吾輩當(dāng)自強！一文揭秘芯片之母EDA產(chǎn)業(yè)國產(chǎn)路在何方？

芯片之母，EDA了解一下？

在芯片設(shè)計領(lǐng)域，EDA軟件是不可或缺的，EDA被稱為IC設(shè)計最上游最高端的軟件產(chǎn)品，涵蓋了IC設(shè)計、布線、驗證和仿真等所有方面。起初芯片設(shè)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(lǐng)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(dǎo)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(nèi)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(nèi)EDA市場發(fā)展概況

EDA是電子設(shè)計自動化（Electronic Design Automation）的簡稱，是從計算機輔助設(shè)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(shè)計、制造、封裝、測試、銷售，芯片核心實力重心在芯片設(shè)計，而芯片設(shè)計離不開芯片設(shè)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(xì)分的行業(yè)軟件。利用EDA工具，電子設(shè)計師可以從概念、算法、協(xié)議等開始設(shè)計電子系統(tǒng)，完成電子產(chǎn)品從電路設(shè)計、性能分析到設(shè)計出IC版圖或PCB版圖的整個過程。

國內(nèi)EDA產(chǎn)業(yè)發(fā)展從上世紀(jì)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(nèi)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(zhì)成功，但近十年發(fā)展中，華大九天、芯禾科技、廣立微、博達(dá)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(yīng)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(lǐng)域，國內(nèi)廠商與三巨頭也存在著相當(dāng)?shù)牟罹?，比如在物理驗證、綜合實力等方面，國內(nèi)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(nèi)的EDA工具不全，EDA軟件要覆蓋IC設(shè)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(jié)合較差，畢竟國內(nèi)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(yīng)用周期的前夜，物聯(lián)網(wǎng)，人工智能和虛擬/增強現(xiàn)實領(lǐng)域的新機遇使得整個集成電路生產(chǎn)周期各階段的半導(dǎo)體公司都能受益。具備AI特性的EDA工具也可以幫助客戶設(shè)計出更好的芯片，并快速推向市場。

中國半導(dǎo)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(dá)到86座。同時還有全球最大的半導(dǎo)體消費市場，達(dá)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(nèi)需求。

二、芯片產(chǎn)業(yè)鏈

一）芯片設(shè)計

集成電路作為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的核心，由于其技術(shù)復(fù)雜性，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)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(xì)化，由原來的IDM為主逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镕abless+Foundry+OSAT。目前市場產(chǎn)業(yè)鏈為IC設(shè)計、IC制造和IC封裝測試。

在核心環(huán)節(jié)中，IC設(shè)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(shè)計分為前端設(shè)計（也稱邏輯設(shè)計）和后端設(shè)計（也稱物理設(shè)計），兩者并沒有統(tǒng)一嚴(yán)格的界限，涉及到與工藝有關(guān)的設(shè)計就是后端設(shè)計。從設(shè)計程度上來講，前端設(shè)計的結(jié)果就是得到了芯片的門級網(wǎng)表電路。

1、EDA工具：IC設(shè)計的最上游產(chǎn)業(yè)

在 IC設(shè)計中，邏輯合成這個步驟便是將確定無誤的HDLcode，放入電子設(shè)計自動化工具（EDAtool），讓電腦將HDLcode轉(zhuǎn)換成邏輯電路，產(chǎn)生電路圖。然后反復(fù)的確定此邏輯閘設(shè)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(shè)計最上游、最高端的產(chǎn)業(yè)，同時也是國內(nèi)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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。如果沒有了這顆基石，全球所有的芯片設(shè)計公司都會直接停擺，半導(dǎo)體金字塔就會坍塌。

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

2、TCAD：集成電路EDA核心技術(shù)

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(shè)計和工藝開發(fā)環(huán)節(jié)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，是集成電路設(shè)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(shù)的發(fā)展，其先進制造技術(shù)逐漸逼近3-5nm技術(shù)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(dāng)器件到達(dá)深納米尺度甚至原子尺度時，量子效應(yīng)將起重要作用，而傳統(tǒng)的模型沒有完備地包含量子效應(yīng)。

