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全球EDA芯片设计软件行业深度报告

1   EDA全景概述

EDA是IC设计必需、也是最重要的集成电路软件设计工具,EDA产业是IC设计最上游的产业。经过几十年发展,从仿真、综合到版图,从前端到后端,从模拟到数字再到混合设计,以及后面的工艺制造等等,现代EDA工具几乎涵盖了IC设计的方方面面,具有的功能十分全面,可以粗略的划分为前端技术、后端技术和验证技术,各个技术之间有所重合。EDA工具也非常丰富,按照功能和使用场合,可以分为电路设计与仿真工具、PCB设计软件、IC设计软件、PLD设计工具等。

国内从上世纪八十年代中后期开始,就投入到EDA产业的研发当中。国内为了更好发展集成电路产业,在1986年开始研发我国自有集成电路计算机辅助设计系统——熊猫系统,并在攻坚多年之后,于1993年国产首套EDA熊猫系统问世。之后的国内EDA发展曲折而缓慢。因各种因素影响,国产EDA产业没有取得实质成功,但在成长过程中,国内已出现多个EDA厂商萌芽。2008年,国内从事EDA研究的公司有华大电子、华天中汇、芯愿景、爱克赛利、圣景微、技业思、广立微和讯美等。此后十年发展,华大九天、芯禾科技、广立微、博达微等几个企业从国产EDA阵型中展露生机。

EDA在集成电路产业领域内属于“小而精”的产业链环节。数据显示,2018年整个EDA的市场规模仅为97.15亿美元,2014-2018年复合增长率在6.89%左右,相对于几千亿美金的集成电路产业来说不值一提。可是如果缺少了这个产品,全球所有的芯片设计公司都得停摆。在2017年,IP核的交易已经超越了EDA工具和服务本身,成为EDA产业交易规模最大的一部分。但与2017年IP核强劲增长相比,2018年IP核带来的收入显著下降,同比减少11.8%,这一下降部分源于第四季度IP供应商的会计和报告变化,并导致2018年第四季度EDA产业收入同比下降3.1%至2.57亿美元。全年来看,EDA产业收入略有增长,同比增长3.83%。经过三十余年长足发展,目前全球EDA产业竞争格局主要由Cadence、Synopsys和西门子旗下的Mentor Graphics垄断,三大EDA企业占全球市场的份额超过60%。其中,Synopsys是全球最大的EDA企业,2018年的市场份额已达到32.1%;Cadence仅次于Synopsys,2018年市场占有率为22.0%;Mentor Graphics在被收购之前也能保持超过10%的市场占有率。在2017年中国工业软件企业排行榜中,Synopsys排名35位,Cadence和Mentor Graphics分列第47、48位。2 EDA三巨头Synopsys、Cadence和Mentor GraphicsEDA三巨头主要指EDA市场份额占据前三位的三家企业Synopsys、Cadence和被西门子收购的Mentor Graphics。2.1 EDA三巨头基本发展状况Synopsys(新思科技)成立于1986年,由Aart de Geus带领通用电气公司微电子研究中心的工程师团队创立,在2008年成为全球排名第一的EDA软件工具领导厂商,为全球电子市场提供技术先进的集成电路设计与验证平台。Synopsys在EDA行业的市场占有率约30%,它的逻辑综合工具DC和时序分析工具PT在全球EDA市场几乎一统江山。

Cadence(铿腾电子)是EDA行业销售排名第二的公司,在1988年由SDA与ECAD两家公司兼并而成,Cadence通过不断扩展、兼并、收购,到1992年已占据EDA行业龙头地位,但到2008年被Synopsys超越。Cadence产品涵盖了电子设计的整个流程,包括系统级设计、功能验证、集成电路综合及布局布线、IC物理验证、模拟混合信号及射频集成电路设计、全定制集成电路设计、PCCE设计和硬件仿真建模等,致力于为客户提供电子设计自动化、软件、硬件以及解决方案等服务,旨在帮助其缩短将电子设备打入市场的时间和成本。全球知名半导体与电子系统公司均将Cadence软件作为其全球设计的标准,Cadence的Virtuso工具历经27年不衰,成为业内传奇。Mentor Graphics(明导国际,2016年被德国西门子收购)1981年成立,90年代遇到经营困境,软件的研发严重落后于进度,大量长期客户流失,难以与其他两家公司竞争。直到94年公司组织结构大调整后,才重新崛起。Mentor Graphics是一家EDA软件和硬件公司,也是电路板解决方案的市场领导者,主要提供电子设计自动化先进系统电脑软件与模拟硬件系统。Mentor的工具虽没有前两家全面,没有涵盖整个芯片设计和生产环节,但在有些领域,如PCB(印刷电路板)设计工具等方面有相对独到之处。

