EDA电子设计领域的“刚需”型生产工具,也是半导体行业最上游的“桂冠”。而目前中外EDA行业的发展水平仍具有巨大的“鸿沟”,这对于我国半导体行业整体的向上突破也形成了一定的制约,我们认为本土EDA产业未来的大发展势在必行。在本文中,我们聚焦EDA的技术本质与应用场景,剖析全球EDA行业的发展历史与未来趋势,同时对于我国本土EDA厂商未来的发展与破局之路也进行了探讨。

EDA从何而来,为何而生? EDA是电子设计领域的研发类工业软件,主要应用于IC设计、PCB设计等场景。EDA处于半导体产业链的最上游,是IC设计的“刚需”,全定制IC、半定制IC,从前端到后端设计的各个环节均需要EDA工具。EDA是典型的高门槛专业软件,同时由于IC设计的流程较长,产品线的完整度是头部厂商核心的壁垒。同时EDA厂商为客户带来的价值也不仅止步于工具,与先进工艺的结合,与Foundry的配合验证,以及专业化的服务更是头部厂商取得差异化竞争优势的“武器”。

EDA行业发展到了什么阶段?全球来看,EDA行业已经发展至成熟期,市场规模超过百亿美元,且近年来增速较为平稳。市场集中度较高,接近70%的市场被Synopsys、CadenceMentor Graphics“三巨头”所占据,我们认为强大的研发实力、与先进工艺的结合、完整的产品线构筑起了EDA行业“三巨头”的核心竞争壁垒。回顾国内,虽然当前中国EDA行业尚未迎来“爆发”,然而随着本土IC设计产业高速发展,我们认为产业对于EDA工具的需求量将持续上升。但目前90%以上的国内市场仍被海外“三巨头”所占据,本土EDA厂商的竞争力仍相对薄弱。

中国本土EDA厂商如何破局?从整体上看,本土EDA厂商主要能够提供的是部分环节的点工具,在产品完整度、集成度与整体服务能力上仍然差距较大。在高端市场,中国本土头部Fabless基本完全依赖于国外巨头工具;而在长尾市场,盗版问题影响下留给本土EDA厂商的市场较为有限。相比海外巨头,本土EDA厂商在向上突破的过程中,缺人才、缺产品、缺工艺是最为突出的三大难关,但我们认为上面这三大难题并非无解。从长期的维度来看,随着我国在全球半导体产业链中扮演的角色愈发重要,我们相信我国本土的EDA力量未来也终将真正站上世界舞台。

风险

技术研发进度不及预期;研发投入超预期;国际局势变化。

正文

EDA从何而来,为何而生?

EDA:电子设计领域的“刚需”型生产工具

EDA是应用于电子领域的研发设计类软件。EDA的涵义为电子设计自动化,从功能上看属于广义的CAD/CAE软件在电子设计领域的分支,在电子行业以计算机辅助设计取代手工版图设计。而EDA也是一个较为广泛的概念,应用在包括IC设计(数字IC、模拟IC、FPGA)、PCB设计、以及其他电子面板设计(比如FPD设计)等场景的设计工具均可归为EDA的范畴,而其中IC设计是其中技术门槛最高,市场需求最大的领域。

EDA处于半导体产业链的最上游。IC设计是芯片制作流程的前置环节,是将集成电路系统、逻辑与性能的设计需求转化为具体的物理版图的过程,主要包括前端设计(规格制定、详细设计、HDI编码、前仿真验证、逻辑综合、静态时序分析)和后端设计(可测性设计、布局规划、CTS、布线)等多个环节,而这其中的各个环节均需要EDA工具的应用,所以EDA也被认为是半导体产业链的基础之一。

EDA的应用已经成为IC设计领域的刚需。随着半导体行业的发展,IC设计的复杂程度指数级上升,当今的IC设计公司(Design House)已不可能完全离开EDA工具,而单凭手工完成版图的设计;同时EDA的应用也能够帮助IC设计人员有效提升设计的效率及准确度,进而节约大量设计费用(UCSD教授Andrew Kahng认为,当前消费级SoC在EDA工具的帮助下,设计费用约为4,000万美元费用;而如果不使用EDA工具,其设计费用将高达77亿美元)。

EDA是典型的高门槛专业软件。大部分的EDA软件都运行于LINUX系统而非Windows系统,其原因为大多数工程及科技软件原先都是在UNIX平台上首先开发和使用的,并且LINUX作为多用户分布式系统更加适合于EDA这样的专业科技软件;EDA的价格也较为高昂,通常整套工具的价格可高达数十万美元,但我们认为这与其能够为IC设计公司创造的价值相比已经算是“不值一提”。

