一文了解:芯片之母EDA产业国产路该何去何从?

时间:2020-06-16 09:39:42       来源:雷锋网

芯片之母,EDA了解一下?

在芯片设计领域,EDA软件是不可或缺的,EDA被称为IC设计最上游最高端的软件产品,涵盖了IC设计、布线、验证和仿真等所有方面。起初芯片设计还能使用人工手算,但是现在一颗芯片就有上百亿的晶体管,不使用EDA软件非常容易出错。

在美国EDA领域,Synopsys、Cadence、Mentor Graphics被称为三大巨头,占据了全球市场超过65%的份额,中国市场的90%份额,华为、中兴等等芯片厂商都离不开美国的EDA产品。

但美国一步步紧逼华为,几乎是切断了后路,那么,对于华为以及更多中国企业来说,发展国产EDA产业就变得尤为重要,但要从何发展,怎么发展呢?

近日,方正证券发布了《半导体EDA行业研究与投资报告》(以下简称《报告》),《报告》分析了EDA产业的新机遇以及国内产业发展特点,并据此提出了国产EDA的产业发展方向。

一、国内EDA市场发展概况

EDA是电子设计自动化(Electronic Design Automation)的简称,是从计算机辅助设计(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)概念发展而来。

芯片产业链包括设计、制造、封装、测试、销售,芯片核心实力重心在芯片设计,而芯片设计离不开芯片设计软件EDA,EDA可谓是芯片产业链“任督二脉”。

EDA是广义CAD的一种,是细分的行业软件。利用EDA工具,电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统,完成电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程。

国内EDA产业发展从上世纪八十年代中后期开始,国产首套EDA熊猫系统于1986年开始研发并于1993年问世。

之后的国内EDA发展曲折而缓慢,因各种因素影响,国产EDA产业没有取得实质成功,但近十年发展中,华大九天、芯禾科技、广立微、博达微等几个企业从国产EDA阵型中展露生机。

目前全球EDA软件供应商主要是国际三巨头Synopsys、Cadence和Mentor Graphic。

中国市场EDA销售额的95%由以上三家瓜分,剩余的5%还有部分被Ansys等其它外国公司占据,给华大九天、芯禾科技等国产EDA公司留下了极少的份额,且后者在工具的完整性方面与三强相比,有明显的差距。

而在局部取得突破的领域,国内厂商与三巨头也存在着相当的差距,比如在物理验证、综合实力等方面,国内EDA厂商还“没有能力全面支撑产业发展”,总体上还是很难离开三大巨头公司的平台。

究其根本,主要原因就在于两点:

一是国内的EDA工具不全,EDA软件要覆盖IC设计、布线、验证和仿真等所有方面,而国产EDA很多只涉及到其中的一部分环节;

另一个是国产EDA软件和先进工艺的结合较差,毕竟国内制造水平不强,14nm也只是刚刚量产,而华为7nm甚至5nm的芯片已在路上了,自然国产EDA在先进工艺方面是差于国外的。

所以,一旦EDA受制于人,整个芯片软件产业的发展都可能停摆,发展国产EDA迫在眉睫。

从全球科技产业周期的角度来看,目前处于5G应用周期的前夜,物联网,人工智能和虚拟/增强现实领域的新机遇使得整个集成电路生产周期各阶段的半导体公司都能受益。具备AI特性的EDA工具也可以帮助客户设计出更好的芯片,并快速推向市场。

中国半导体的崛起,给发展EDA软件带来了新的希望。截止到2019年,中国大陆光晶圆厂,达到86座。同时还有全球最大的半导体消费市场,达到了60%。这表明中国的EDA企业正在追求快速增长,来满足巨大的国内需求。

二、芯片产业链

一)芯片设计

集成电路作为半导体产业的核心,由于其技术复杂性,产业结构高度产业化。随着产业规模的迅速扩张,产业竞争加剧,分工模式进一步细化,由原来的IDM为主逐渐转变为Fabless+Foundry+OSAT。目前市场产业链为IC设计、IC制造和IC封装测试。