2.2 EDA三巨头产品比较EDA公司提供给IC公司的一般都是全套工具,因此EDA集成度高的公司产品更有优势。三巨头基本都能提供全套的芯片设计EDA解决方案。Synopsys最全面,它的优势在于数字前端、数字后端和PT signoff。模拟前端的XA,数字前端的VCS,后端的sign-off tool,还有口碑极好的PT、DC和ICC功能都很强大。Synopsys有垄断市场90%的TCAD器件仿真和垄断50%的DFM工艺仿真,这是其在EDA产业竞争中的一把利器。Cadence的强项在于模拟或混合信号的定制化电路和版图设计,功能很强大,PCB相对也较强,但是Sign off的工具偏弱。Mentor Graphic也是在后端布局布线这块比较强,在PCB上也很有优势,它的优势是Calibresignoff和DFT,但Mentor Graphic在集成度上难以与前两家抗衡。

此外,除了卖license以外,EDA企业还可以提供IP授权(硬核和软核),这个对于很多中小规模的设计公司是很有吸引力的。授权的IP通常有memory,Serdes和Power management之类的研发成本或门槛相对较高的硬核。Mentor在IP业务上和Synopsys与Cadence几乎没有竞争力,目前Synopsys企业的IP业务全球排名第二,Cadence企业的IP业务销售额也在逐年增加。2.3 EDA三巨头成功因素:内生、外延、国家政策扶持三管齐下EDA企业若想保持核心竞争力需要靠技术支持,与其他高新技术企业相似,EDA企业获取技术优势的途径有:收购兼并其他企业的成熟技术、高研发投入和政府扶持。2.3.1 内生:高额的研发投入除大量收购有潜力的公司以外,Synopsys和Cadence还一直重视新技术的开发,每年投入大比例资金用于研发,研发费用是公司最大的营运开支。尤其是Cadence公司,近两年研发支出占总营收的比例超过40%。2.3.2 外延:频繁并购经过多年的收购兼并以后,集成电路EDA领域只剩下了Synopsys、Cadence和Mentor这三个巨头。市场的影响力也日益集中。自1986年成立以来,Synopsys通过发起几十余项并购交易,不断寻找那些已经被市场证明成功的产品及其企业,通过滚动并购操作达到了扩大业务规模、进行技术整合的目的。2002年,Synopsys以8.3亿美元收购与Cadence结束专利诉讼的Avanti公司,和自由工具PC结合在一起整合为强大的ICC,直接衔接Synopsys前端和后端工具,使得Synopsys成为EDA历史上第一家可以提供顶级前后端完整IC设计方案的领先EDA工具供应商,公司坐稳第二的位置,并在2008年超越Cadence成为全球最大的EDA工具厂商。MentorGraphics自成立开始,就关注各细分市场的佼佼者,一步步收购了多家在某些细分领域技术上数一数二的中小型EDA公司,从而实现了企业稳步发展成长的目的。

