全球EDA市場現(xiàn)狀

　　2019 年以來，美國對我國國內高科技企業(yè)的制裁力度不斷加大，數(shù)次提高對國內部分高科技企業(yè)的限制級別，尤其在集成電路和 EDA 工具領域體現(xiàn)的較為明顯。例如，2019 年 EDA 三巨頭終止了與華為海思的合作，為國產芯片的發(fā)展蒙上了一層陰影。

　　目前，全球EDA市場主要被新思科技（Synopsys）、楷登電子（Cadence）和西門子EDA（Siemens EDA）三大巨壟斷，這三大巨頭占據了全球EDA市場78%的市場份額。而在國內市場，2018-2020 年中國國產 EDA 工具在國內市場銷售份額分別為 6.2%、8.3%、11.5%，盡管市占率逐步提高，但仍處于較低水平，可見海外廠商依舊占據絕對優(yōu)勢。

　　在此背景之下，國內集成電路設計及制造企業(yè)開始尋求實現(xiàn) EDA 工具軟件的進口替代。國內 EDA 廠商也迎來了巨大的發(fā)展機遇。

　　EDA是芯片設計的工具

　　EDA（Electronic Design Automation，電子設計自動化）是指利用計算機軟件完成大規(guī)模集成電路的設計、仿真、驗證等流程的設計方式，融合了圖形學、計算數(shù)學、微電子學，拓撲邏輯學、材料學及人工智能等技術。隨著集成電路產業(yè)的發(fā)展，設計規(guī)模越來越大，制造工藝越來越復雜，設計師依靠手工難以完成相關工作，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。EDA 軟件作為集成電路領域的上游基礎工具，貫穿于集成電路設計、制造、封測等環(huán)節(jié)，是集成電路產業(yè)的戰(zhàn)略基礎支柱之一。

　　EDA 作為集成電路設計的基礎工具，大致經歷了四個發(fā)展階段，目前已在計算機、通信、航天航空等領域發(fā)揮著重要作用。在 20 世紀 70 年代，由于當時電路集成度不高，設計人員可以依靠手工完成電路圖的輸入、布局和布線。但隨著集成電路產業(yè)的快速發(fā)展，面對現(xiàn)今已達萬億門級的集成度，再憑手工完成電路設計已具有極高的難度。在此期間，EDA 從一開始的通用 CAD 輔助電子設計，逐步走上了專業(yè)化、商業(yè)化的道路，EDA 技術上也不斷實現(xiàn)突破，軟件工具功能愈發(fā)強大。

　　EDA 主要對現(xiàn)代集成電路設計和制造環(huán)節(jié)形成支撐。一個完整的集成電路設計和制造流程主要包括工藝平臺開發(fā)、集成電路設計和集成電路制造三個階段，而這三個階段均需要對應的 EDA 工具作為支撐，包括用于支撐工藝平臺開發(fā)和集成電路制造兩個階段的制造類 EDA 工具以及支撐集成電路設計階段的設計類 EDA 工具。

　　同時，EDA 是連接設計和制造兩個環(huán)節(jié)的紐帶和橋梁，如集成電路設計企業(yè)需通過加載晶圓廠提供的特定工藝平臺的 PDK（或 IP 和標準單元庫），獲取電路設計所需的必要信息和數(shù)據，進而開展設計工作，而 PDK 的生成及驗證環(huán)節(jié)是需要 EDA 支撐的。

　　根據 EDA 工具使用階段可以分為集成電路制造類 EDA 工具和集成電路設計類 EDA 工具兩個主要大類。制造類 EDA 工具主要用于集成電路制造的工藝平臺開發(fā)階段及晶圓生產階段，以此可進一步劃分為兩類 EDA；設計類 EDA 工具主要用于集成電路的設計階段，按電路類型進一步可劃分為數(shù)字集成電路 EDA 和模擬集成電路 EDA 兩大類。

