芯片产业皇冠上的明珠—EDA


中国的EDA企业正面临在“夹缝中求生存”的局面,但同时也面着巨大的机遇。

出品|每日财报

作者|刘雨辰

近段时间,美国极限打压华为,全球前三大芯片生产商禁止向华为出售芯片,这让芯片国产替代势在必行。

芯片产业链包括芯片设计、晶圆制造、封装、测试等环节,芯片设计分为前端设计和后端设计。此前,《每日财报》已经介绍过不少的芯片上下游产业链,这次重点讲述EDA 。

EDA 是电子设计自动化(Electronic Design Automation)的缩写,在20世纪 60 年代中期从计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助测试(CAT)和计算机辅助工程(CAE)的概念发展而来。

EDA主要应用于芯片设计环节,位于芯片产业链上游,是依赖性极强的设计工具。很多人并不理解EDA和芯片的结合。实际上,芯片产品只要制造出来就不可更改,所以需要用EDA软件进行虚拟的设计、模拟、仿真,以便在真实产线上流片生产的时候一次性成功,从而减少设计成本和时间成本。

小市场,大前途,高难度

2019年全球 EDA软件市场规模103亿美元,同比增长6%,这一数值相对4500亿美元的全球半导体市场而言微不足道,EDA软件在整个半导体产业链中的产值较小,增速和半导体增速相近。

尽管市场规模只有100亿美元左右,但EDA软件却主宰着全球4000亿美元的全球半导体市场,以及 1.7万亿美元的整个电子产业。毫不夸张的来说,EDA软件是电子产业最上游、最高端的产业,驱动芯片设计、制造、终端应用。换句话说,下游的任何创新都需要EDA软件的创新支持,从而驱动EDA的创新。

除此之外,EDA行业的难度和壁垒与日俱增。摩尔定律下,IC芯片的复杂程度和集成度不断提升,IC设计对EDA的要求与依赖也是越来越高,芯片的关键尺寸缩小到 65nm、28nm、14nm、7nm,每一代芯片设计的算法都会有50%的代码需要重新编写,而到 3nm 纳米级的时候,还会出现更多未知的物理现象,这些对 EDA 软件的要求会越来越高。

与此同时,IC芯片从传统的单一功能的芯片发展到数字模拟混合电路,SOC,3DIC,IP复用,多功能集成系统等复杂系统芯片,而目前EDA的产品与设计流程都需要做相应的增强和调整。很多新算法还存在与 EDA 软件不相通的情况,例如AI芯片设计、软件算法开发,而这恰恰是EDA未来的大机会,新应用、新算法可将EDA市场规模扩张两倍至300亿美元。

从 EDA 行业龙头发展历程看,EDA 行业是厚积薄发的生意,需要很长的前期积累,Synopsys 和 Cadence 两大巨头的研发费用分别高达35%和40%以上,而且EDA产业并不能独立发展,相关公司需要借助晶圆厂积累的大量测试数据探索物理效应和工艺实施细节的准确和高精度模型化,这就在无形中增加了壁垒。

当代工厂开发出新工艺,EDA 软件厂商就需要获得代工厂新工艺的PDK工具包,基于 PDK 工具包开发新版本软件。顶尖 Fabless公司将基于此模型和工具进行芯片设计与试产,并且依托强大和丰富的芯片设计不断发现和排除新工艺节点在模型和制造中的各种量产问题,在此期间,需要晶圆厂、Fabless、EDA 等产业链环节的通力合作,反复迭代。

需要注意的是,破解版软件的思路在目前的EDA 软件领域已经行不通,在90nm以上,用破解版软件尚可,因为 90nm以上的工艺基本定性,改变小。而90nm以下的先进工艺,随着应用的增多,各种测试反馈,会不断调整晶体管器件模型、设计规则、不断优化迭代让良率达到最高。

最频繁的时候一个月就要更新一次工艺库,而只要工艺库更新,EDA 软件就要跟着更新,更新一次 EDA 软件就要收费一次,且每次购买的有效使用时长在3年左右。所以,从收费模式看,EDA 软件工厂的收入随着代工厂工艺更新而增加,越先进的工艺,更新越频繁,EDA 软件厂越受益。

本土企业在夹缝中寻求突破

纵观全球产业格局,大部分EDA 软件市场被美国的Synopsys、Cadence、Mentor Graphics等三大企业占据。其中Synopsys占据约32.1%的市场份额,Cadence占据22%的市场份额,西门子旗下的Mentor Graphics占据10%的市场份额,三大EDA软件厂商全球市场份额超过64%,在中国的市场份额更是超过95%,二线厂商Ansys、华大九天和Sivaco等合计市占率达到15%左右。

Cadence是最早一家进入中国市场的EDA供应商,在Cadence进入中国的第二年。另外两家EDA厂家Synopsys和Mentor Graphics也悄悄进入中国。在九十年代,中国的集成电路设计EDA市场基本被这三家瓜分,只是在设计工具的不同领域各领风骚而已,国产软件熊猫只占有极小的一部份领地。

我国EDA 软件研发始于20世纪八十年代,1986年我国自有的集成电路计算机辅助设计系统-熊猫系统开始研发,熊猫系统于1993年研发成功。目前国内 EDA软件公司主要有华大九天、芯愿景、芯禾科技、广立微电子、博达微电子、蓝海微科技、奥卡思微电、概伦电子等。

相对国际巨头,国产EDA差距有三方面:首先是缺少数字芯片设计的核心工具模块,无法支撑数字芯片全流程设计;其次是对先进工艺支撑不够,暂未进入先进代工厂的联盟,最后是缺乏制造及测试EDA系统,无法支持集成电路封测的应用需求。总体来看,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。

本土公司中重点介绍一下华大九天和芯愿景。华大九天专注于提供专业的EDA软件、IP产品及相关解决方案,是国内规模最大、技术最强的EDA企业,是大规模集成电路CAD国家工程研究中心依托单位,承担着国产EDA软件研发与推广的重任,尤其是在FPD领域,华大九天更是成为全球唯一的能够提供全流程FPD设计解决方案的供应商,在这一领域具备优势。

芯愿景目前有三项业务:IC分析服务、IC设计服务及EDA软件授权三大板块,目前已成功实现7nm FinFET芯片的工艺分析和电路分析,在半导体工艺节点方面服务能力范围为350nm-7nm。但从收入结构和成本结构看,芯愿景并不是一家主营EDA软件的公司,2019年EDA的收入占比只有3%。

中国的EDA企业正面临在“夹缝中求生存”的局面,但同时也面临着巨大的机遇,随着半导体制造中心向中国大陆转移,EDA产业的重心也会向中国转移。

实际上,研发不足是导致目前本土EDA企业相对落后的根本,数据显示,龙头企业华大九天在过去十年间所投入的研发资金也只有几个亿,而Synopsys一年的研发投入就超10亿美元,Cadence 2018年的研发投入约为8.7亿美元,本土企业要想追赶必须要加大研发投入。

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