(报告出品方/作者:平安证券,付强、闫磊)

一、现状与趋势:EDA门槛高、市场窄,但国产化必须突破

市场急需:EDA等工业软件短板凸显,被“卡脖子”的风险上升

EDA是芯片之母,美国政府曾利用其对我国IT企业进行精准打击。2020年5月,美国政府升级了对华为的制裁,进一步限 制华为获得软、硬件的能力,禁售含美国技术的软件。其中,EDA的禁售影响最大,直接限制了华为海思的高端芯片的设 计能力。此外,美国还对哈工大、哈工程实施制裁,要求断供设计仿真软件Matlab,对相关机构的研发造成干扰。

拜登政府上台之后,对中国EDA出售的限制可能会更多。近期,一些美国议员开始敦促美国现政府对华限售半导体设备和 设计软件EDA。我国作为主要的电子信息制造大国,如果在最底层的设计工具持续受制于人,就很难在国际竞争中立足。

国家重视:构建新型举国体制,支持EDA等领域取得突破

美国对中国科技领域的打压,彻底割裂了此前业界笃信的“全球产业链”,根深蒂固的“造不如买”的执念彻底被打破。 针对EDA这些关键环节,国务院在出台的政策文件中明确指出,要通过构建社会主义市场经济条件下关键核心技术攻关新 型举国体制来解决,并利用国家重点研发计划、国家科技重大专项予以扶持。

举国体制作为社会主义国家的一大优势,可以集中“产学研用资” 的力量办大事。国家将集成电路设计工具的研发列入 “新型举国体制”的重要突破点,足见党中央和国务院对这个领域的重视。

资本热捧:EDA企业数量快速增加,融资次数更为频密

企业数量快速增长。2020年末,国内EDA企业数量达到28家。从2014年开始,每年都会新增3-5家的EDA企业,市场参与者 快速增多。

投、融资两端表现得更为活跃。在2018年之前,行业关注度比较低,市场投、融资都较为平淡。但是,中美贸易战开始之 后,行业成为市场关注的重点,资金开始积极进入。2020年就有9家企业完成了15次融资;2021年前两个月已经有6家企业 完成了7次融资。

何谓EDA:电子设计自动化工具,是IC产业最上游的子行业

EDA是电子设计自动化(Electronic Design Automation)的简称,是广义计算机辅助设计(CAD)的一种,是芯片设计的基础 工具。利用EDA工具,工程师可以实现芯片的电路设计、性能分析、出版图等过程的计算机自动处理完成。

随着超大规模集成电路的持续发展,晶体管密度快速上升,芯片设计难度持续加大,加上工艺变革的加快,电子工程师更加 需要利用EDA工具来提升逻辑综合、布局布线、仿真验证的效率,EDA变得越来越重要。

发展历程:正处4.0阶段,工具功能更强大、自动化水平更高

计算机辅助设计(CAD)阶段

发展过程:上世纪70年代 以前,设计人员依靠手 工完成电路图的输入、 布局和布线;70年代中 期,可编程逻辑技术出 现,开发人员尝试实现 整个设计工程的自动 化,开始运用CAD进行 PCB设计。

主要功能:电路仿真、 逻辑仿真与测试、MOS 时序仿真、PCB版图系 统、布线以及规则阵 列。

计算机辅助工程(CAE)阶段

发展过程:随着超大规模 集成电路 的发展,电子系 统变得更为复杂,语言编 程开始应用于芯片设计。 这个阶段出现了硬件描述 语言VHDL和Verilog,为 EDA的商业化奠定了基 础。

主要功能:测试与验证、 仿真(更快、更精确)、 硬件描述语言出现、硬件 加速、系统级设计(高层 次设计)。

电子系统设计自动化(EDA)阶段

发展过程:硬件语言趋于 标准化以及芯片设计技术 在不断丰富,EDA设计工 具快速普及和发展,这一 阶段也是EDA发展的黄金 期。设计手段包括全定制 设计、半定制设计、ASIC 设计、标准单元库、门阵 列、可编程逻辑阵列等。