EDA的发展历经三个阶段,从通用走向专业,从工具走向平台:

初级阶段(1970-1980年):以通用CAD辅助电子设计。随着通用的CAD软件在机械设计等领域投入使用,电子设计人员也开始尝试以CAD代替手工制图,将PCB 设计过程中高重复性的繁杂劳动如布图布线工作用二维平面图形编辑与分析的 CAD 工具代替。彼时的EDA实际上是机械CAD的附属工具,而Applicon、CALMA等CAD厂商是当时EDA行业的主宰。

发展阶段(1980-1990年):专业EDA工具开始出现。半导体设计的要求逐渐提高,对于EDA工具的要求从基础的CAD设计延伸至CAE仿真,电路仿真程序SPICE的推出标志着专业的EDA设计工具的诞生,而Mentor Graphics,Daisy等公司也以软硬件结合的方式实现了EDA的初步商业化;此后Synopsys、Cadence等当今的EDA巨头也相继登上舞台,并以纯软件的方式重塑了行业的商业模式。

成熟阶段(1990年至今):技术基本成熟,EDA走向平台化。高制程芯片的发展进一步加剧了IC至多流程各环节的复杂度以及环节内部验证的工作量,对于EDA技术提出了更高的要求。以高级语言描述、系统级仿真和综合技术为特征的 EDA 技术基本成熟,同时产品形态上也从最初的点工具,进化为全流程工具以及设计平台,头部厂商均推出了大规模、平台级的EDA系统。

EDA持续发展的背后是摩尔定律的推动,优胜劣汰下行业的集中化趋势并不可逆。设计是制造的前置环节,因此EDA软件需要随着芯片制程工艺的进步,而进行持续的不断地更新迭代,为半导体产业不断提供设计下一代芯片的方法和工具,这对EDA厂商的研发实力提出了非常高的要,只有头部公司能够持续跟上行业的发展速度。这也导致了经过几十年的优胜劣汰后,如今的EDA行业已经呈现出高集中度的态势,大部分份额均被头部的三家公司占据。

应用场景:EDA对IC设计实现全流程环节的覆盖

各类型的IC设计均离不开EDA的应用。从功能上看,芯片可分为通用IC(CPUDRAM)和专用IC(ASIC);从结构上看,其又可以分为数字IC(CPU、GPU、逻辑电路)、模拟IC (运算放大器、基准电压源等)和数模混合IC。为了满足不同功能和不同结构IC的设计需求,IC设计从实现方法上大致可以主要分为全定制和半定制设计:

全定制IC设计:基于晶体管级,所有器件和互连版图均按规定的功能、性能要求,对电路的结构布局、布线均进行专门的最优化设计,通常用来设计模拟电路及数模混合电路,比较适合大批量生产、要求集成度高、速度快、面积小、功耗低的通用IC或ASIC。全定制IC设计更加依赖于设计人员本身对于电路的理解,EDA工具在其中主要起到辅助的作用。

半定制IC设计:基于门阵列(gate-array)、标准单元、可编程元器件等一定规格的功能块的半定制设计,一般用来设计数字电路,大部分数字大规模电路都使用半定制流程设计(数字SoC设计)。半定制设计的标准化程度相对更高,EDA工具的参与度相对更高,对于设计人员对于电路理解的要求相对更低。

EDA工具对全定制和半定制IC设计的各个环节均实现了覆盖。全定制和半定制IC设计需要不同类型的EDA工具,全定制IC设计主要包括电路原理图设计、电路仿真、掩膜设计、版图验证、流片等环节。而半定制IC设计在流程上更为细致化、标准化,主要可划分为前端设计(从规格制定到生成门级网表)和后端设计(布局布线、版图生成)。目前针对全定制和半定制IC设计的各个环节均已经有成熟的EDA公司,其中半定制IC设计相对而言更为依赖于EDA,同时主要采用半定制设计的数字IC在全球半导体市场也占有更高的份额,因此下文中我们主要会聚焦在半定制数字IC设计领域的EDA应用。

半定制数字IC设计中的EDA应用详解

半定制IC设计可大致分为前端设计和后端设计环节:

