計算機行業深度研究-汽車智能化與工業數字化專題（下）EDA軟件研究框架EDA軟件是集成電路行業上游的必備工具EDA（ElectronicDesignAutomation，電子設計自動化）是指利用計算機輔助設計（CAD）軟件，來完成超大規模集成電路（VLSI）芯片的功能設計、綜合、驗證、物理設計（包括布局、布線、版圖、設計規則檢查等）等流程的設計方式。工程師利用EDA工具，將芯片的電路設計、性能分析、設計出IC版圖的整個過程交由計算機自動處理完成。EDA的應用包括模擬電路、數字電路、FPGA、PCB、面板等多個領域的設計工作。狹義的EDA概念僅針對IC設計環節所提供的自動化工具，而廣義的EDA概念則包括從IC設計、IC制造到封裝測試各環節所提供的自動化工具。芯片的復雜程度和集成度上升，產業分工以及設計成本攀升，使EDA軟件也成為了集成電路上游的必備工具。上世紀六十年代，早年的集成電路僅有幾個管子，依靠傳統的手工畫圖便可完成功能的計算。隨著集成電路的復雜程度增加，設計師開始采用簡單的CAD工具進行芯片設計。在1980年，卡弗爾米德和琳康維提出了通過編程語言進行芯片設計的思想，真正奠定了集成電路行業發展的基礎，是IC設計自動化的主要標志。自此，集成電路行業迎來了高速發展的四十年。EDA軟件也伴隨著集成電路行業的發展一步一步成為行業的必備工具，主要有以下三點原因：復雜度上升：單個芯片內部的晶體管數量在“摩爾定律”的推動下每18個月翻一倍，如今5nm的芯片可以容納125億個晶體管，未來的3nm芯片將容納近160億個晶體管。如果沒有一套高度自動化的設計工具與設計流程，這100多億個晶體管的芯片設計圖紙是無法完成，IC設計早已無法再單純依賴設計師手工設計，必須依靠EDA工具完成電路設計、版圖設計、版圖驗證、性能分析等工作；產業分工：集成電路行業設計規模的增大，技術復雜性的增大，也帶動集成電路產業轉向分工模式，從IDM（IntegratedDeviceManufacture）模式轉變成“Fabless（芯片設計公司）+Foundry（晶圓代工廠）+OSAT（OutsourcedSemiconductorAssemblyandTesting，封裝與測試廠）”的模式；設計成本攀升：在“摩爾定律”的推動下，IC的設計成本逐代攀升。根據IBS的數據，集成電路設計成本從28nm的5130萬美元躍升至7nm芯片的2.978億美元，5nm芯片的5.422億美元。往往幾次流片的失敗就可能會讓一家芯片設計初創公司丟失生命，高筑的IC設計成本也讓EDA軟件愈發重要。因此，EDA軟件也成為了集成電路領域的上游基礎工具，貫穿于IC設計、制造、封測等環節。Foundry、Fabless以及EDA供應商在產業鏈中并非線性關系，而是三角關系，PDK是三者間的紐帶。PDK（ProcessDesignKit），即工藝設計套件，是鏈接Foundry、Fabless以及EDA供應商之間最主要的橋梁和媒介。PDK是一組描述半導體工藝細節的文件，由晶圓代工廠提供，供芯片設計EDA工具使用。PDK一般會包含反映制造工藝基本的元素：晶體管、接觸孔，互連線等。PDK的內容中包括設計規則文件、電學規則文件、版圖層次定義文件、SPICE仿真模型、器件版圖和期間定制參數等。客戶會在投產前使用晶圓廠的PDK，確保晶圓廠能夠基于客戶的設計生產芯片，保證芯片的預期功能和性能。所以，開始采用新的半導體工藝時，首先要做的事就是開發一套PDK，PDK用Foundry晶圓代工廠的語言定義了一套反映Foundry工藝的文檔資料，是IC設計公司用來做物理驗證的基石，也是流片成敗關鍵的因素。EDA工具實現了對各類IC設計流程的全覆蓋。從結構上，芯片可以分為數字芯片、模擬芯片以及數模混合芯片。而芯片設計流程主要可以分為半定制IC設計流程與全定制IC設計流程，半定制的設計流程一般用來設計數字IC，全定制設計流程一般用于設計模擬IC和數模混合IC。目前海外成熟的EDA公司都對各類IC設計流程的各個環節實現了全覆蓋。IP核（IntellectualPropertycore），即知識產權核或知識產權模塊，是經過反復驗證過的、可以重復使用的集成電路設計宏模塊，主要應用于專用集成電路（ASIC）或者可編輯邏輯器件（FPGA）。根據產品交付方式的不同，可以分為軟IP、固IP和硬IP，與此相對應的產品形式分別為HDL語言形式，網表形式、版圖形式。IP授權的出現也是源自于IC設計行業的產業分工。根據摩爾定律，高性能芯片設計難度將不斷在加大，想要獨立完成所有芯片的設計工作，需要大量的研發資源和成本。對應之下，使用經過驗證的IP核可以有效降低設計風險和成本，提升產品性價比。Fabless無需再對芯片每個細節進行設計，只需通過購買成熟可靠的IP方案，就可實現某個特定功能。通過IP授權能縮短產品上市時間，避免重復勞動，Fabless可以將精力更多地用于提升核心競爭力的研發中。