主要功能:实现从系统行 为级描述到系统综合、系 统仿真与系统测试,真正 实现了设计的自动化。

现代EDA技术

发展过程:EDA软件工具功 能更为强大;更大规模的可 编程逻辑器件不断推出,系 统级、行为级硬件描述语言 趋于更加高效和简单。

主要功能:能自动地完成用 软件方式描述的电子系统到 硬件系统的逻辑编译、逻辑 化简、逻辑分割、逻辑综合 及优化、布局布线、逻辑仿 真,直至完成对于特定目标 芯片的适配编译、逻辑映射 和编程下载等工作。

应用效果:提供优秀的PPA表现,缩短设计周期并降低设计成本

EDA可以提升设计自动化水平和产品性能,缩短设计周期。通过EDA的应用,设计企业可以自主验证设计方案的正确 性,对电路特性进行优化设计和模拟测试,大幅度提升工程师的设计效率,满足芯片日益缩短的上市周期要求。同时,通 过EDA对设计的持续优化,设计企业可以让所设计的芯片具有更好的PPA(能耗、性能、面积)表现。尤其是在SOC(系 统级芯片)设计环节中,EDA在提升PPA方面的作用表现的更为突出。

EDA对成本节省的效果十分明显。据Kahng教授在2011年的测算,当年一颗最先进的SOC,比如5nm的芯片,在使用EDA 情况下,设计费用应该在4000万美元左右。但如果没有EDA,即使不考虑时间成本,费用会增长200倍。

行业特点:生态锁死、技术难度大且进入门槛高

生态锁死:IP厂商、EDA厂商、芯片设计公司及晶圆厂上下游企业深度绑定。尤其是在先进工艺节点上,各方通过紧密合作、反复迭代,最终实现产品量产。龙头EDA厂商也正是利用这种联盟,始终把控着设计工具的尖端市场。

技术难度大:芯片上单位面积上集成的晶体管数量还在高速增加,物理和工艺问题日趋复杂,算法高度密集。因此,对设计工具的可靠性和经 验积累要求非常高,任何细微的电气特性的错误都会持续放大造成流片失败。此外,随着流片成本持续上扬,客户对流片失败的容忍度持续下 降,一般成熟的工具由于经过了市场的持续检验,不会出现由于工具问题造成流片的失败,相反新进入企业获得市场认可和信任的难度很大。

市场狭窄而且拥挤:虽然支撑着超过3万亿美元的大市场,但自身规模非常小,新进入者在这个市场上,将直接面临着巨头的竞争,被挤出市 场或者被收购的风险都很大。行业市场规模大概相当于半导体行业销售规模的2.5%左右,该比重这两年虽然有所提高,但是很难再往上。这和 行业的工具属性和议价能力相对较弱有关系。

市场格局:美国市场掌控力最强,国产EDA受挤压明显

从收入区域结构来看,美洲地区规模最大,其次是亚太(不含日本)。ESD统计数据显示,2020年,EDA美国市场销售收 入接近49亿美元,占整个EDA收入的比重为43%;亚太地区(不含日本)占总收入的比重为35%,其中最主要的市场是中国 大陆和中国台湾省;欧洲、中东和北非市场收入占总收入比重约为14%。

美国在上游设计工具、核心IP以及制造设备等领域有着强大的影响力,尤其是在EDA领域,美国一家的增加值就占到全球 的85%,EDA三巨头中前两家都是美国公司。美国竞争力最强的三个领域,恰恰是我国半导体行业的短板所在,其中EDA 突破的难度和紧迫性都更高。

发展趋势:平稳并不平凡,AI芯片、云计算和异构等都存在机会

EDA作为一个成熟行业,Research and Markets预计2019-2024年年间的平均增速为7.8%,增长较为缓慢。但是,行业依然存 在行业性的发展机遇,尤其是在“云物移大智”广泛应用的当前和未来,EDA都面临巨大的机会。

二、寡头竞逐:通过高强度研发和频繁并购,垒就产品和生态高墙

全球格局:新思科技、楷登电子和西门子“三巨头”主导市场

全球EDA市场被Synopsys(新思科技)、Cadence(楷登电子)和Mentor Graphic(2016年为西门子收购,收购后未公布公开 数据)主导,三家厂商的市场份额估计超过60%。从产品和服务情况看,新思半导体、楷登电子这两公司竞争力比较强, 能够覆盖电子设计全部流程;Mentor虽然产品线没有其他两家全面,但在PCB(印刷电路板)设计工具领域的优势明显。 其他厂商,如ANSYS、PDF SOLUTIONS、SILVACO、华大九天等,多数都是在点工具上发力,还很难与三巨头抗衡。

