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(chǎn)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(xiàn)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(jù)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(chǎn)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(chǎn) EDA 產(chǎn)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(chǎn)業(yè)的新機遇以及國內產(chǎn)業(yè)發(fā)展特點，并據(jù)此提出了國產(chǎn) EDA 的產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(xié)議等開始設計電子系統(tǒng)，完成電子產(chǎn)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(chǎn)業(yè)發(fā)展從上世紀八十年代中后期開始，國產(chǎn)首套 EDA 熊貓系統(tǒng)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(chǎn) EDA 產(chǎn)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(chǎn) 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(jù)，給華大九天、芯禾科技等國產(chǎn) 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?shù)牟罹啵热缭谖锢眚炞C、綜合實力等方面，國內 EDA 廠商還“沒有能力全面支撐產(chǎn)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(chǎn) EDA 很多只涉及到其中的一部分環(huán)節(jié)；

另一個是國產(chǎn) 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(chǎn)，而華為 7nm 甚至 5nm 的芯片已在路上了，自然國產(chǎn) 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(chǎn)業(yè)的發(fā)展都可能停擺，發(fā)展國產(chǎn) EDA 迫在眉睫。

從全球科技產(chǎn)業(yè)周期的角度來看，目前處于 5G 應用周期的前夜，物聯(lián)網(wǎng)，人工智能和虛擬/ 增強現(xiàn)實領域的新機遇使得整個集成電路生產(chǎn)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(chǎn)業(yè)鏈

一）芯片設計

集成電路作為半導體產(chǎn)業(yè)的核心，由于其技術復雜性，產(chǎn)業(yè)結構高度產(chǎn)業(yè)化。隨著產(chǎn)業(yè)規(guī)模的迅速擴張，產(chǎn)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)?Fabless+Foundry+OSAT。目前市場產(chǎn)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(chǎn)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(tǒng)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(wǎng)表電路。

1、EDA 工具：IC 設計的最上游產(chǎn)業(yè)

在 IC 設計中，邏輯合成這個步驟便是將確定無誤的 HDL code，放入電子設計自動化工具（EDA tool），讓電腦將 HDL code 轉換成邏輯電路，產(chǎn)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(chǎn)業(yè)，同時也是國內芯片產(chǎn)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(chǎn)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(jù)加州大學 Kahng 教授的計算分析，在 2011 年一片芯上系統(tǒng) 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（Technology Computer Aided Design）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(tǒng)中的核心底層。

目前全球 TCAD（傳統(tǒng) 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(tǒng)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(tǒng)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(shù)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(tǒng) TCAD 方法的應用范疇。

Atomistic TCAD 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(tǒng) TCAD 面臨的三大問題，包括量子效應、實驗參數(shù)和新型器件。與傳統(tǒng)的工藝建模技術相比，Atomistic TCAD 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(shù)。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，Atomistic TCAD 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(shù)字描述、以及數(shù)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(shù)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(jīng)歷了以下幾個發(fā)展階段：

二）IP 核

1、定義

IP核（Intellectual Property Core）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(chǎn)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(xiàn)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(shù) 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(wǎng)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(shù)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(shù)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(chǎn)業(yè)發(fā)展特點

一）全球市場格局

全球 EDA 市場現(xiàn)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(chǎn)品逐漸增多，再加上全球芯片制造中對 EDA 產(chǎn)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(jù)統(tǒng)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(jīng)過不斷的市場洗牌，EDA 行業(yè)已經(jīng)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(jù)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(jù) 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(xiàn)象更加嚴重，三巨頭所占比例高達 95%，可以看出 EDA 產(chǎn)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(jīng)過了 60+ 次數(shù)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(shù)高達 80 次，這說明 EDA 產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是離不開并購擴張的。

3、產(chǎn)業(yè)投資周期長

EDA 行業(yè)的產(chǎn)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(chǎn)業(yè)生態(tài)圈，產(chǎn)業(yè)鏈上下游聯(lián)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(chǎn)業(yè)鏈上下游支持，建立產(chǎn)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(shù)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(chǎn) EDA 路在何方

一）發(fā)展困局

中國 EDA 產(chǎn)業(yè)一路走來，屢屢碰壁。破土之初遭遇“巴統(tǒng)”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(tǒng)，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(chǎn)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(chǎn)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(lián)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(chǎn) 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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出上升趨勢。正在與其他地區(qū)的半導體產(chǎn)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(jīng)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(chǎn)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(xiàn)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(chǎn) 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(xiàn)實告訴我們，曾經(jīng)落下的課都要補回來?，F(xiàn)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。
? ? ? ?責任編輯:tzh