SoC（SystemonChip，系統級芯片）技術是從設計的角度出發，將系統所需的組件進行高度集成，將原本不同功能的集成電路以功能模塊的形式整合在一顆芯片中。隨著IC設計步入SoC時代，為了加快產品上市時間，以IP復用、軟硬件協同設計和超深亞微米/納米級設計為技術支撐的SoC已成為當今超大規模集成電路的主流方向，當前國際上絕大部分SoC都是基于多種不同IP組合進行設計的。可重復使用的即插即用的IP模塊，被認為是SoC技術中最關鍵和高效的一環。晶體管數量大幅提升，使得單顆芯片中可集成的IP數量也大幅增加。根據IBS數據，以28nm工藝節點為例，單顆芯片中已可集成的IP數量為87個。當工藝節點演進至7nm時，可集成的IP數量達到178個。單顆芯片可集成IP數量增多為更多IP在SoC中實現可復用提供新的空間，從而推動半導體IP市場進一步發展。根據IBS預測，半導體IP市場將從2018年的46億美元增長至2027年的101億美元，年均復合增長率為9.13%。簡單來說，IP就是把部分設計流程固化，當Fabless使用EDA工具進行IC設計時，可以直接把所需功能的IP模塊拿來使用，不必再重復設計。因此，IP的豐富程度也是EDA生態的重要衡量標準。對于海外成熟的EDA企業而言，IP授權業務也一直是其一項重要的收入來源。根據IPnest的數據顯示，2020年全球半導體IP市場中，除了ARM等專業半導體IP供應商外，Synopsys、Cadence這兩大EDA巨頭位列全球半導體IP市場的第二、三名，市占率分別為19.2%、6.0%。市場空間：中國成為EDA市場的重要增長動力EDA杠桿效應顯著，是集成電路行業的支點。整個集成電路行業形成了由EDA工具、集成電路、電子系統、數字經濟等構成的倒金字塔產業鏈結構，僅從市場規模來看，2020年全球市場規模EDA行業僅70億美元，IP授權行業僅50億美元，背后卻支撐著數十萬億規模的數字經濟，是整個產業鏈的命脈。中國作為全球規模最大、增速最快的集成電路市場。從2014年到2020年，全球集成電路市場規模從2773億美元提升至3612億美元，年均復合增長率4.50%，而同期中國集成電路市場規模從3,015億元提升至8,848億元，年均復合增長率達19.65%。隨著集成電路行業專業化分工的趨勢加劇，也帶動集成電路設計行業市場快速增長，從2014年到2020年，全球集成電路設計銷售規模從881億美元提升至1279億美元，年均復合增長率6.41%，而同期中國集成電路設計銷售規模從1051億元提升到3778億元，年均復合增長率達23.77%，顯著高于同期整個中國集成電路市場的復合增速。根據GIA報告，中國EDA市場2020年至2027年復合年增長率預計高達11.7%，中國已經成為全球集成電路市場的重要增長動力。目前中國已經成為半導體產品最大的消費市場，根據IBS統計，2019年中國消費了全球52.93%的半導體產品，預計到2030年中國將消費全球60%左右的半導體產品，旺盛的需求進一步擴大了中國集成電路市場規模。海外對標：復盤海外EDA三巨頭的發家之路EDA市場集中度較高，國際三巨頭Synopsys、Cadence、MentorGraphic市占率近八成。EDA行業市場集中度較高，國際三大EDA巨頭Synopsys（新思科技）、Cadence（楷登電子）和MentorGraphic（現西門子EDA部門）在國內市場占據明顯的頭部優勢，屬于具有顯著領先優勢的第一梯隊，2020年中國市場合計市占率近八成；華大九天與其他幾家企業，憑借部分領域的全流程工具或在局部領域的領先優勢，位列全球EDA研發：海外龍頭均具備極強的研發實力以Synopsys與Cadence為例，2020年兩家公司分別研發費用支出為12.8億美元和10.3億美元，Synopsys的研發費用率常年保持在35%左右，Cadence的研發費用率常年保持在40%左右，顯著超過其他類工業軟件公司。產品：實現全工具鏈、全產品線的“全家桶式”覆蓋三巨頭基本實現了EDA領域的全工具鏈覆蓋，多個拳頭產品處于行業領先地位。EDA巨頭們致力于平臺化發展，打造IC設計的產品閉環，為客戶提供全流程的服務。但由于芯片IC設計流程復雜、環節眾多，涉及到90多種不同技術。復盤海外EDA三巨頭不難發現，EDA軟件行業的發展史就是一部行業并購史，三巨頭累計參與的并購次數超過200次，三巨頭也經歷了無數次的兼并收購才實現了IC設計全流程的覆蓋。以Synopsys為例，自1990年收購Zycad的VHDL仿真業務開啟了其并購之后，在2001年收購了Avant!，使公司成為歷史第一家實現前后端完整IC設計方案的EDA廠商，公司也一舉成為行業第二，2012年又收購了全球第四大EDA廠商Magma，顯著提升了其時序收斂能力。生態：與頭部Foundry和Fabless深度捆綁綁定頭部Foundry不僅代表了市場份額，更意味著工藝的領先優勢。前文提及了F