巨头特点:先发优势明显,技术、人才和生态壁垒高企

共同点:

1)拥有多年研发、专利和设计工具积累,先发优势凸显;

2)人才壁垒高企;

3)均同设计、制造等环节形成了 深度合作关系,新工艺、新IP和新EDA工具相互促进,生态健壮;

4)发展路径类似,内部研发和并购均在发力。

差异点:各家在发力方向上有侧重。新思科技主要集中于复杂芯片的开发,综合工具和时序分析工具在市场上几乎一统江 山;楷登电子在模拟或混合信号的定制化电路、版图设计、PCB设计方面有着较强的竞争力;Mentor在后端布局布线、 PCB方面有优势,但是工具集成度上较前两家弱一些。

新思科技:通过内生研发和外延拓展稳固其EDA行业第一宝座

公司成立于1986年,由通用电气Aart de Geus带领的团队创立,是EDA2.0时代的典型企业。公司从逻辑综合软件业务起 家,并通过市场拓展、外部并购以及内部研发等方式持续做大。公司在2008年开始超越Cadence成为全球第一大EDA厂 商,此后持续保持着行业领先的地位。通过持续的并购和研发,公司不断获得新的能力和市场,收入保持稳步增长。

新思科技:产品线最完整,优势在综合及Signoff工具

新思科技居EDA三大巨头之首,产品线最为完整,不但在为芯片设计和验证提供工具,还能够提供强大的IP核以及安全方 案。公司在市场上最强的产品有两个:一个是公司看家本领——逻辑综合工具DC(design compiler),另一个就是时序分 析工具PT(prime time)。通过这两大产品, Synopsys建立了完整的芯片设计数字化流程,可以说是集广、大、全于一身。

新思科技:收入仍处在稳定增长期,但客户结构出现明显变化

公司收入延续持续增长势头。公司从2006年开始,虽然经历多次宏观经济的波动,但收入仍保持着持续增长,而2020年公司收入增 速还在加快。其中,公司的license授权模式很大程度上平抑了需求上的波动,公司授权时间一般是三年,收入分年确认。

2020年,公司芯片设计、PCB和MCM(多组件芯片)保持增长,主要是因为新冠疫情防控的市场需求(如监测防控、检验检测、 治疗救治、远程办公等),给芯片、半导体、电路板等行业带来新的市场需求。疫情对公司的负面冲击也存在,由于大量工厂停 工,公司客户结构出现剧烈变化,造成2020年公司CAE(计算机辅助工程)领域的营收大幅减少。

新思科技成功之钥1:同设计、代工等企业保持着紧密的客户关系

EDA作为设计工具软件,虽然设计和验证可以选用不同厂家的产品,但是客户粘性还是非常的高。针对大客户,新思科技 通过合作研发等方式提供设计、验证解决方案。目前,公司主要的合作伙伴包括ARM、英特尔、三星、台积电、格罗方德、 联电、以色列高塔半导体等。ARM虽然体量不大,但其作为移动、汽车电子以及嵌入式芯片领域的IP授权龙头,生态网络 健全。公司通过与ARM深度合作,可以快速渗透到所有ARM-Based芯片设计厂商;此外,公司与英特尔的绑定也非常深。

新思科技成功之钥2:持续高强度研发,形成技术和IP门槛

新思科技在EDA市场的坚实地位,很大程度上依托其在研发方面的持续高投入。公司每年研发费用占收入的比重高达35%左 右,15000名员工中有80%是工程人员。

持续高额的研发投入,一方面使得公司EDA产品的深度和广度都得到持续的提升,形成了一栈式的设计、验证方案的提供能 力;另一方面也使得公司成为了IP授权领域的巨头。IPNest数据显示,2020年,公司在全球IP市场上稳居第二位,仅排在 ARM之后,尤其是在有线接口、模拟与混合信号、内存编译器或其他内存编译器等领域,均处于市场领先。