　?。?）集成電路制造類 EDA 工具：主要指晶圓廠（包括晶圓代工廠、IDM 的制造部門等）在工藝平臺開發(fā)階段和晶圓生產階段使用的，用于支撐其完成半導體器件/制造工藝開發(fā)、器件建模和PDK、集成電路制造等環(huán)節(jié)的 EDA 工具。該等工具能夠幫助晶圓廠完成半導體器件和制造工藝的設計，建立半導體器件的模型并通過 PDK 或建立 IP 和標準單元庫等方式提供給集成電路設計企業(yè)，并在后續(xù)根據物理實現(xiàn)后的設計文件完成制造時，優(yōu)化制造流程，提高量產良率。

　?。?）集成電路設計類 EDA 工具：根據集成電路處理的信號不同，可分為數(shù)字集成電路設計類 EDA 工具（數(shù)字EDA工具）和模擬集成電路設計類 EDA 工具（模擬EDA工具）。電學中，將連續(xù)變化的電壓、電流等物理量稱為模擬信號，而離散變化的電壓、電流則稱為數(shù)字信號。由于處理上述兩類不同信號的集成電路在形態(tài)、功能、設計流程及設計方法學等方面上差異較大，因此可按照模擬電路和數(shù)字電路各自在設計時所使用的 EDA 工具產品進行分類。

　　IC 設計可大致分為全定制與半定制設計，EDA 能對兩類設計流程實現(xiàn)全面覆蓋。

　　①半定制設計：是基于門陣列（gate-array）和標準單元（standard-cell）的，由于其成本低、周期短、芯片利用率低而適合于小批量、速度快的芯片，因此半定制設計方法一般用來設計數(shù)字電路。

　　半定制設計可以進一步分為前端設計與后端設計：

　　a、端設計又稱邏輯設計，指從輸入需求到輸出網表的過程，主要包括流程包括規(guī)格制定、詳細設計、HDL 編碼、仿真驗證、邏輯綜合、靜態(tài)時序分析、形式驗證等環(huán)節(jié)；

　　b、后端設計又稱物理設計，指從輸入網表到輸出物理版圖（GDSII 形式）的過程，包括主要流程包括可測性設計、布局規(guī)劃、時鐘樹綜合、布線、寄生參數(shù)提取、版圖物理驗證等環(huán)節(jié)。

　?、谌ㄖ圃O計：是指基于晶體管級，所有器件和互連版圖都用手工生成的設計方法，這種方法比較適合大批量生產、要求集成度高、速度快、面積小、功耗低的通用 IC 或 ASIC，因此全定制設計方法一般用來設計模擬電路及數(shù)?；旌想娐?。

　　EDA是集成電路的基石

　　目前，集成電路產業(yè)鏈主要包括上游支撐層、中游制造層及下游應用層等：

　?。?）產業(yè)鏈上游為支撐層，主要包括技術服務商、軟件供應商、材料及設備供應商等。其中，技術服務商針對集成電路設計、生產、測試、封裝及技術研發(fā)等環(huán)節(jié)提供各類模塊化/專業(yè)化技術服務；軟件供應商主要從事設計工具開發(fā)、銷售和服務；材料及設備供應商提供集成電路設計和制造全過程所需的硅片、光刻膠、掩模版等原材料，以及硅片制造、晶圓制造、封測等專用設備。

　?。?）產業(yè)鏈中游為制造層，主要包括集成電路設計、生產、封裝和測試企業(yè)。其中，集成電路設計企業(yè)通過對集成電路系統(tǒng)、邏輯、電路和性能的研究設計，最終轉化為物理設計版圖；集成電路生產企業(yè)負責晶圓生產，利用設計版圖制作光掩模版，并以多次光刻的方法將電路圖形呈現(xiàn)于晶圓上，最終在晶圓表面/內部形成立體電路；集成電路封裝企業(yè)主要將加工完成的晶圓，進行切割、封塑和包裝，以保護管芯并最終形成芯片產品；集成電路測試企業(yè)主要對芯片的可靠性、穩(wěn)定性等進行檢測。

　?。?）產業(yè)鏈下游包括各應用領域的系統(tǒng)廠商或制造商。該等企業(yè)最終將各類芯片成品集成于自身產品（如工業(yè)產品、消費電子產品、計算機相關產品、通信及周邊產品）中并投入市場。EDA 屬于集成電路產業(yè)鏈上游支撐層中的軟件工具類，是整個集成電路產業(yè)的核心環(huán)節(jié)之一。目前，EDA 工具軟件已廣泛運用于產業(yè)鏈中游的設計、生產、封裝、測試等環(huán)節(jié)。

