工业软件EDA职业研讨:芯片自研、规划先行国产EDA软件迎打破

时间:2022-10-03 10:34:13 来源:米乐m6官网下载

  )是指运用核算机软件完结大规划集成电路的规划、仿真、验证等流程的设 计办法。芯片的制作流程可分为主工业链和支撑工业链:主工业链包含芯片规划、制作和封测;支撑工业链包含 IP、EDA、配备和资料等。EDA 软件集成了数学、图形学、微电子学、资料学及人工智能等多范畴技能,是集成电路工业的战略根底支柱之一。

  依据 EDA 东西运用阶段可以分为集成电路制作类 EDA 东西和集成电路规划类 EDA 东西两个首要大 类。其间制作类 EDA 东西首要用于集成电路制作的工艺途径开发阶段及晶圆出产阶段,规划类 EDA 东西首要用于集成电路的规划阶段,规划类 EDA 东西包含数字集成电路 EDA、模仿集成电路 EDA。

  集成电路制作类 EDA 东西首要指晶圆厂在工艺途径开发阶段和晶圆出产阶段运用的,用于支撑其完结半导体器材/制作工艺开发、器材建模和 PDK、集成电路制作等环节的 EDA 东西。制作类 EDA 可以 协助晶圆厂完结半导体器材和制作工艺的规划,优化制作流程,前进量产良率。

  集成电路规划类 EDA 东西是集成电路规划企业在规划阶段运用的,用于支撑其依据晶圆厂供给的 PDK 或 IP 和标准单元库进行的电路规划,对规划成果进行电路仿真及验证,并进行规划优化,终究 经过物理完结构成规划文件的 EDA 东西。该类东西可以协助 IC 规划企业前进规划功率和规划质量, 确保芯片到达规划标准和较高量产良率,并缩短产品上市时刻。

  芯片昂扬的本钱首要由人力与研制费用、流片费用、IP 和 EDA 东西授权费等几部分构成。当时,在 “摩尔定律”的推进下,集成电路规划规划及制作工艺益发杂乱,规划师有必要依托 EDA 东西完结电 路规划、地图规划、地图验证、功用剖析等作业,软件在芯片本钱中的占比跟着芯片制程不断精进 而进步。

  EDA 职业的开展和集成电路职业高度相关:集成电路制程进步拉动 EDA 技能迭代晋级,EDA 技能晋级推进集成电路更新换代,两者构成双向正循环。全球 EDA 职业开展历经核算机辅佐规划(广义 CAD)、核算机辅佐工程(广义 CAE)、电子规划自动化(EDA)三个时代。21 世纪后,EDA 技能快 速开展,软件功率显着进步,仿真验证和规划两层面的 EDA 软件东西功用愈加强壮,更大规划的可编程逻辑器材不断推出,体系级、行为级硬件描绘言语趋于愈加高效和简略。

  国内 EDA 职业先后历经“封闭、会集打破、国产遇冷、再发动”四个阶段,当时与全球抢先 EDA 软 件仍存在间隔。

  (2)1986~1994年,国家安排资源在北京建立研制中心开发 EDA 软件,1993 年发布熊猫 EDA 软件;

  (3)1994-2008 年,西方 EDA 禁运免除,国内很多购入老练 EDA 软件,国产 EDA 遇冷;

  国内外 EDA 软件多年累积的技能间隔难以在短时刻内抹平,以国产 EDA龙头华大九霄为例,其模仿 电路规划全流程 EDA 东西体系仅在电路仿真东西上技能可到达全球先进水平。

  EDA 东西可以显着下降芯片的规划本钱,推进芯片迭代晋级。据 UCSD 教授 Andrew 测算,2011 年一款消费级运用处理器芯片的规划本钱约 4000 万美元,假如不考虑 1993~2009 年 EDA 技能前进,相关 规划本钱或许高达 77 亿美元,EDA 让规划本钱下降近 200 倍。可重复运用的途径模块、异构并行处 理器的运用、依据先进封装集成技能的芯粒技能等成为驱动规划功率进步的重要办法,上述办法的 运用与EDA 技能的前进相得益彰。

  全球芯片商场近年坚相等稳添加趋势,国内商场增速高于全球。IC 工业是 EDA 仅有的下流工业,其 昌盛程度显着影响 EDA 职业的开展潜力,据 Statista 数据,2016-2020 年五年间全球 IC 商场规划由 2767 亿美元添加至 3612 亿美元,CAGR 为 6.89%,并猜测 2022 年全球商场规划将到达 5108 亿美元。依据 我国半导体职业协会数据,2016-2020年国内IC商场规划由4335亿元添加至8848亿元,CAGR为19.52%。 全球 IC 商场规划继续扩展是驱动 EDA 职业开展的首要要素,而国内 IC 商场规划增速继续高于全球市 场,有利于国内 EDA 企业以国内商场为根底进一步开展。(陈述来历:未来智库)