新思科技成功之钥3:大量并购,形成设计前、后端完整能力

主要并购诉求:从公司的定位看,就是要为客户提供整体的 优化设计环境,通过持续并购打造完整的产品拼图是实现这 一定位的最好方式。公司首次并购发生在1990年,并持续到 现在,总计超过百起,前后端能力持续得到补强。近年来, 公司在有意识地通过并购补齐软件、IP和安全方面的能力。

重要并购:

1)1990年,收购了Zycad公司的VHDL仿真业务,使得公司掌 握了前后端一体化的EDA能力。

2)2001年,公司斥资8.3亿美元收购Avant!,进一步提升了 后端布局与布线方面的能力。凭借着这一优势,公司在2008 年收入超越Cadence居市场首位。

3) 2012年,公司收购当时全球第四大EDA厂商Magma,时序 收敛上的能力明显提升;同年,公司收购了中国台湾的思源 科技(SpringSoft),补齐了系统级芯片的纠错与全定制工具。

4)2020年,公司并购步伐还在加速,完成收购6起,包括 INVECAS部分IP资产、芯片内监控解决方案厂商Moortec。

新思科技的未来:发力汽车电子设计工具和IP,探索云化转型

横向拓展:顺应当前客户结构变化的大趋势,更加关注新领域尤其是汽车电子客户的在设计和IP方面的需求。

模式转变:探索云化转型,逐步改变传统依托授权的模式,利用云化实现按需、按使用时长付费,提高用户粘性。

楷登电子:公司具备全流程电子设计产品线,率先进入中国市场

公司由ECAD Systems和SDA Systems两家EDA创业公司在1988年合并而成。公司通过持续研发和并购,形成了覆盖电子设 计的整个流程的产品线,与新思科技在这个市场上持续竞争。值得关注的是,公司在1992年就率先进入了中国大陆市场。

楷登电子:在模拟、PCB设计等细分领域的能力更为突出

楷登电子为EDA业界第二厂商,仅次于新思科技。公司拥有一套完整流程的电子设计工具,覆盖从半导体芯片到电路板设 计乃至整个系统,全球知名半导体与电子系统公司均将楷登电子软件作为其全球设计的标准。

公司在模拟或混合信号的定制化电路、PCB电路设计、版图设计方面的能力更胜一筹。公司的收入自2009年起一直呈现上 升的趋势,2020财年公司获得收入26.83亿美元,同比增长14.85%。

楷登电子:通过持续的高研发投入和外延兼并保持市场地位

公司在EDA市场的领先地位得益于公司长期高研发投入积 累的研发创新能力,以及数十次的通过外延兼并覆盖产业 和技术。公司多年来持续高强度的投入,研发占比维持在 40%左右。2020财年,公司研发费用为10.34亿美元,占公 司总收入比重为38.54%。

楷登电子:美国和亚洲是其主要市场,中国市场的重视度非常高

我们从公司的收入来源地看,美洲、亚洲市场是最主要的市场,其中来自美洲市场的收入占总额的42.29%,来自中国、日本及其 他亚洲国家的收入总占比达到39.99%。

公司对中国市场非常重视,在北京、上海、深圳等地设立了分公司。2020财年,公司来自中国市场的收入占公司总营收比重的 15.17%。公司积极与本土厂商合作,并为本土厂商、高等院校、初创企业等提供本地化服务。

Mentor Graphics:公司起步较早,PCB解决方案优势突出

Mentor Graphics成立于1981年,上世纪80年代曾一度是EDA市场上的龙头。但随着Synopsys和Candence的进入、EDA市场竞 争的加剧,公司面临的经营压力也在增大。2016年,公司被西门子以45亿美元的价格收购,成为其旗下机构Siemens PLM Software的一部分。

Mentor与另两家龙头厂商相似,通过不断的外延并购和自主研发覆盖IC设计领域更多的产品线,但是在布局上有一定差 距。公司的核心是EDA软硬件耦合,在PCB解决方案、模拟硬件系统、布局布线工具、后端验证确认、可测试性设计 (DFT)、光学临近修正、Calibre signoff等领域具有优势。

