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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來說，發展國產 EDA 產業就變得尤為重要，但要從何發展，怎么發展呢？
近日，方正證券發布了《半導體 EDA 行業研究與投資報告》（以下簡稱《報告》），《報告》分析了 EDA 產業的新機遇以及國內產業發展特點，并據此提出了國產 EDA 的產業發展方向。
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文檔來源：方正證券
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 ）概念發展而來。
芯片產業鏈包括設計、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 可謂是芯片產業鏈“任督二脈”。
EDA 是廣義 CAD 的一種，是細分的行業軟件。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 產業發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 年開始研發并于 1993 年問世。之后的國內 EDA 發展曲折而緩慢，因各種因素影響，國產 EDA 產業沒有取得實質成功，但近十年發展中，華大九天、芯禾科技、廣立微、博達微等幾個企業從國產 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發展”，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節；
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，整個芯片軟件產業的發展都可能停擺，發展國產 EDA 迫在眉睫。
從全球科技產業周期的角度來看，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 企業正在追求快速增長，來滿足巨大的國內需求。
集成電路作為半導體產業的核心，由于其技術復雜性，產業結構高度產業化。隨著產業規模的迅速擴張，產業競爭加劇，分工模式進一步細化，由原來的 IDM 為主逐漸轉變為 Fabless+Foundry+OSAT。目前市場產業鏈為 IC 設計、IC 制造和 IC 封裝測試。
在核心環節中，IC 設計處亍產業鏈上游，IC 制造為中游環節，IC 封裝為下游環節。
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
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，產生電路圖。然后反復的確定此邏輯閘設計圖是否符合規格并修改，直到功能正確為止。
EDA 是芯片設計最上游、最高端的產業，同時也是國內芯片產業鏈最為薄弱的環節。
從市場價值來看，整個 EDA 軟件的全球市場規模不足一百億美元，卻撬動了 5000 億美元的半導體產業。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（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環節中發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展，其先進制造技術逐漸逼近 3-5nm 技術節點，傳統的 TCAD 將面臨巨大的困難和挑戰。
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。
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 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，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。它可以有效地緩解納米級半導體行業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，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，包含了芯片規格的制定和詳細設計、HDL 編碼、真仿驗證、邏輯綜 合、靜態時序分析（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展階段：
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、具有自主知識產權功能的設計模塊，設計公司無需對芯片每個細節進行設計，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模式，縮短了芯片開發的時間，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 IP 的競爭格局
半導體 IP 行業的客戶積累，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，都需要長時間研發投入的積累。
由于 IP 模塊和芯片設計企業客戶的研發體系是深度耦合的，IC 設計企業的技術積累，全都基于所采用的 IP，因此遷移成本較高。
上下游生態網絡的建立，對于 IP 授權企業來說，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，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，最終收斂到最優設計。
自動 IP 生成領域對亍中國的半導體行業有重要價值，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。
全球 EDA 市場現狀：行業規模增大，整體增速較低。
隨著 EDA 行業的發展，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 行業市場規模不斷提高，但整體增速不高。據統計， 2018 年全球 EDA 行業市場規模為 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。
2019 年第一季度資料顯示，SIP 市場規模約為 8.66 億美元，占行業總收入約 33.36%；CAE 市場約為規模 8.41 億元， 占比約為 32.38 %；PCB&MCM（印刷電路板和多芯片模塊）市場規模 2.24 億美元，占比約為 8.63% 。
從區域來看，北美地區是 EDA 軟件行業發展最好的地區，在全球市場占比高達 42.7%；其次是 APAC 地區（亞太地區 ） ，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( 歐洲、中東和非洲地匙）和日本地區， 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%。
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 產業為寡頭壟斷的狀態。
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 產業的發展是離不開并購擴張的。
3、產業投資周期長
EDA 行業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，是整個工業軟件的智慧結 晶。
4、需建立產業生態圈，產業鏈上下游聯動支持
EDA 作為半導體行業的第一個環節，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，所以必須獲得產業鏈上下游支持，建立產業生態圈，才能更好的發展。
5、對人才需求強烈
EDA 行業需求的人才主要是工具軟件開發人才，工藝及器件背景的工程師、熟悉 IC 設計流程的工程師 、數學與業人才、應用及技術支持人和銷售類人才，就業面相對窄。
中國 EDA 產業一路走來，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、概倫電子等一批優質企業。
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 企業的發展離不開長期的技術積累和高額的研發資金投入，國產 EDA 公司和國外龍頭相比仍有較大發展差距。
3、本國 EDA人才需求嚴重不足
國內做 EDA 研發的人大約有 1500 人，其中約有 1200 人在國際 EDA公司的中國研發中心工作，真正為本國 EDA 做研發的人員，只有 300人左右。
4、EDA 產業上下游的支撐
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、產業并購
EDA 行業在過去的十五年從自由競爭走向寡頭壟斷。中國 EDA 企業由于信奉“造不如買”的理念，錯失了在激烈競爭中以戰養戰的機會。
2018 年我國 EDA 軟件市場規模約為 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 的市場規模將迎來新的一輪增長。
過去十年，中國大陸半尋體產業呈現出上升趨勢。正在與其他地區的半導體產業競爭 。其中大陸的競爭主力軍為 Fabless 企業，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展空間。這也是我國未來幾年不斷發展和壯大國內 EDA 產業的基礎。
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 企業的重規，提供與 IP 相關的服務和工具是可以考慮的發展方向之一。
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。現在中國已開始在一定程度上支持 EDA 工具的開發，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，意味著它們有發展和改善環境的潛力。未來 EDA 發展之路，還得靠腳踏實地、一步一個腳印地走出來。
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