當(dāng)器件達(dá)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(yīng)用范疇。

AtomisticTCAD是目前全球最先進和最準(zhǔn)確的從原子尺度迚行仿真，用來設(shè)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(yīng)、實驗參數(shù)和新型器件。與傳統(tǒng)的工藝建模技術(shù)相比，AtomisticTCAD是原子級的計算機輔助設(shè)計軟件，通過對納米級半導(dǎo)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(zhǔn)確地獲得過程技術(shù)參數(shù)。它可以有效地緩解納米級半導(dǎo)體行業(yè)設(shè)計不制造中常見的難題，并有助于半導(dǎo)體制造商加快半導(dǎo)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(yīng)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)?；旌希?；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(shè)計中，包含了芯片規(guī)格的制定和詳細(xì)設(shè)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(shè)計中，包含了可測性設(shè)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(shè)計的基礎(chǔ)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（IntellectualPropertyCore）是指在半導(dǎo)體集成電路設(shè)計中那些可以重復(fù)使用的、具有自主知識產(chǎn)權(quán)功能的設(shè)計模塊，設(shè)計公司無需對芯片每個細(xì)節(jié)進行設(shè)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(shè)計SoC芯片的過程，其本質(zhì)就是尋找驗證及整合IP核的過程。IP核變成了SoC設(shè)計的基礎(chǔ)，深刻的影響著SoC的設(shè)計。隨著需求端的快速變化，上市時間越來越短，SoC設(shè)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(dǎo)體行業(yè)IP的競爭格局

半導(dǎo)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(shù)護城河的形成，無論硬件、基礎(chǔ)軟件和應(yīng)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(shè)計企業(yè)客戶的研發(fā)體系是深度耦合的，IC設(shè)計企業(yè)的技術(shù)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(luò)的建立，對于IP授權(quán)企業(yè)來說，本身就是護城河。這是由于客戶在選擇芯片設(shè)計提供商時，極為謹(jǐn)慎，會重點關(guān)注其是否有相應(yīng)的成功案例。

以上三點，決定了IP授權(quán)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(nèi)超越競爭對手。

4、IP設(shè)計的新技術(shù)：自動IP生成

常規(guī)的IP設(shè)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(gòu)設(shè)計（對于數(shù)字IP）戒模塊指標(biāo)（模擬IP）映射到電路。這樣一來，就能大大節(jié)省設(shè)計的時間和成本，同時可以做更多的設(shè)計探索，最終收斂到最優(yōu)設(shè)計。

自動IP生成領(lǐng)域?qū)ω≈袊陌雽?dǎo)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(nèi)達(dá)到全球領(lǐng)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(shè)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(guān)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(yù)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(jì)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(dá)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(yīng)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(lǐng)先，占比達(dá)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(nèi)市場寡頭壟斷的現(xiàn)象更加嚴(yán)重，三巨頭所占比例高達(dá)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(nèi)的寡頭壟斷地位，其中Synopsys的并購次數(shù)高達(dá)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(wù)需要長時間的技術(shù)積累，內(nèi)容攮括了眾多基礎(chǔ)科學(xué)，是整個工業(yè)軟件的智慧結(jié)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(dǎo)體行業(yè)的第一個環(huán)節(jié)，是制造和設(shè)計的紐帶。EDA與工藝設(shè)計強相關(guān)，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(shè)計流程的工程師、數(shù)學(xué)與業(yè)人才、應(yīng)用及技術(shù)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(lǐng)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(zhì)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(nèi)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(nèi)的高度壟斷，導(dǎo)致了國內(nèi)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(shù)積累和資金投入

EDA企業(yè)的發(fā)展離不開長期的技術(shù)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(yán)重不足

國內(nèi)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(shè)計與制造之間的關(guān)鍵部分。國際三巨頭與世界領(lǐng)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(shè)計公司提供足夠的工藝信息，因而IC設(shè)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(yù)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(dǎo)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(wù)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(nèi)EDA產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。

建議應(yīng)和中國頂級芯片設(shè)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(shù)工藝應(yīng)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(nèi)EDA企業(yè)的重規(guī)，提供與IP相關(guān)的服務(wù)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(nèi)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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