2016年11月14日西门子和Mentor Graphics(明导国际)联合发表声明,德国西门子将以每股37.25美元的价格收购美国EDA公司Mentor Graphics,总收购价格为45亿美元,价溢价21%。西门子方面表示,西门子的愿景是扩大客户基础,打造“数字化企业”所需的世界级完整软件解决方案,Mentor的整套EDA产品对于实现这一愿景至关重要。在收购Mentor后,西门子将增强在电子系统的设计、测试和仿真领域的软硬件实力。Cadence公司的发展壮大,同样离不开一系列成功的收购。2.3.3 政策扶持:DARPA推出ERI项目扶持芯片发展纵观半导体产业发展的几十年,可以清晰看到美国在产业发展中的巨大作用。目前,集成电路在摩尔定律的驱动下,面临物理和经济极限;拐点临近,电子技术的进步将进入下一创新阶段。在这种背景下,美国又一次走在了世界前列,推出了一项为期5年、总值15亿美元的电子复兴计划(ERI),用以支持芯片技术的开发。美国国会也增加了对ERI的投入,每年额外注资1.5亿美元。ERI的目标是不再依赖摩尔定律的“等比例微缩”道路,继续推进电子器件性能的大幅提升,保持美国的领先地位,满足国防部需求的同时推动半导体产业发展,被业界誉为将开启下一次电子革命。ERI计划将专注于开发用于电子设备的新材料,开发将电子设备集成到复杂电路中的新体系结构,以及进行软硬件设计上的创新。2018年7月23-25日,DARPA为ERI计划召开了首次年度峰会,在会上,DARPA公布了2017年9月首批启动的6大项目合作研究团队,旨在扶持和培养在材料与集成、电路设计和系统架构三方面的创新性研究。IDEA和POSH两个项目共同的目标是克服芯片设计日益复杂化和成本的问题。POSH项目的目标是创建一个开源的硅模块库,IDEA项目希望能够生成各种开源和商业工具,以实现自动测试这些模块,以及将其加入到SoC和印刷电路板中。两个项目将投入1亿美元,成为有史以来投资最大的EDA研究项目之一。EDA三巨头公司Cadence公司获得了第一批入围扶持项目中的最高资助额2410万美元用以IDEA项目研究,Synopsys在Posh项目的研发也获得610万美元的资金补助。2.4  美国EDA巨头下一代技术发展前沿随着IC设计复杂度的提升,新工艺的发展,EDA行业有非常大的发展空间,目前产业两大发展方向:人工智能、云计算等技术应用在EDA软件,目前Cadence领先。云计算+EDA2018年,Cadence推出了第一个能够广泛用于电子系统和半导体开发的广泛云产品组合——CadenceCloud Portfolio。云技术的应用主要有三大优点:快速部署可提高工程效率并加速项目完成;通过灵活的解决方案和大规模可扩展的云就绪工具实现无痛采用;经过验证的解决方案据有很好的安全性,被许多客户信赖和使用。人工智能+EDA芯片敏捷设计是未来发展的一个主要方向,深度学习等算法能够提高EDA软件的自主程度,提高IC设计效率,缩短芯片研发周期。据Cadence的报告显示,机器学习在EDA的应用可以分为四个方面:数据快速提取模型;布局中的热点检测;布局和线路;电路仿真模型。Cadence致力于研究将机器学习应用在Virtuoso平台上,并参与了ERI中智能设计芯片项目。新思科技也在利用人工智能加速时序验证。

3  国内EDA产业发展迫在眉睫EDA市场供应商高度集中,现在的EDA产业主要由Cadence、Synopsys和西门子旗下的MentorGraphics垄断。在中国市场,EDA销售额的95%由以上三家瓜分,剩余的5%还有部分被Ansys等其它外国公司占据,给华大九天、芯禾科技等国产EDA公司留下了极少的份额,且后者在工具的完整性方面与三强相比,有明显的差距。而EDA的重要性不言而喻,一旦EDA受制于人,整个芯片软件产业的发展都可能停摆,发展国产EDA迫在眉睫。3.1  国内EDA公司概览国内从上世纪八十年代中后期开始,就投入到EDA产业的研发当中。国内为了更好发展集成电路产业,在1986年开始研发我国自有的集成电路计算机辅助设计系统——熊猫系统,并在攻坚多年之后,于1993年国产首套EDA熊猫系统问世。之后的国内EDA发展曲折而缓慢。因各种因素影响,国产EDA产业没有取得实质性成功,但在这个过程中,国内已经出现多个EDA厂商萌芽。据相关资料显示,在2008年,国内从事EDA研究领域涌现了华大电子、华天中汇、芯愿景、爱克赛利、圣景微、技业思、广立微和讯美等公司。之后十年发展,华大九天、芯禾科技、广立微、博达微等几个企业从国产EDA阵型中展露生机。国内EDA企业难以提供全流程产品,但在部分细分领域具有优势,个别点工具功能强大。例如华大九天是世界唯一提供全流程FPD设计解决方案的供应商,具有较强市场竞争力。广立微电子在良率分析和工艺检测的测试机方面产品具有明显优势。概伦电子在SPICE建模工具及噪声测试系统方面技术处于领先地位,业内称“黄金标准”。3.2  国内EDA产业短板3.2.1 产品不齐全目前国内EDA企业面对的第一个短板就是产品不够全,尤其在数字电路方面。SOC设计主流程的EDA工具数量中,来自Synopsys与Cadence公司的占有大部分,尤其是时序和功耗检查以及定制设计两步,完全由上述两家垄断,国产EDA在许多工具上仍有缺失。传统EDA公司在数据端,收集数据测试上通常没有布局,而本土EDA企业的优势定位在于:广立微电子在良率优化端的软件和测试机;在数据端,博达微的快速参数测试方案;在仿真输入端,中国公司具有很强的主导性;在仿真端,华大九天和概伦电子实力强劲;在后端,芯禾具有完整的解决方案和竞争力。虽然在局部形成了突破,但在像物理验证、综合实力方面离主流差距还是很大,国内EDA厂商还“没有能力全面支撑产业发展”,总体上还是很难离开三大巨头公司的平台。以华大九天为例,单独评估集成电路产业所需的EDA工具,华大九天已有的产品线占集成电路所需工具的三分之一左右,另外还有三分之二目前是空白。