  EDA 技能具有四个显着特点:触及学科广泛、技能无法跨越式开展、运用场景丰厚、规划与制作工 艺紧密结合。EDA 是算法密集型的大型工业软件体系,其开发进程需求核算机、数学、物理、电子 电路、工艺等多种学科和专业高端人才;每一次体系性、革命性的 EDA 晋级换代都是 EDA 企业和集 成电路运用企业上下流协作,在原有的技能根底上开发的新式算法,长时刻的技能堆集是各 EDA 企业 的安定护城河,其他竞赛者难以完结弯道超车;EDA 东西在运用中需求对数千种情境进行快速规划 探究,以在功用、功耗、面积、本钱等芯片物理目标和经济目标之间取得平衡;EDA 东西要尽或许 精确地在软件中重现和拟合实际中的物理和工艺问题,确保芯片规划仿真成果和流片成果共同,制 程越高越显着。

  TCAD(Technology ComputerAIded Design)全称是半导体工艺和器材仿真软件,在器材规划和工艺开 发环节中发挥着至关重要的效果,是 EDA 软件的中心底层。TCAD 可对不同工艺进行仿真以代替高成 本的工艺试验,也可对不同器材结构进行规划和优化以取得抱负的特性,或对电路功用及电缺陷进 行模仿。据世界半导体技能路线图(ITRS),TCAD 可以经过削减试验次数和缩短研制时刻,将集成 电路出产本钱下降 40%。现在全球 TCAD 仿真东西首要被两家美国公司新思科技和思 发科技(Silvaco)独占,两者商场份额总和逾越 90%。

  EDA 是高壁垒职业,对企业的技能堆集、人才储藏、生态构筑及资金支撑四方面有极高的要求。技 术壁垒:IC 规划流程杂乱、环节很多,触及几十种不同技能,单一的 EDA 公司难以全范畴掩盖,当 前全球的 EDA 三巨子是经过自研及很多并购同类企业终究构成扎实的技能壁垒。

  人才壁垒:EDA 职业是多学科交互磕碰的产品,从业人员需具有归纳性的技能布景,据《我国集成 电路工业人才白皮书(2019-2020 年版)核算,培育一名 EDA 研制人才,从高校到从业的全进程需求 10 年左右时刻。EDA 职业的新进入者难以在短期内抹平人才间隔然后成果竞赛力。

  生态壁垒:EDA 是芯片制作的最上游工业,EDA 的技能开发和出售依托于制作(Foundry)、规划 (Fabless)、EDA 三方构成的生态圈,需求工业链上下流的全力支撑。当时业界抢先的 EDA 企业已 构建出老练且安稳的生态圈,致使该职业具有十分高的进入壁垒。

  资金壁垒:EDA 职业比较于其他科技类职业有较高的研制投入需求,其资金壁垒首要表现在内部持 续技能开发和招引人才需求大额资金投入,对企业资金实力有较高的要求。以新思科技和铿腾电子 为例,研制费用多年来坚持添加态势,研制费用占比长时刻维持在 35%-45%。

  曩昔几十年,摩尔定律下半导体制程不断前进,后摩尔时代技能演进驱动 EDA 技能运用延伸拓展。 后摩尔时代的集成电路技能演进方向首要包含连续摩尔定律(More Moore):以缩小数字集成电路的 尺度为意图,对 EDA 东西的规划功率有高要求;扩展摩尔定律(Morethan Moore):依托电路规划以及 体系算法优化进步芯片功用,要求 EDA 有更杂乱的规划功用;逾越摩尔定律(Beyond Moore):运用 新工艺、资料、器材制作芯片,要求 EDA 在仿真及验证环节有立异。整体来说,后摩尔时代技能从 单芯片的集成规划、功用集成、工艺、资料等方面的演进驱动 EDA 技能的前进和其运用的延伸拓展。

  近年来芯片杂乱度继续进步使得规划根底数据规划不断添加,其对体系运算才干需求有跃迁式进步, 人工智能赋能 EDA 技能势在必行。具有 AI 特性的 EDA 东西可以大幅前进规划功率,缩短芯片规划周 期,厂商凭仗 AI 算法可完结 EDA 数据练习以进步产品质量。例如,铿腾电子于 21 年 7 月推出依据机 器学习(ML)的规划东西—Cerebrus,与人工办法比较,将工程出产力前进多达 10 倍,一起最多可 将功耗、功用和面积成果改进 20%,该产品已被瑞萨电子和三星运用。

