芯片產(chǎn)業(yè)皇冠上的明珠—EDA
中國的EDA企業(yè)正面臨在“夾縫中求生存”的局面，但同時(shí)也面著巨大的機(jī)遇。
近段時(shí)間，美國極限打壓華為，全球前三大芯片生產(chǎn)商禁止向華為出售芯片，這讓芯片國產(chǎn)替代勢在必行。
芯片產(chǎn)業(yè)鏈包括芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造、封裝、測試等環(huán)節(jié)，芯片設(shè)計(jì)分為前端設(shè)計(jì)和后端設(shè)計(jì)。此前，《每日財(cái)報(bào)》已經(jīng)介紹過不少的芯片上下游產(chǎn)業(yè)鏈，這次重點(diǎn)講述EDA 。
EDA 是電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（Electronic Design Automation）的縮寫，在20世紀(jì) 60 年代中期從計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）、計(jì)算機(jī)輔助測試（CAT）和計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）的概念發(fā)展而來。
EDA主要應(yīng)用于芯片設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，位于芯片產(chǎn)業(yè)鏈上游，是依賴性極強(qiáng)的設(shè)計(jì)工具。很多人并不理解EDA和芯片的結(jié)合。實(shí)際上，芯片產(chǎn)品只要制造出來就不可更改，所以需要用EDA軟件進(jìn)行虛擬的設(shè)計(jì)、模擬、仿真，以便在真實(shí)產(chǎn)線上流片生產(chǎn)的時(shí)候一次性成功，從而減少設(shè)計(jì)成本和時(shí)間成本。
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小市場，大前途，高難度
2019年全球 EDA軟件市場規(guī)模103億美元，同比增長6%，這一數(shù)值相對(duì)4500億美元的全球半導(dǎo)體市場而言微不足道，EDA軟件在整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中的產(chǎn)值較小，增速和半導(dǎo)體增速相近。
盡管市場規(guī)模只有100億美元左右，但EDA軟件卻主宰著全球4000億美元的全球半導(dǎo)體市場，以及 1.7萬億美元的整個(gè)電子產(chǎn)業(yè)。毫不夸張的來說，EDA軟件是電子產(chǎn)業(yè)最上游、最高端的產(chǎn)業(yè)，驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)、制造、終端應(yīng)用。換句話說，下游的任何創(chuàng)新都需要EDA軟件的創(chuàng)新支持，從而驅(qū)動(dòng)EDA的創(chuàng)新。
除此之外，EDA行業(yè)的難度和壁壘與日俱增。摩爾定律下，IC芯片的復(fù)雜程度和集成度不斷提升，IC設(shè)計(jì)對(duì)EDA的要求與依賴也是越來越高，芯片的關(guān)鍵尺寸縮小到 65nm、28nm、14nm、7nm，每一代芯片設(shè)計(jì)的算法都會(huì)有50%的代碼需要重新編寫，而到 3nm 納米級(jí)的時(shí)候，還會(huì)出現(xiàn)更多未知的物理現(xiàn)象，這些對(duì) EDA 軟件的要求會(huì)越來越高。
與此同時(shí)，IC芯片從傳統(tǒng)的單一功能的芯片發(fā)展到數(shù)字模擬混合電路，SOC，3DIC，IP復(fù)用，多功能集成系統(tǒng)等復(fù)雜系統(tǒng)芯片，而目前EDA的產(chǎn)品與設(shè)計(jì)流程都需要做相應(yīng)的增強(qiáng)和調(diào)整。很多新算法還存在與 EDA 軟件不相通的情況，例如AI芯片設(shè)計(jì)、軟件算法開發(fā)，而這恰恰是EDA未來的大機(jī)會(huì)，新應(yīng)用、新算法可將EDA市場規(guī)模擴(kuò)張兩倍至300億美元。
從 EDA 行業(yè)龍頭發(fā)展歷程看，EDA 行業(yè)是厚積薄發(fā)的生意，需要很長的前期積累，Synopsys 和 Cadence 兩大巨頭的研發(fā)費(fèi)用分別高達(dá)35%和40%以上，而且EDA產(chǎn)業(yè)并不能獨(dú)立發(fā)展，相關(guān)公司需要借助晶圓廠積累的大量測試數(shù)據(jù)探索物理效應(yīng)和工藝實(shí)施細(xì)節(jié)的準(zhǔn)確和高精度模型化，這就在無形中增加了壁壘。
當(dāng)代工廠開發(fā)出新工藝，EDA 軟件廠商就需要獲得代工廠新工藝的PDK工具包，基于 PDK 工具包開發(fā)新版本軟件。頂尖 Fabless公司將基于此模型和工具進(jìn)行芯片設(shè)計(jì)與試產(chǎn)，并且依托強(qiáng)大和豐富的芯片設(shè)計(jì)不斷發(fā)現(xiàn)和排除新工藝節(jié)點(diǎn)在模型和制造中的各種量產(chǎn)問題，在此期間，需要晶圓廠、Fabless、EDA 等產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)的通力合作，反復(fù)迭代。