前端设计:又称逻辑设计,主要和电路逻辑的实现相关,使用HDL语言描述电路,并进行仿真验证、综合和时序分析,最后转换成门级网表,包括规格制定、详细设计、HDL编码、逻辑仿真验证、逻辑综合等环节。

后端设计:又称物理设计,主要和工艺相结合,将门级网表转换成IC设计版图(gds文件,进行验证后输出以进行下一步的IC制造工作,主要包括可测性测试、布局规划、时钟树综合、布局布线、版图生成、物理仿真验证等环节。

半定制数字IC设计的流程较长,各环节均需应用专门的EDA工具。在下面中,我们展示了半定制数字IC前端设计以及后端设计的全流程环节以及需要使用的主流EDA工具。总体上看,数字IC设计具有较长的环节链路,IC设计公司通常需要配置整套的EDA工具以满足其使用需求。

商业模式:软件工具为基础产品,但价值远不止于工具

EDA厂商的商业模式主要是以EDA软件授权结合IP授权:

EDA软件授权:EDA厂商会将自身开发的各类工具、软件包(上面提到的各个环节的工具大多数都会被整合在软件包中形成整体解决方案),以软件授权的方式进行售卖,大部分合约均是以2-3年的期间授权的模式,小部分合约为永久授权。下游客户方面则以中大型IDM、Fabless企业为主。

IP授权:EDA厂商也会直接向客户提供芯片IP授权,分为软IP(RTL编码功能块)、固IP(完成逻辑综合后的门级网表)、硬IP(掩膜版图)。EDA厂商主要提供的是软IP和固IP,常见的做法是将软IP集成至EDA软件中;收费方式则包括单次授权费(License)和持续的版税费(Royalty)两种。大部分的Fabless/IDM都会采购一些IP核以提升芯片开发的效率。

EDA厂商为客户提供的价值远不仅仅是设计工具:

其一,结合先进工艺,与Foundry的验证配合。由于EDA最终输出的版图都是会交给Foundry来进行代工,因此EDA工具与先进的工艺密不可分(尤其是后端工具),EDA厂商需要向Fabless客户证明通过自身的产品设计出的版图能够通过Foundry的验证,并投入量产;而Fabless仅有购买那些得到了验证的EDA工具,才能够具备取得头部Foundry代工配额的可能性。

其二,专业的服务,甚至是技术上的直接支持。EDA厂商为客户提供工具的同时,也会向其输出专业化的咨询、培训服务,甚至是直接参与到IC的设计。同时由于EDA厂商本身对于IC设计、工艺技术已经积累了较为深刻的理解,因此客户对于厂商所提供的专业服务往往具有较大的需求,甚至更希望得到在技术知识方面的支持。

头部EDA厂商在与工艺的结合和专业服务这两方面优势明显。在工艺层面,Synopsys、Cadence等头部公司通过在行业中多年的耕耘,一方面积累了深厚的Fabless/IDM客户基础,另一方面也已经与头部的Foundry建立了深入的合作关系,对先进工艺具有深入的理解;在服务层面,这些头部企业内的员工往往也都是半导体领域的顶尖人才,具备直接向客户输出技术服务的能力。我们认为头部的EDA公司不仅在产品工具层面领先,其在工艺和服务上的壁垒更为稳固。

EDA行业发展到了什么阶段?

全球EDA行业已处成熟期,增速平稳、龙头寡占

全球市场规模超百亿美元,增速相对平稳波动较小。根据ESD Alliance的数据,2019年全球EDA行业市场规模已达到105亿美元,2015-2019年CAGR为8%;相比于全球半导体行业整体而言,EDA行业的增速相对平稳且波动性较小,2019年全球EDA行业的价值量约相当于全球半导体产业规模(市场销售额)的2.5%。

全球EDA市场几乎被“三巨头”所占据。2019年,全球EDA行业的三大龙头厂商Synopsys、Cadence、Mentor Graphics的市占率之和接近70%,这三家头部厂商具备对于半定制、全定制IC设计全链路的覆盖能力,有能力为客户提供整套的IC设计工具;而一些成长中的企业则大多以点工具切入特定环节,以取得一定的市场份额。

EDA厂商在IP授权市场的话语权也在提升。近年来EDA巨头的IP授权业务快速发展,EDA厂商以软IP嵌入EDA软件的销售方式受到了客户的欢迎。2019年,Synopsys、Cadence已经成为仅次于ARM的全球第二、第三大芯片IP授权公司。

