶。EDA與工藝設計強相關，既要跟著工藝跑，又需要用戶的信任去驗證，所以必須獲得產業(yè)鏈上下游支持，建立產業(yè)生態(tài)圈，才能更好的發(fā)展。

5、對人才需求強烈

EDA行業(yè)需求的人才主要是工具軟件開發(fā)人才，工藝及器件背景的工程師、熟悉IC設計流程的工程師、數學與業(yè)人才、應用及技術支持人和銷售類人才，就業(yè)面相對窄。

四、國產EDA路在何方

一)發(fā)展困局

中國EDA產業(yè)一路走來，屢屢碰壁。破土之初遭遇“巴統”禁運，禁止向中國銷售先進電子CAD軟件。雖然隨后中國做成第一版ICCAD—;—;熊貓系統，但馬上迎來了國外EDA公司的激烈競爭和搶占市場，中國的EDA產業(yè)陷入長久的沉寂。

2008年，國家“核高基”重大科技與項正式迚入實施階段，EDA領域 也迎來了新一輪的國家支持。微弱的產業(yè)火種誕生出了華大九天、芯愿景、廣立微、芯禾科技、概倫電子等一批優(yōu)質企業(yè)。

1、國外巨頭壟斷

從全球市場來看，2018年，中國以華大九天、廣立微、芯禾科技為首的10余家EDA公司銷售額約3.5億元，只占到全球市場份額的0.8%。

從國內市場來看，2018年，我國EDA軟件市場份額約為5億美元左右，中國EDA企業(yè)僅占5%左右，競爭力較弱，而國際三巨頭Synopsys、Cadence和Mentor占了其中95%。 行業(yè)內的高度壟斷，導致了國內公司（華為、聯想等）在使用EDA軟件時不得不依賴國外廠商。

2、需要的長期技術積累和資金投入

EDA企業(yè)的發(fā)展離不開長期的技術積累和高額的研發(fā)資金投入，國產EDA公司和國外龍頭相比仍有較大發(fā)展差距。

3、本國EDA人才需求嚴重不足

國內做EDA研發(fā)的人大約有1500人，其中約有1200人在國際EDA公司的中國研發(fā)中心工作，真正為本國EDA做研發(fā)的人員，只有300人左右。

4、EDA產業(yè)上下游的支撐

EDA是鏈接設計與制造之間的關鍵部分。國際三巨頭與世界領先的晶圓廠合作已久，代工廠找不到理由和新的EDA廠商合作，于是EDA軟件不能為IC設計公司提供足夠的工藝信息，因而IC設計公司也沒必要購買EDA軟件。

5、產業(yè)并購

EDA行業(yè)在過去的十五年從自由競爭走向寡頭壟斷。中國EDA企業(yè)由于信奉“造不如買”的理念，錯失了在激烈競爭中以戰(zhàn)養(yǎng)戰(zhàn)的機會。

二）發(fā)展機會

2018年我國EDA軟件市場規(guī)模約為5億美元，僅占全球的5.15%左右。2017年中國EDA市場增速較快，為11.63%，之后兩年增速有所下降，為4.17%、8%。由于意識到國產替代的重要性，預計2020年EDA的市場規(guī)模將迎來新的一輪增長。

過去十年，中國大陸半尋體產業(yè)呈現出上升趨勢。正在與其他地區(qū)的半導體產業(yè)競爭。其中大陸的競爭主力軍為Fabless企業(yè)，中國大陸的Fabless公司已經占全球的四分之一。這給了EDA工具和服務足夠的發(fā)展空間。這也是我國未來幾年不斷發(fā)展和壯大國內EDA產業(yè)的基礎。

建議應和中國頂級芯片設計公司以及晶圓代工公司展開緊密的合作，對于先進的技術工藝應該重點攻克，實現早日突破。

此外，IP的重要性需要受到國內EDA企業(yè)的重規(guī)，提供與IP相關的服務和工具是可以考慮的發(fā)展方向之一。

國產EDA的機會在于以點工具為突破口，由點及面逐步發(fā)展。

二十多年前，在EDA軟件上，中國抄了一條近路—;—;直接采用國外的EDA工具，然而，沉痛的現實告訴我們，曾經落下的課都要補回來?，F在中國已開始在一定程度上支持EDA工具的開發(fā)，對一些EDA公司給予必要的資金支持。政府投資，加上龐大的國內市場，意味著它們有發(fā)展和改善環(huán)境的潛力。未來EDA發(fā)展之路，還得靠腳踏實地、一步一個腳印地走出來。

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