  云技能在 EDA 范畴的运用不断深入,EDA 企业及 EDA 技能开展显着获益。云技能可以有用防止芯片 规划企业因流程办理、核算资源缺少带来的研制危险。EDA 运用进程中对核算资源的需求较大,如 不能合理分配将影响开发功率。EDA 上云后核算资源的获取和分配愈加灵敏,一起也能有用下降企 在服务器配臵及保护方面的费用。此外,云技能使芯片规划作业脱节物理环境限制,在供给作业便 利性的一起也可以下降数据走漏危险。(陈述来历:未来智库)

  EDA 工业链包含上游根底软硬件开发商、中游 EDA 软件开发商及下流集成电路工业链。工业链上游 首要为根底软件开发商和硬件设备供货商,根底软件商场处于寡头独占竞赛状况,国内商场份额多 由外资企业主导,比较于硬件商场,EDA 企业对此的议价才干较弱。

  中游竞赛格式明晰,跨范畴并购是 EDA 软件开发商完结全品类产品线的首要途径。仿真是 EDA 东西 的中心功用,而仿真的精确度进步依据很多的芯片测验数据,头部企业可以较低的本钱从芯片公司 获取测验数据,然后不断安定优势以完结飞轮效应,因而当时 EDA 软件的竞赛格式明晰,外资三巨 头新思科技、铿腾电子、西门子 EDA 占有首要的商场份额。因为 EDA 东西品种多、分工巧、跨范畴 间技能壁垒高,回溯头部企业的开展进程,三巨子均是经过在某一方面做大做强后并购竞赛对手最 终完结全产品线。

  下流芯片规划厂商是 EDA 软件的首要需求方。EDA 软件是芯片规划进程中最中心的东西,简直掩盖 芯片规划的一切环节,比较于晶圆制作以及封装测范畴,国内芯片规划的进口代替进展滞后。现在 EDA 软件受制于人是限制国产芯片职业开展的中心要素,据赛迪智库数据,2020 年国内 EDA 商场约 85%由前五大外资企业产品占有。

  EDA 是集成电路、信息及数字工业的柱石和支点。据赛迪参谋数据,2020 年 EDA 职业的全球商场规 模为 70 亿美元,却作为支点撬动超千亿美元的下流集成电路工业,EDA 职业的安稳开展及技能打破 是下流工业进一步拓展和晋级的必要条件。据 ESD Alliance 数据,EDA 规划约占集成电路规划的 2.5~3% 左右。获益于消费回暖、遍及以及技能打破,ESD 以为集成电路商场在 2021、2022 年会 有大幅添加,估计 2022 年 EDA 商场会到达 150 亿美元左右,2020~2022 年的 CAGR 为 13.2%。

  海外巨子占有全球 EDA 商场的绝对优势。全球 EDA 商场首要由新思科技、铿腾电子及西门子 EDA 垄 断,三家公司均具有优势杰出的完好产品线,如新思科技在逻辑归纳东西及时序剖析东西上具有绝 对优势,西门子 EDA 在各类布线东西上优势显着。而二线厂商如 PDF Solution、华大九霄则在特定领 域技能抢先,如 PDF Solution 专精进步晶圆制作良率、华大九霄在模仿芯片全流程、数字芯片规划优 化等方面独树一臶,但间隔一线厂商仍有必定间隔。

  国内 EDA 工业增速逾越全球商场,EDA 浸透率进步空间大。依据赛迪咨询数据,2020 年我国 EDA 市 场规划为 66.2 亿元,2018-2020 年 CAGR 为 21.4%。依据我国半导体职业协会核算,2014~2020 年我国 集成电路商场规划从 3,015 亿元进步至 8,848 亿元,CAGR 达 19.6%,无论是 EDA 职业仍是下流集成电 路工业,国内商场增速均逾越全球平均水平。对标全球商场的 EDA 浸透率,EDA/IC 商场规划为 3%左 右,而国内仅为 0.7%,仍有较大进步空间。叠加国产代替效应,EDA 职业规划未来 3 年有望坚持超 20%的年均增速。

  外资在国内商场占主导地位,华大九霄为国产领头羊。因为我国 EDA 职业的开展较为弯曲,致使当 前国内商场首要份额由外资占有。据赛迪参谋数据,2020 年外资企业占有我国 EDA 商场 70%以上的 份额,而国内仅有华大九霄份额较高,以 5.9%的份额排在第四位。此外,2020 年海外 EDA 企业数量 为 600+,国内仅 22 家,国内企业沿循外资 EDA 巨子经过吞并重组做大的开展途径较为困难。