全球EDA行业当前呈现出的供需态势

供给端:龙头厂商主推整体解决方案,Synopsys、Cadence、Mentor Graphics这三家EDA行业的龙头公司对于全定制、半定制IC设计的各个环节基本都有相应的EDA工具进行覆盖,其更倾向于将多个工具“打包”作为整体解决方案向客户销售(“全家桶”模式)。后期之秀以点工具切入市场,成长中的EDA厂商虽然暂无覆盖全设计链路的能力,但也能够针对某些环节推出具有特色的点工具产品,切入部分细分市场。

需求端:头部客户自主性较强,服务要求较高。虽然EDA厂商偏向于提供整体的解决方案,但对于顶尖的Fabless/IDM而言,其会更偏向于根据自身的需求而“博采众长”,对于不同的环节采购最适合自身的EDA工具,而非完全购买一家厂商的产品;而这些头部Fabless/IDM自身也具有较强的IT能力,会偏向于自主进行研发平台的搭建并将点工具进行组合,同时也会自研一些EDA工具。而中腰部客户则对整体解决方案的接受度更高,同时对于EDA厂商直接提供IP授权的需求量更大。

全球EDA行业的“三巨头”如何铸就?

“三巨头”对EDA行业的“统治”已持续了近三十年。Synopsys(SNPS.US)、Cadence(CADE.US)、Mentor Graphics三家公司均起步于上世纪80年代,Cadence在上世纪90年代便开始领军EDA行业,但后由于一些内部问题,逐步被Synopsys缩小差距;而Synopsys更在2001年完成对AvanTI的收购,在2008年正式超越Cadence成为行业第一;Mentor Graphics在产品深度和营收规模上相比前两大龙头均有所差距,后于2016年被西门子以45亿美元的价格整体收购。

从产品和技术特点来看,三家公司各有所长:

Synopsys:产品全面性领先,Synopsys从前端设计起家,后通过并购AvanTI扩展到后端设计,在综合实力上较为领先。目前旗下公司的几款核心工具(VCS、Design Complier、IC Complier)大多都为自研且经历了几十年的市场考验,在口碑和可靠性上优于其他两家竞争对手。

Cadence:强项在于后端设计,Cadence在的数字IC后端设计领域积淀深厚,同时在模拟电路和数模混合电路的全定制设计领域(Virtuoso平台)具有优势。但近年来公司在产品线的扩充方面主要依赖于外部收购,同时在复杂时间序列的收敛等细分环节还存在短板。

Mentor Graphics:强项在于后端的布局布线,但在产品线的完整性和集成度上相比前两大巨头有所差距,有部分细分环节未能进行覆盖;但公司在PCB设计领域具有一定的优势。

EDA行业“三巨头”的竞争壁垒主要来自于三个层面

其一,强大的研发实力。三大EDA巨头均十分重视在研发端的投入,历年的研发费用均达到数亿美元,研发费用率长年保持在30%以上,甚至超过40%。以Synopsys为例,其在全球的15,000名员工中,有近7,000人是研发人员,基本上可以说EDA“三巨头“已经汇聚了全球EDA行业最顶尖的人才。

“三巨头”对于教育市场高度重视,通过产研合作提前锁定人才。三大龙头公司均与全世界的顶级理工科院校建立了深度合作关系,从源头上锁定全球EDA领域的“新鲜血液”。以在中国为例,Synopsys目前已经和国内70多年顶尖高校达成了合作,Cadence在国内也在积极推进“大学计划”,通过成立联合培训中心、研发中心、实验室等形式,提前进入校园网罗优秀的人才。

其二,与先进工艺的结合。在上文中我们已经强调,与工艺的结合是EDA厂商的核心价值之一。EDA公司需要基于Foundry的先进制程芯片工艺来进行新一代设计工具的研发,同时也需要取得Foundry的工艺技术认证,以“证明”自身产品的可用性。“三巨头”与台积电、三星等头部Foundry均建立了深度合作关系,能够在第一时间推出支持最先进工艺的工具并取得认证。

“三巨头”在对先进制程工艺的支持上已取得明显优势。头部厂商通过与Foundry建立深度的合作关系,能够在早期便参与到Foundry工艺的研发过程中,进而能自然地在支持7nm/5nm/3nm的新一代EDA工具的研发上占得先机。以Synopsys为例,其在台积电7nm工艺开发的早期就已进行参与,提早推动基于台积电新工艺的EDA/IP的开发,因此能够在台积电的7nm工艺设计完成后的几周内便推出基于该工艺的EDA工具。相比之下,其余中小EDA企业大多难以与具有先进制程工艺的头部Foundry建立直接合作,在高端EDA市场基本不具有竞争力。