在核心环节中,IC设计处亍产业链上游,IC制造为中游环节,IC封装为下游环节。

芯片设计分为前端设计(也称逻辑设计)和后端设计(也称物理设计),两者并没有统一严格的界限,涉及到与工艺有关的设计就是后端设计。从设计程度上来讲,前端设计的结果就是得到了芯片的门级网表电路。

1、EDA工具:IC设计的最上游产业

在 IC设计中,逻辑合成这个步骤便是将确定无误的HDLcode,放入电子设计自动化工具(EDAtool),让电脑将HDLcode转换成逻辑电路,产生电路图。然后反复的确定此逻辑闸设计图是否符合规格并修改,直到功能正确为止。

EDA是芯片设计最上游、最高端的产业,同时也是国内芯片产业链最为薄弱的环节。

从市场价值来看,整个EDA软件的全球市场规模不足一百亿美元,却撬动了5000亿美元的半导体产业。如果没有了这颗基石,全球所有的芯片设计公司都会直接停摆,半导体金字塔就会坍塌。

根据加州大学Kahng教授的计算分析,在2011年一片芯上系统SoC的设计费大约是4000万美元。如果没有EDA技术进步,这笔费用会上升至77亿美元,EDA软件让设计费用整整降低了200倍。

2、TCAD:集成电路EDA核心技术

TCAD(TechnologyComputerAidedDesign)全称是半寻体工艺和器件仿真软件。整个EDA软件中,TCAD在器件设计和工艺开发环节中发挥着至关重要的作用,是集成电路设计和制造中不可缺少的重要组成部分,是EDA软件系统中的核心底层。

目前全球TCAD(传统TCAD)仿真工具主要被两家美国公司Synopsys和Silvaco垄断,两者市场份额总和超过90%。但是随着集成电路技术的发展,其先进制造技术逐渐逼近3-5nm技术节点,传统的TCAD将面临巨大的困难和挑战。

主要的困难有3点:

当器件到达深纳米尺度甚至原子尺度时,量子效应将起重要作用,而传统的模型没有完备地包含量子效应。

当器件达到纳米尺度后,通过实验手段获得可靠的参数变得越来越困难和费时费力。

诸多新型电子器件和电子材料的不断问世,完全超出了传统TCAD方法的应用范畴。

AtomisticTCAD是目前全球最先进和最准确的从原子尺度迚行仿真,用来设计原子尺度电子器件的TCAD工具,完美的解决了传统TCAD面临的三大问题,包括量子效应、实验参数和新型器件。与传统的工艺建模技术相比,AtomisticTCAD是原子级的计算机辅助设计软件,通过对纳米级半导体电子器件进行建模和仿真,无需进行大量实验测量便可以准确地获得过程技术参数。它可以有效地缓解纳米级半导体行业设计不制造中常见的难题,并有助于半导体制造商加快半导体工艺的开发,提高良率。此外,AtomisticTCAD可以扩展到对任何新型材料进行仿真,并具有广泛的行业应用。

3、EDA工具分类

EDA工具分为三部分:前端(Verilog数字描述、以及数模混合);后端(Place&Routing布局与布线);验证(DRC/LVS 等)。

具体来说,在芯片的前端设计中,包含了芯片规格的制定和详细设计、HDL编码、真仿验证、逻辑综合、静态时序分析(SAT)以及形式验证;而后端设计中,包含了可测性设计(DFT)、布局规划(FloorPlan)、时钟树综合(CTS)、布线(Place& Route)、寄生参数提取以及版图物理验证等等。

4、发展历程

EDA作为集成电路设计的基础工具,大致经历了以下几个发展阶段:

二)IP核

1、定义

IP核(IntellectualPropertyCore)是指在半导体集成电路设计中那些可以重复使用的、具有自主知识产权功能的设计模块,设计公司无需对芯片每个细节进行设计,通过购买成熟可靠的IP方案,实现某个特定功能,这种类似搭积木的开发模式,缩短了芯片开发的时间,提高了芯片的可靠性。

