美国限制华为封喉之剑！揭秘芯片制造心脏EDA产业，国产路在何方？【附下载】| 智东西内参

看点：三大寡头垄断的EDA行业，国内公司如何实现自主可控？

EDA(电子设计自动化)是芯片之母，是芯片产业皇冠上的明珠：EDA软件工具涵盖了IC设计、布线、验证和仿真等所有方面。EDA是集成电路设计必需、也是最重要的软件工具，EDA产业是IC设计最上游、最高端的产业。

国内EDA产业发展从上世纪八十年代中后期开始，本土EDA企业有华大九天、芯禾科技、广立微电子、博达微科技、概伦电子、蓝海微科技、奥卡思微电等七家。这些企业虽然产品不够齐全、集成度不够高，但在点工具上取得了一定的成绩。其中，华大九天是全球唯一的能够提供全流程FPD设计解决方案的供应商，获得了大部分知名面板厂的市场份额。

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本期内参来源：东兴证券

原标题：

《电子设计软件EDA专题报告》

作者：王健辉 叶盛 陈宇哲

EDA全景概述：IC设计全流程

何谓EDA？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。

▲EDA历史沿革

IC产业链：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”。

芯片设计流程：芯片设计可分为前端和后端，前端主要负责逻辑实现，后端跟工艺紧密结合。

▲芯片产业链各流程主要企业 ▲芯片设计和生产流程图

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。

▲EDA分类

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。

EDA是集成电路产业领域内 “小而精”的环节，产值较小但又极其重要。数据显示，2018年整个EDA的市场规模仅为97.15亿美元，2014-2018年复合增长率在6.89%左右，相对于几千亿美金的集成电路产业来说不值一提，但如果缺少了这个产品，全球所有的芯片设计公司都得停摆。

在2017年，IP核的交易已经超越了EDA工具和服务本身，成为EDA产业交易规模最大的一部分。

▲2014-2018年全球EDA市场规模（百万美元） ▲ 2017年与2018年全球EDA市场规模（百万美元）

EDA三巨头：Synopsys、Cadence、Mentor Graphics

EDA三巨头：EDA市场份额占据前三位的Synopsys、Cadence和被西门子收购的Mentor Graphics。

三大EDA企业占全球市场的份额超过60%。其中，Synopsys是全球最大的EDA企业，2018年的市场份额已达到32.1%；Cadence仅次于Synopsys，2018年市场占有率为22.0%；Mentor Graphics在被收购之前也能保持超过10%的市场占有率。在2017年中国工业软件企业排行榜中，Synopsys排名35位，Cadence和Mentor Graphics分列第47、48位。

▲2014-2018年EDA三巨头公司收入所占份额 ▲EDA三巨头基本情况

Synopsys（新思科技）成立于1986年，由Aart de Geus带领通用电气工程师团队创立，在2008年成为全球排名第一的EDA软件工具领导厂商，为全球电子市场提供技术先进的集成电路设计与验证平台。

Synopsys在EDA行业的市场占有率约30%，它的逻辑综合工具DC和时序分析工具PT在全球EDA市场几乎一统江山。

▲2010-2019年Synopsys营业收入及增速情况 ▲2010-2019年Synopsys净利润及增速情况

Cadence（铿腾电子）是EDA行业销售排名第二的公司，在1988年由SDA与ECAD两家公司兼并而成，Cadence通过不断扩展、兼并、收购，到1992年已占据EDA行业龙头地位，但到2008年被Synopsys超越。

Cadence产品涵盖了电子设计的整个流程，包括系统级设计、功能验证、集成电路综合及布局布线、IC物理验证、模拟混合信号及射频集成电路设计、全定制集成电路设计、PCCE设计和硬件仿真建模等。全球知名半导体与电子系统公司均将Cadence软件作为其全球设计的标准。Cadence的Virtuso工具历经27年不衰，成为业内传奇。

▲2010-2019年Cadence营业收入及增速情况 ▲2010-2019年Cadence净利润及增速情况

Mentor Graphics（明导国际，2016年被德国西门子收购）1981年成立，90年代遇到经营困境，软件的研发严重落后于进度，大量长期客户流失。直到94年公司组织结构大调整后，才重新崛起。

Mentor Graphics是一家EDA软件和硬件公司，也是电路板解决方案的市场领导者，主要提供电子设计自动化先进系统电脑软件与模拟硬件系统。Mento的工具虽没有前两家全面，没有涵盖整个芯片设计和生产环节，但在有些领域，如PCB（印刷电路板）设计工具等方面有相对独到之处。