需要注意的是，破解版軟件的思路在目前的EDA 軟件領(lǐng)域已經(jīng)行不通，在90nm以上，用破解版軟件尚可，因?yàn)?90nm以上的工藝基本定性，改變小。而90nm以下的先進(jìn)工藝，隨著應(yīng)用的增多，各種測試反饋，會(huì)不斷調(diào)整晶體管器件模型、設(shè)計(jì)規(guī)則、不斷優(yōu)化迭代讓良率達(dá)到最高。
最頻繁的時(shí)候一個(gè)月就要更新一次工藝庫，而只要工藝庫更新，EDA 軟件就要跟著更新，更新一次 EDA 軟件就要收費(fèi)一次，且每次購買的有效使用時(shí)長在3年左右。所以，從收費(fèi)模式看，EDA 軟件工廠的收入隨著代工廠工藝更新而增加，越先進(jìn)的工藝，更新越頻繁，EDA 軟件廠越受益。
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本土企業(yè)在夾縫中尋求突破
縱觀全球產(chǎn)業(yè)格局，大部分EDA 軟件市場被美國的Synopsys、Cadence、Mentor Graphics等三大企業(yè)占據(jù)。其中Synopsys占據(jù)約32.1%的市場份額，Cadence占據(jù)22%的市場份額，西門子旗下的Mentor Graphics占據(jù)10%的市場份額，三大EDA軟件廠商全球市場份額超過64%，在中國的市場份額更是超過95%，二線廠商Ansys、華大九天和Sivaco等合計(jì)市占率達(dá)到15%左右。
Cadence是最早一家進(jìn)入中國市場的EDA供應(yīng)商，在Cadence進(jìn)入中國的第二年。另外兩家EDA廠家Synopsys和Mentor Graphics也悄悄進(jìn)入中國。在九十年代，中國的集成電路設(shè)計(jì)EDA市場基本被這三家瓜分，只是在設(shè)計(jì)工具的不同領(lǐng)域各領(lǐng)風(fēng)騷而已，國產(chǎn)軟件熊貓只占有極小的一部份領(lǐng)地。
我國EDA 軟件研發(fā)始于20世紀(jì)八十年代，1986年我國自有的集成電路計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)-熊貓系統(tǒng)開始研發(fā)，熊貓系統(tǒng)于1993年研發(fā)成功。目前國內(nèi) EDA軟件公司主要有華大九天、芯愿景、芯禾科技、廣立微電子、博達(dá)微電子、藍(lán)海微科技、奧卡思微電、概倫電子等。
相對(duì)國際巨頭，國產(chǎn)EDA差距有三方面：首先是缺少數(shù)字芯片設(shè)計(jì)的核心工具模塊，無法支撐數(shù)字芯片全流程設(shè)計(jì)；其次是對(duì)先進(jìn)工藝支撐不夠，暫未進(jìn)入先進(jìn)代工廠的聯(lián)盟，最后是缺乏制造及測試EDA系統(tǒng)，無法支持集成電路封測的應(yīng)用需求。總體來看，國內(nèi)EDA企業(yè)難以提供全流程產(chǎn)品，但在部分細(xì)分領(lǐng)域具有優(yōu)勢，個(gè)別點(diǎn)工具功能強(qiáng)大。
本土公司中重點(diǎn)介紹一下華大九天和芯愿景。華大九天專注于提供專業(yè)的EDA軟件、IP產(chǎn)品及相關(guān)解決方案，是國內(nèi)規(guī)模最大、技術(shù)最強(qiáng)的EDA企業(yè)，是大規(guī)模集成電路CAD國家工程研究中心依托單位，承擔(dān)著國產(chǎn)EDA軟件研發(fā)與推廣的重任，尤其是在FPD領(lǐng)域，華大九天更是成為全球唯一的能夠提供全流程FPD設(shè)計(jì)解決方案的供應(yīng)商，在這一領(lǐng)域具備優(yōu)勢。
芯愿景目前有三項(xiàng)業(yè)務(wù)：IC分析服務(wù)、IC設(shè)計(jì)服務(wù)及EDA軟件授權(quán)三大板塊，目前已成功實(shí)現(xiàn)7nm FinFET芯片的工藝分析和電路分析，在半導(dǎo)體工藝節(jié)點(diǎn)方面服務(wù)能力范圍為350nm-7nm。但從收入結(jié)構(gòu)和成本結(jié)構(gòu)看，芯愿景并不是一家主營EDA軟件的公司，2019年EDA的收入占比只有3%。
中國的EDA企業(yè)正面臨在“夾縫中求生存”的局面，但同時(shí)也面臨著巨大的機(jī)遇，隨著半導(dǎo)體制造中心向中國大陸轉(zhuǎn)移，EDA產(chǎn)業(yè)的重心也會(huì)向中國轉(zhuǎn)移。
實(shí)際上，研發(fā)不足是導(dǎo)致目前本土EDA企業(yè)相對(duì)落后的根本，數(shù)據(jù)顯示，龍頭企業(yè)華大九天在過去十年間所投入的研發(fā)資金也只有幾個(gè)億，而Synopsys一年的研發(fā)投入就超10億美元，Cadence 2018年的研發(fā)投入約為8.7億美元，本土企業(yè)要想追趕必須要加大研發(fā)投入。