其三,完备的产品线。“三巨头”的产品基本上实现了对全定制、半定制IC设计的全流程覆盖,尤其是Synopsys和Cadence,在多个设计环节的工具上均处于行业领先,其所提供的“全家桶”型工具包产品也已占据了相当可观的市场份额(尤其在中腰部市场)。而以提供点工具为主的中小厂商则更多地是在“夹缝中求生存”。

“三巨头”通过持续的收并购补齐产品矩阵。IC设计的流程复杂、环节众多,针对不同环节的EDA工具在技术方向上均有一定的差异,即使如Synopsys、Cadence这样的龙头厂商也难以单凭自身的研发力量覆盖全部工具的开发工作。回顾其发展历史,EDA行业的龙头厂商均是通过持续的收并购拓展补强自身的产品线,形成完整的EDA工具包与技术平台。

中国有望成为全球EDA行业的又一极

中国EDA行业尚未迎来“爆发”。根据前瞻产业研究院数据,2019年中国EDA行业市场规模为5.4亿美元,2016-2019年CAGR为7.9%,在全球EDA市场中占比较小,且增速也基本处于同一水平,市场潜力仍有较大的释放空间。

本土IC设计产业高速发展,对EDA工具的需求量将持续上升。根据中国半导体行业协会的数据,2019年我国IC设计产业销售规模已经突破3,000亿元,全国的IC设计企业数量已达到1,780家。即使在国际局势的变化下,华为海思等头部Fabless受到一定的冲击,但我们认为中国本土IC设计产业整体仍处于快速发展阶段,本土Fabless对于EDA的需求将持续提升。

中国EDA市场主要被“三巨头”占据,本土厂商差距较大。上世纪90年代海外EDA行业的“三巨头”入华,三家企业均对中国市场高度重视并持续投入,在数年内就基本占据了大部分的市场份额。时至今日,90%以上的中国EDA市场被“三巨头”所占据,本土EDA厂商仅能够在部分细分领域取得一定的市场份额。

中国本土EDA厂商的崛起具有必要性和必然性。过去数年国际局势发生了较大的变化,EDA已经成为了制约我国半导体行业进一步发展的难题之一,我国政府也在过去数年陆续出台相关政策,鼓励本土EDA行业的发展。而从另一种角度看,海外EDA龙头的“停供”实际上也为本土EDA产业的发展腾出了空间,华为海思等头部Fabless近年来也在加大对于本土EDA厂商的支持力度。从长期的视角来看,我们对于中国本土EDA行业的发展较为乐观。

中国本土EDA厂商如何破局?

中国本土EDA行业的“家底”盘点

中国本土EDA行业曾有着辉煌的过去。中国本土EDA行业起步于上世纪90年代, 1993年中国第一个自研EDA系统“熊猫”面世,国内单位踊跃使用,短时间内熊猫EDA便在近20家设计公司投入使用,完成近200个芯片品种,当时中国与世界领先水平的差距并没有那么大;但之后数年,海外EDA巨头陆续入华,并凭借更为完善的产品,更为成熟的商业策略迅速挤占本土EDA厂商的生存空间,“熊猫”EDA也被迫出海“求生”,中外EDA产业的差距也逐步被拉开。

中国本土EDA行业目前有哪些主要力量?总体上看,目前中国EDA行业主要有两股主要力量:一股是主要由中国本土培养的EDA人才组建的企业,华大九天是其中的代表,其继承了“熊猫”EDA的衣钵,也是本土EDA厂商的旗帜;另一股则主要是由在Cadence、Synopsys工作过的“海归”人才建立的公司,包括概伦电子、芯禾科技、博达微、芯华章等。

中国本土EDA厂商目前尚不能满足本土IC设计产业的需求。整体上看,本土EDA厂商目前仅能提供部分环节的点工具,且多是在全定制IC设计领域,在数字IC设计领域的多个关键环节缺少相应工具产品;虽然在部分点工具上国产厂商已取得了一些突破,但在产品完整度、集成度与整体服务能力上仍然差距较大。目前在高端市场,中国本土头部Fabless基本完全依赖于国外巨头的EDA工具;而在长尾市场,企业使用盗版EDA工具的情况仍然普遍存在,留给本土EDA厂商的市场较为有限,因此部分本土EDA公司的收入反而大多来自于海外市场。

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