  顶层方针为国内 EDA 职业指明方向,世界局势是其开展的催化剂。EDA 作为芯片规划和制作的支柱 之一,是我国完结芯片自主的重要确保,长时刻以来屡次被归入顶层方针指引规模内。因为国外巨子 已在国内商场抢占先机,很多本乡芯片企业以往均运用海外三巨子的产品,如、中兴等企 业长时刻运用新思科技、铿腾电子的产品。但近年来因为交易争端及地缘政治要素致使国产代替趋势 显着,国内 EDA 职业在此布景下迎来更大的开展空间。

  新思科技 1986 年兴办于美国,建立后不断经过并购扩张事务地图,在 2002 年收买 Avanti 后成为榜首 家可以供给全流程 IC 规划方案 EDA 东西的供货商,并于 2008 年逾越铿腾电子成为全球最大的 EDA 厂商。新思科技的优势产品线为芯片规划、验证和半导体 IP,2020 年完结 36.5 亿美元营收。

  海量的研制投入和继续的企业并购是新思科技坚持优势的要害。新思科技研制投入终年坚持在收入 的 35%左右(国内科创板上市公司 2021H1 研制投入平均占比 17%)。一起,很多并购使得公司商誉 占财物比在 50%左右,2020 年降为 42%。

  1988 年由 SDA 与 ECAD 两家公司兼并而成,屡次并购后于 1992 年占有 EDA 龙头并在同年进入我国大 陆商场,2008 年营收规划被新思科技逾越,现在稳居第二。2020 年运营收入 26.8 亿美元,其间 EDA 软 件事务营收占比 86%,IP 授权事务占比 14%,研制费用占收入比在 40%左右,商誉占财物比 20%。相 比其他巨子,Cadence 愈加注重我国商场,我国区营收占比为 15%(新思科技 11%),商场份额为 32% 排名榜首。

  铿腾电子开展途径与新思科技相似,均是经过投入很多研制资源以及高频并购完结产品线扩大及技 术抢先。公司的产品现在已完结 IC 规划的全流程掩盖,强项在于模仿和混合信号的模仿仿真和地图 规划。

  西门子 EDA(Mentor Graphics)是 EDA 前期巨子,建立于 1980 时代而且市占率一度逾越 30%。1990 时代产品研制失利致使市占率继续下滑直至 2016 年被西门子收买成为其 EDA 部分,两强兼并后完结 协同效应:Mentor Graphics 取得海量研制资金支撑,西门子则将事务拓展至工业软件范畴,完结完好 的数字生态圈。现在西门子 EDA 可供给完好的软件和硬件规划 EDA 解决方案,产品优势在于优化芯 片测验本钱和物理验证环节。据前瞻工业研讨院数据,公司 2020 年全球市占率(14.0%)仅次于新思 科技(32.1%)及铿腾电子(23.4%)。

  PDF Solutions:专心制作环节 EDA。1991 年建立于美国,致力于为 IC 规划公司验证及改进规划,通 过为晶圆代工厂定位工艺问题进步晶圆制作功率及良率。公司的软件产品及解决方案能削减晶圆制 造环节 80%的数据处理时刻并添加 50%的产品良率,当时全球前六大代工厂、前 20 家半导体规划公 司有 18 家运用该司产品及解决方案。公司 2020 年收入 0.86 亿美元,同比+3%,收入添加虽乏力但市 面上缺少有竞赛力的代替产品致使其客户粘性强,护城河安定。

  华大九霄是现在现在国内规划最大、产品线最丰厚的 EDA 企业。公司建立于 2009 年,是国内最早从 事 EDA 开发的公司,中心成员均参加 90 时代发布的国产“熊猫 EDA”研制作业。我国电子集团(央 企)为最大股东,算计控股 40%,华大九霄实控人为国务院。

  华大九霄是现在本乡 EDA 企业中的领军,其 EDA 产品掩盖模仿电路、数字电路、平板显现电路规划 全流程以及晶圆制作环节,并环绕相关范畴供给技能开发服务。以收入规划来看,华大九霄当时稳 坐国内 EDA 企业榜首,收入占比逾越 50%。

  华大九霄盈余才干安稳,营收结构继续优化,研制实力微弱投入产出比高。2018-2020年公司营收增速为 60%-70%,净利率维持在 20%-30%,添加微弱且盈余安稳,一起软件出售收入占比由 2018 年的 93%下降 至 2021H1的 80%,运营会集危险逐步下降。公司近三年研制费用率为 45%-50%,逾越海外巨子平均水平, 不断推出比如新一代模仿电路仿真东西 Empyrean ALPS等具有国内抢先水平的各类产品。