多数SoC厂商依赖IP设计SoC芯片的过程,其本质就是寻找验证及整合IP核的过程。IP核变成了SoC设计的基础,深刻的影响着SoC的设计。随着需求端的快速变化,上市时间越来越短,SoC设计公司对成熟IP的依赖程度日益增加。

2、类别

主要分为3个类别,即软核、固核、硬核。

3、半导体行业IP的竞争格局

半导体IP行业的客户积累,是一个较长期的过程,且客户黏性较强,其原因主要包括以下三点:

IP技术护城河的形成,无论硬件、基础软件和应用软件,都需要长时间研发投入的积累。

由于IP模块和芯片设计企业客户的研发体系是深度耦合的,IC设计企业的技术积累,全都基于所采用的IP,因此迁移成本较高。

上下游生态网络的建立,对于IP授权企业来说,本身就是护城河。这是由于客户在选择芯片设计提供商时,极为谨慎,会重点关注其是否有相应的成功案例。

以上三点,决定了IP授权行业,往往形成赢家通吃的竞争栺局,新竞厂家,较难在短时间内超越竞争对手。

4、IP设计的新技术:自动IP生成

常规的IP设计过程费时费力,而自动IP生成则是希望能通过直接把顶层架构设计(对于数字IP)戒模块指标(模拟IP)映射到电路。这样一来,就能大大节省设计的时间和成本,同时可以做更多的设计探索,最终收敛到最优设计。

自动IP生成领域对亍中国的半导体行业有重要价值,中国距离全球先进的差距也并不大,因此,如果得到足够支持的话有机会能在未来数年内达到全球领先水平。对于模拟IP自动生成来说,发展时间还不长,中国和国外巨头尚处于同一起跑线。而拥有下一代的自动模拟IP生成工具,也有利于巩固中国模拟IP设计强国的地位。

三、产业发展特点

一)全球市场格局

全球EDA市场现状:行业规模增大,整体增速较低。

随着EDA行业的发展,相关软件产品逐渐增多,再加上全球芯片制造中对EDA产品的需求加大,使得EDA行业市场规模不断提高,但整体增速不高。据统计,2018年全球EDA行业市场规模为97.04亿美元,较2017年同比增长4.30%。预计2019年年收入为105亿美元,同比增长8.25%。经过不断的市场洗牌,EDA行业已经从上世纪的百家争鸣缩减到目前三大巨头,成为一个高度垄断的行业。

2019年第一季度资料显示,SIP市场规模约为8.66亿美元,占行业总收入约33.36%;CAE市场约为规模8.41亿元,占比约为32.38%;PCB&MCM(印刷电路板和多芯片模块)市场规模2.24亿美元,占比约为8.63%。

从区域来看,北美地区是EDA软件行业发展最好的地区,在全球市场占比高达42.7%;其次是APAC地区(亚太地区),近年来需求上升较快,占据了34.6%的市场份额;最后是EMEA地区(欧洲、中东和非洲地匙)和日本地区,占比相对较小,分别占据13.3%和9.4%的市场份额。

目前,全球EDA软件供应者主要是国际三巨头Synopsys、Cadence和Mentor Graphic,三大EDA企业占全球市场的仹额超过60%。2018年,Synopsys全球市场份额领先,占比达到32.10%;Cadence次之,占比为22.00%;Mentor Graphic占比为10.00%。

二)五大行业特点

1、寡头垄断

国际三巨头所占国际市场份额超过60%,在国内市场寡头垄断的现象更加严重,三巨头所占比例高达95%,可以看出EDA产业为寡头垄断的状态。

2、并购频繁

EDA国际三巨头在过去的30多年里,经过了60+次数的并购,才最终奠定了如今正在行业内的寡头垄断地位,其中Synopsys的并购次数高达80次,这说明EDA产业的发展是离不开并购扩张的。

3、产业投资周期长

EDA行业的产品和服务需要长时间的技术积累,内容攮括了众多基础科学,是整个工业软件的智慧结晶。

4、需建立产业生态圈,产业链上下游联动支持

EDA作为半导体行业的第一个环节,是制造和设计的纽带。EDA与工艺设计强相关,既要跟着工艺跑,又需要用户的信任去验证,所以必须获得产业链上下游支持,建立产业生态圈,才能更好的发展。