▲2010-2016年Mentor营业收入及增速情况 ▲2010-2016年Mentor净利润及增速情况

EDA公司提供给IC公司的一般都是全套工具，因此EDA集成度高的公司产品更有优势。三巨头基本都能提供全套的芯片设计EAD解决方案。

Synopsys最全面，它的优势在于数字前端、数字后端和PT signoff。模拟前端的XA，数字前端的VCS，后端的sign-off tool，还有口碑极好的PT、DC和ICC功能都很强大。Synopsys有垄断市场90%的TCAD器件仿真和垄断50%的DFM工艺仿真，这是其在EDA产业竞争中的一把利器。

Cadence的强项在于模拟或混合信号的定制化电路和版图设计，功能很强大，PCB相对也较强，但是Signoff的工具偏弱。

Mentor Graphic在后端布局布线这块比较强，在PCB上也很有优势，它的优势是Calibre signoff和DFT，但Mentor Graphic在集成度上难以与前两家抗衡。

此外，除了卖license以外，EDA企业还可以提供IP授权（硬核和软核），这个对于很多中小规模的设计公司是很有吸引力的。授权的IP通常有memory，Serdes和Power management之类的研发成本或门槛相对较高的硬核。

目前Synopsys企业的IP业务全球排名第二；

Cadence的IP业务销售额也在逐年增加；

Mentor在IP业务上和Synopsys与Cadence几乎没有竞争力。

▲芯片设计部分流程使用的三巨头工具

Synopsys提供的产品与服务主要分为四类：EDA、IP、制造解决方案、专业服务与其他，其中EDA产品占Synopsys总收入中的一半以上。

▲Synopsys产品分类

Synopsys是EDA三大巨头之首。占据统治地位的产品为逻辑综合工具DC(design compiler)，时序分析工具PT(prime time)。

Synopsys的EDA和IP客户通常是半导体和电子系统公司。除此之外，Synopsys还为包括电子、金融服务、媒体、汽车、医药、能源和工业等不同行业客户提供软件安全解决方案。

Intel是Synopsys最大客户，2016-2018三年公司总营业额中分别有15.9%、17.9%、15.4%来自Intel。除此之外，公司没有占总收入份额超过10%的客户。

▲2017-2019年Synopsys各类产品或服务营收占比情况

Cadence将主营业务分为五类，分别是验证、数字设计、模拟、PCB、IP，其中前三项的地位更为重要，占主营业务收入的份额在75%左右。

Cadence为EDA业界第二厂商，工具集中在模拟电路，PCB电路，FPGA工具。Cadence也有一套完整的ASIC设计工具，但在与Synosys竞争中处下风。但在全定制设计中Virtuso仍然非常强大，Cadence之所以稳居第二，决定于其强大的模拟电路设计工具。

▲2018年Cadence各细分领域占营业额的比重 ▲Cadence主要产品 ▲Cadence主要平台

Mentor公司为业界第三，虽然排行第三，但体量比前两家要小不少。

Mentor在EDA厂商中始终占有一席之地的原因是其点工具做得非常好，比如Mentor的PCB设计工具，全面而且信号分析准确。比如ASIC流程中的Calibre在版图LVS，DRC中占有率超出其他两家，比如DFT工具DFTAdvisor在DFT工具中绝对占据优势地位。由于Synopys的销售策略，在DC销售时免费搭DFT compiler，对DFTAdvisor造成一定的市场冲击。

Mentor平台并非像前两家一样大而全，虽然点工具做的很精致，但在Synopsys、Cadence的竞争压力下，发展空间日渐狭小。

▲四大EDA公司主要客户情况

Cadence 于1992年进入中国市场，是三巨头中在华布局进行最好的；Synopsys仅次于Cadence，于1995年进入中国市场；Mentor中国总部设立于上海金茂大厦，分别在北京和深圳设有销售办公室。

EDA三巨头几乎在所有细分领域都有产品涉及，而EDA行业入门门槛高，成本弹性大，对性能依赖性强，其他的EDA公司若想突围十分困难。

▲国内公司所用EDA软件基本情况

Synopsys和Cadence一直重视新技术的开发，每年投入大比例资金用于研发，研发费用是公司最大的营运开支。尤其是Cadence公司，近两年研发支出占总营收的比例超过40%。