三、曙光初现:国产EDA发展寒冬已过,但追赶之路道阻且长

沿革:国内EDA工具在困难中成长,目前处在发展提速阶段

国内EDA行业发展经历十分波折,经历了西方全面封锁期、集中突破期、沉寂期、缓慢发展期,2018年之后进入快速发展 阶段。在1994-2008年间,虽然行业受到海外厂商的全面压制,但是国产EDA发展的种子依然还保留着。原“熊猫系统”的 班底——北京集成电路设计中心,依然在苦苦坚持,2009年成立华大九天,并持续承担着核高基项目——EDA的研发。

现状:国内EDA市场规模较小且国产化水平低,竞争格局分散

据市场测算,国内EDA市场规模在5亿美元上下,在全球EDA市场规模中占比非常小。在这个市场上,主要还是为新思科 技、楷登电子和Mentor三巨头把控(90%以上),国产化率不足10%,非常低,且竞争格局分散。

差距:以点工具为主,对数字电路全流程和先进工艺等支持不足

国内厂商除了华大九天在模拟电路和显示面板方面可以做到全流程工具支持之外,其他的多是以提供点工具为主。

国产工具在先进制程方面的短板尤为明显,目前全流程最高可以支持28nm,制造和封测环节的支持能力也非常薄弱。

缺乏持续验证和迭代的IP库,可用性差、效率低;产业生态存在巨大差距,人才缺失严重。

机遇:政策、市场环境向好,国产EDA将迎来发展“春天”

数字经济快速发展,数字产业化和产业数字化都将提速,国内对算力尤其是芯片的需求将快速增长。

国内芯片国产化提速,设计、制造和封测能力都在提升,国产EDA将获得更多的市场空间。尤其是制造环节,中国大陆在未 来10年间新增产能占全球的比重将达到40%,期末份额也将达到24%,较2010-2020年提升明显。

AI与云计算等新技术的持续演进,汽车、物联等新的场景快速落地,同样给国内EDA企业带来了新的契机。

政策环境向好,重视程度提升,国家将在“十四五”期间实现集中突破,资金、知识产权、人才培养等领域支持力度加大。

国产EDA龙头之华大九天:国内规模最大、技术实力最强

华大九天成立于2009年,大股东是中国电子,大基金也是股东之一。目前,公司正在接受科创板上市辅导,有望成为首家 上市的“纯”EDA公司。

公司是目前国内规模最大、技术实力最强的EDA企业,人员和业务规模占国产EDA半壁江山,已实现商业化产品20余种, 占主流EDA工具一半以上。产品方面,华大九天可提供模拟/数模混合IC设计全流程解决方案、数字SoCIC设计与优化解决 方案、晶圆制造专用EDA工具和平板显示设计全流程解决方案。

国产EDA优秀企业之芯和:IC设计、封测仿真竞争力较强

芯和半导体是国产EDA的重要力量,可以提供覆盖IC、封装到系统的全产业链仿真EDA解决方案,可用于新一代高速高 频智能电子产品的设计。芯和半导体自主知识产权的EDA产品和方案在半导体先进工艺节点和先进封装上不断得到验证, 并在5G、智能手机、物联网、人工智能和数据中心等领域得到广泛应用,有效联结了各大IC设计公司与制造公司。

中望软件:在天线、高频组件等领域的电磁仿真领域有突破

中望软件是国内2D、3D CAD软件龙头企业,近年来也在积极向CAE,尤其是EDA领域拓展。目前,公司在EDA领域的主 要产品是中望电磁仿真软件。中望电磁仿真拥有精确的求解器、完善的前处理和强大的后处理能力,可帮助用户高效完成 天线、高频组件微波器件等相关产品的仿真和分析。

华为的EDA之路:自研、合作和投资,培育早期企业打造生态

华为受到美国严厉制裁之后,EDA三巨头与华为的合作终止。华为为了应对这一艰难局面,采取了三项举措:

1)加大自 有EDA工具研发,开始招募EDA人才;

2)与华大九天等国内EDA龙头开展合作,开始国产化替代;

3)开始利用资本手 段,培育华为体系EDA力量。

华为投资的标的目前都处在发展的早期,包括湖北九同方微电子、无锡飞谱电子和上海立芯软件,涉及到芯片的云化设 计、电磁性能分析、综合布局等细分领域。从华为投资的目的看,主要将这些企业的产品和服务作为“备胎”,让这些企 业的产品有人用,培育起市场和生态。

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