5、对人才需求强烈

EDA行业需求的人才主要是工具软件开发人才,工艺及器件背景的工程师、熟悉IC设计流程的工程师、数学与业人才、应用及技术支持人和销售类人才,就业面相对窄。

四、国产EDA路在何方

一)发展困局

中国EDA产业一路走来,屡屡碰壁。破土之初遭遇“巴统”禁运,禁止向中国销售先进电子CAD软件。虽然随后中国做成第一版ICCAD——熊猫系统,但马上迎来了国外EDA公司的激烈竞争和抢占市场,中国的EDA产业陷入长久的沉寂。

2008年,国家“核高基”重大科技与项正式迚入实施阶段,EDA领域 也迎来了新一轮的国家支持。微弱的产业火种诞生出了华大九天、芯愿景、广立微、芯禾科技、概伦电子等一批优质企业。

吾辈当自强!一文揭秘芯片之母EDA产业国产路在何方?

1、国外巨头垄断

从全球市场来看,2018年,中国以华大九天、广立微、芯禾科技为首的10余家EDA公司销售额约3.5亿元,只占到全球市场份额的0.8%。

从国内市场来看,2018年,我国EDA软件市场份额约为5亿美元左右,中国EDA企业仅占5%左右,竞争力较弱,而国际三巨头Synopsys、Cadence和Mentor占了其中95%。 行业内的高度垄断,导致了国内公司(华为、联想等)在使用EDA软件时不得不依赖国外厂商。

2、需要的长期技术积累和资金投入

EDA企业的发展离不开长期的技术积累和高额的研发资金投入,国产EDA公司和国外龙头相比仍有较大发展差距。

3、本国EDA人才需求严重不足

国内做EDA研发的人大约有1500人,其中约有1200人在国际EDA公司的中国研发中心工作,真正为本国EDA做研发的人员,只有300人左右。

4、EDA产业上下游的支撑

EDA是链接设计与制造之间的关键部分。国际三巨头与世界领先的晶圆厂合作已久,代工厂找不到理由和新的EDA厂商合作,于是EDA软件不能为IC设计公司提供足够的工艺信息,因而IC设计公司也没必要购买EDA软件。

5、产业并购

EDA行业在过去的十五年从自由竞争走向寡头垄断。中国EDA企业由于信奉“造不如买”的理念,错失了在激烈竞争中以战养战的机会。

二)发展机会

2018年我国EDA软件市场规模约为5亿美元,仅占全球的5.15%左右。2017年中国EDA市场增速较快,为11.63%,之后两年增速有所下降,为4.17%、8%。由于意识到国产替代的重要性,预计2020年EDA的市场规模将迎来新的一轮增长。

过去十年,中国大陆半寻体产业呈现出上升趋势。正在与其他地区的半导体产业竞争。其中大陆的竞争主力军为Fabless企业,中国大陆的Fabless公司已经占全球的四分之一。这给了EDA工具和服务足够的发展空间。这也是我国未来几年不断发展和壮大国内EDA产业的基础。

建议应和中国顶级芯片设计公司以及晶圆代工公司展开紧密的合作,对于先进的技术工艺应该重点攻克,实现早日突破。

此外,IP的重要性需要受到国内EDA企业的重规,提供与IP相关的服务和工具是可以考虑的发展方向之一。

国产EDA的机会在于以点工具为突破口,由点及面逐步发展。

二十多年前,在EDA软件上,中国抄了一条近路——直接采用国外的EDA工具,然而,沉痛的现实告诉我们,曾经落下的课都要补回来。现在中国已开始在一定程度上支持EDA工具的开发,对一些EDA公司给予必要的资金支持。政府投资,加上庞大的国内市场,意味着它们有发展和改善环境的潜力。未来EDA发展之路,还得靠脚踏实地、一步一个脚印地走出来。