国内EDA研发崛起策略:一、,目标定位整套EDA工具,国内各厂多样化合作,在研发上加大投入,积极扩展待开发领域,满足下游设计和制造领域的多样化需求;二、在现有从数据到模型再到仿真的一个完整闭环,并在机器学习、算法、数据挖掘上国内技术和国外并无太大差距的基础上,可以利用数据驱动设计绕开传统大公司的限制,这是实现本土EDA崛起又一策略。3.2.2 人才短缺、投入不足我国约有1500人的EDA软件开发工程师,但在本土EDA公司和研究单位工作的工程师只有300人左右,其他大部分都是在三大巨头工作。而放大到全球,对比于Synopsys 7000多的研发人员(当中有5000多从事EDA的研发),这个差距更是明显。在研发投入上面,国产EDA与三巨头相比也差距明显。据半导体行业观察资料显示,本土EDA企业龙头华大九天,过去十年间所投研发资金也只有几个亿,而Synopsys2018近一年的研发投入约为10.8亿美元,Cadence2018年的研发投入约为8.7亿美元。3.2.3 市场培育较难,市场拓展周期较长目前,EDA市场被三巨头垄断,国产EDA生存环境十分狭小,即使能够研发出全套的EDA工具,在短期内也难以与三巨头企业的产品抗衡。国产EDA缺乏市场,反作用于EDA的研发,造成恶性循环。目前国际环境存在不确定性,美国对中国高新技术产业的限制仍在继续,这给我国的IC产业带来了巨大挑战,但同时也面临着新的机遇。国产EDA公司化危为机,市场生态迎头赶上,是实现国产化替代、产业自主可控的重要一步。3.2.4 缺乏与先进工艺的结合EDA是设计和工艺对接的纽带,而国内EDA厂商与先进工艺结合比较弱。一方面,三大EDA公司有天然优势,在新工艺开发阶段与全球领先的晶圆制造厂进行全方位合作,因此对工艺理解很到位。国内EDA厂商只能在工艺开发完以后拿到部分数据,无法接触到先进工艺的核心部分,难以针对先进工艺设计、改良EDA软件,造成与三巨头的客观差距。另一方面,国内在PDK方面不足,对国产EDA发展不利。EDA工具与工艺结合的重要支撑是工艺设计套件(PDK),PDK开发非常复杂,需要较大投入,目前国内EDA厂商都比较缺乏PDK基础,这与中国整个半导体生态不够成熟直接相关,需要半导体行业整体的进步。解决与国产EDA与先进工艺方面结合缺失的问题,既需要国内晶圆厂提高自身的制造技术,又需要EDA企业加强和国际先进晶圆厂的合作。打造本土EDA全方位竞争力,需要产业链各界的共同努力。

· 2019-09-05 10:05  本新闻来源自:华强微电子,版权归原创方所有

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