  概伦电子创立于 2010 年,创始人刘志宏原为铿腾电子担任电路仿真及验证的全球副总裁,公司建立 后长时刻专心于期间建模和电路仿真范畴,是国内 EDA 企业中少量在某一环节(仿真)上到达世界一 流水准的公司,具有较高的技能壁垒。公司共有四条产品线:制作类 EDA/规划类 EDA/半导体器材测 试技能产品/半导体工程服务,公司于 2019 年并购博达微(持股 80%)后构成从数据收集到仿真流程 的闭环。

  直销形式下营收快速添加,事务结构优化运营会集危险下降。近年公司的出售形式由代销转为直销, 直销份额由 20%进步至 88%,尽管出售费用率有所上升,可是长时刻来看将有利于公司增强关于出售 战略、产品定价的掌控力度,出售功率进步的一起防止途径商赢利分红,有助于进步公司净利率。 直销形式下,公司的运营收入由 2018 年的 0.51 亿元进步至 2021E 的 1.9 亿元,CAGR 为 55%。公司的 营收结构进一步涣散,EDA 产品收入占比由 2018 年的 85%降至 2021H1 的 67%,并购博达微后半导体 测验产品的收入增幅巨大,与概伦电子的原有事务构成杰出的协同效应。

  公司建立于 2003 年,专心于芯片成品率进步和电性测验快速监控技能,是现在国内抢先的集成电路 EDA 软件与晶圆级电性测验设备供货商。广利微电子避开竞赛剧烈的规划类 EDA 商场,从制作类 EDA 切入成为国内该细分范畴的龙头,其产品与 PDF Solutions 直接竞赛,现在现已取得华虹集团、长鑫 存储、三星电子等海内外客户的认可,完结该范畴的国产代替。

  公司业绩添加快,营收及净利率继续进步。公司营收由 2018 年的 0.3 亿元添加至 2020 年的 1.2 亿元, CAGR+90%,与 PDF Solutions 的收入间隔从 2018 年的 19 倍缩小至 2020 年的 4.6 倍,净利率也由-32%提 升至 40%。和 PDF Solutions 比较,广立微电子的毛利率高于 PDF,研制费用率根本相等,近两年稳 定在 30%-40%。在我国大力开展芯片制作自主的当下,广立微电子有望凭仗效能显着的产品特性迅 速占有国内晶圆制作企业的商场,完结规划效应。

  因为我国 EDA 职业开展进程弯曲,当时海外 EDA 巨子在全球规模能仍全面抢先本乡 EDA 企业,间隔 首要表现在研制及技能、途径及产品、生态及客户联系这三方面。

  EDA 作为高技能壁垒的职业,企业唯有投入很多的研制资源并获取顶尖人才的奉献才干坚持竞赛力。 当时,中外厂商在研制投入方面间隔巨大,以华大九霄和新思科技为例比照,新思科技 2018-2020 年 三年累计研制投入 228 亿元人民币,是华大九霄近 60 倍。除此之外,很多的 EDA 企业也为巨子并购 供给充沛挑选,海外三巨子在开展进程中累计并购各类公司 200 次以上,国内 EDA 企业少,各方难 以经过并购做大。

  海外企业经年累月的很多研制投入使得其在产品线丰厚度、途径多样性上抢先于国内 EDA 企业。华 大九霄是国内当时仅有 IC 规划全流程覆的 EDA 企业,但在产品丰厚度上仍差劲于海外巨子。此外, 国内 EDA 企业的首要客户首要会集在国内企业或是在国内设厂的外资企业,出售途径较为单一,虽 然当时国内下流芯片工业较全球更为景气,但 EDA 出海能极大拓展企业的营收添加空间。

  IP 核(Intellectual Property Core)是芯片规划进程中的中心要素之一,作为预先规划好、可复用的功用 模块,可以极大地优化芯片规划公司的重复劳动率并进步规划灵敏度。当时,干流的 SoC 异构芯片 均是依据不同功用的 IP 进行组合规划。比较于国内 EDA 企业,海外 EDA 巨子具有很多 IP 核产权, 经过为客户供给丰厚多样、具有自主知识产权的 IP 核,使得客户面对较高的切换本钱,公司与下流 客户的联系愈加安定,然后构建具有深度护城河的生态圈。

  芯片的自主可控需求软硬件并行,作为上游环节,EDA 的自研更易完结并正在加快打破。近期催化 原因有两方面:首要,相关企业连续上市,研制投入收成确保;其次,下流标杆客户能反哺软件功 能完善。

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