　　EDA 對行業(yè)生產效率、產品技術水平有重要影響。從集成電路設計的角度看，設計人員必須使用EDA 工具設計幾十萬到數(shù)十億晶體管的復雜集成電路，以減少設計偏差、提高流片成功率及節(jié)省流片費用。EDA 行業(yè)的市場狀況與集成電路設計業(yè)的發(fā)展狀況緊密相關，每年 EDA 市場表現(xiàn)情況與設計企業(yè)營收狀況具有高度一致性。從集成電路制造的角度看，芯片制造工藝不斷演進，而新材料、新工藝相關的下一代制造封測 EDA 技術將給集成電路性能提升、尺寸縮減帶來新的發(fā)展機遇。

　　芯片/集成電路產業(yè)呈現(xiàn)倒金字塔狀，EDA 處于基石地位，支撐著規(guī)模龐大的數(shù)字經濟。從市場價值來看，根據賽迪智庫數(shù)據，2020 年 EDA 行業(yè)的全球市場規(guī)模超過 70 億美元，卻支撐著數(shù)十萬億規(guī)模的數(shù)字經濟。在中國這個全球規(guī)模最大、增速最快的集成電路市場，EDA 杠桿效應更大?？梢韵胂?，一旦 EDA 這一產業(yè)基礎出現(xiàn)問題，包括集成電路設計企業(yè)在內的全球集成電路產業(yè)必將受到重大影響，由 EDA 工具、集成電路、電子系統(tǒng)、數(shù)字經濟等構成的倒金字塔產業(yè)鏈結構穩(wěn)定將面臨巨大挑戰(zhàn)。

　　EDA 技術讓更大規(guī)模的集成電路成為可能，并能極大地降低軟件設計成本。隨著現(xiàn)在的芯片越來越復雜，目前最常用的 SOC 的晶體管個數(shù)更是動輒就是幾億，甚至上十億，其設計的復雜度決定了必須要由 EDA 完成。

　　此外，根據加州大學圣迭戈分校 Andrew Kahng 教授在 2013 年的推測，2011 年設計一款消費級應用處理器芯片的成本約 4000 萬美元，如果不考慮 1993 年至 2009 年的EDA 技術進步，相關設計成本可能高達 77 億美元，EDA 技術進步讓設計效率提升近 200 倍。EDA工具的發(fā)展從整體上提升了芯片設計的效率，從而平抑了芯片設計的總體成本。

　　IP 是現(xiàn)代集成電路設計與開發(fā)工作中不可或缺的要素。IP 核（Intellectual Property Core）是指在半導體集成電路設計中那些可以重復使用的、具有自主知識產權功能的設計模塊。隨著超大規(guī)模集成電路設計、制造技術的發(fā)展，集成電路設計步入 SoC 時代，設計變得日益復雜，利用預先設計、驗證好的功能模塊就可大幅提升設計效率。以 IP 復用、軟硬件協(xié)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(guī)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。

　　EDA 公司同樣具備為下游客戶提供豐富 IP 方案的能力。EDA 公司下游客戶包括眾多的設計公司，為了提高設計效率，他們無需對芯片每個細節(jié)進行設計，通過購買 IP 方案就可以實現(xiàn)某個特定功能，而如何選擇 IP 方案就成為了關鍵。

　　與 EDA 的生態(tài)類似，客戶往往會成熟可靠的 IP 方案以及IP 供應商，客戶粘性較大。若 EDA 公司將 IP 授權與 EDA 銷售捆綁在一起，就不僅能為客戶提供更加完整高效的芯片設計方案，還能提升客戶粘性與品牌競爭力，進一步推動 EDA 與 IP 生態(tài)的完善。

　　目前，IP 授權已經成為 Synopsys 與 Cadence 兩大 EDA 巨頭的重要收入來源。根據 IPnest數(shù)據，2020 年 Synopsys 與 Cadence 分別位列全球 IP 授權市場份額的第二、三位，僅次于全球IP 供應商龍頭 ARM。