▲2010-2019年Synopsys与Cadence研发投入（百万美元）及占营业额的比重

自1986年成立以来，Synopsys通过发起几十余项并购交易，不断寻找那些已经被市场证明成功的产品及其企业，通过滚动并购操作达到了扩大业务规模、进行技术整合的目的。

2002年，Synopsys以8.3亿美元收购与Cadence结束专利诉讼的Avanti公司，使得Synopsys成为EDA历史上第一家可以提供顶级前后端完整IC设计方案的领先EDA工具供应商，并在2008年超越Cadence成为全球最大的EDA工具厂商。

▲Synopsys部分重要收购情况

Mentor Graphics自成立开始，就关注各细分市场的的佼佼者，一步步收购了多家在某些细分领域技术上数一数二的中小型EDA公司，从而实现了企业稳步发展成长的目的。

2016年11月14日西门子和Mentor Graphics(明导国际)联合发表声明，德国西门子将以每股37.25美元的价格收购美国EDA公司Mentor Graphics，总收购价格为45亿美元，价溢价21%。在收购Mentor后，西门子将增强在电子系统的设计、测试和仿真领域的软硬件实力。

美国在半导体产业发展中发挥着巨大的作用。目前，集成电路在摩尔定律的驱动下，面临物理和经济极限；拐点临近，电子技术的进步将进入下一创新阶段。在这种背景下，美国又一次走在了世界前列，推出了一项为期5年、总值15亿美元的电子复兴计划（ERI），用以支持芯片技术的开发。美国国会也增加了对ERI的投入，每年额外注资1.5亿美元。

DARPA推出ERI项目扶持芯片发展：2018年7月23-25日，DARPA为ERI计划召开了首次年度峰会，在会上，DARPA公布了2017年9月首批启动的6大项目合作研究团队，旨在扶持和培养在材料与集成、电路设计和系统架构三方面的创新性研究。

▲DARPA公布的ERI六大项目 ▲ DARPA对Cadence与Synopsys的补助情况

随着IC设计复杂度的提升，新工艺的发展，EDA行业有非常大的发展空间，目前产业两大发展方向：云计算+EDA、人工智能+EDA。目前Cadence领先。

云技术的应用主要有三大优点：1、 快速部署可提高工程效率并加速项目完成；2、 快速部署可提高工程效率并加速项目完成；3、 快速部署可提高工程效率并加速项目完成；

▲Cadence提供的云服务

人工智能+EDA ：芯片敏捷设计是未来发展的一个主要方向，深度学习等算法能够提高EDA软件的自主程度，提高IC设计效率，缩短芯片研发周期。

据Cadence的报告显示，机器学习在EDA的应用可以分为四个方面：数据快速提取模型；布局中的热点检测；布局和线路；电路仿真模型。Cadence致力于研究将机器学习应用在Virtuoso平台上，并参与了ERI中智能设计芯片项目。新思科技也在利用人工智能加速时序验证。

▲Virtuoso平台智能框架

国内EDA产业

国内EDA产业发展历史：上世纪八十年代中后期，国内开始投入EDA产业研发。1993年国产首套EDA熊猫系统问世。之后的国内EDA发展曲折而缓慢。

多个EDA厂商萌芽，因各种因素影响，国产EDA产业没有取得实质性成功。在2008年，国内从事EDA研究领域涌现了华大电子、华天中汇、芯愿景、爱克赛利、圣景微、技业思、广立微和讯美等公司。

之后十年发展，华大九天、芯愿景、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。

▲我国EDA企业成立时间

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。

▲我国EDA企业产品情况

目前国内EDA企业面对的第一个短板就是产品不够全，尤其在数字电路方面。SOC设计主流程的EDA工具数量中，来自Synopsys与Cadence公司的占有大部分，尤其是时序和功耗检查以及定制设计两步，完全由上述两家垄断，国产EDA在许多工具上仍有缺失。

▲SOC设计主流程的EDA工具数量

传统EDA公司在数据端，收集数据测试上通常没有布局，而本土EDA企业的优势定位在于：在良率优化端，广立微电子的软件和测试机；在数据端，博达微的快速参数测试方案；在仿真输入端，中国公司具有很强的主导性；在仿真端，华大九天和概伦电子实力强劲；在后端，芯禾具有完整的解决方案和竞争力。

虽然在局部形成了突破，但在像物理验证、综合实力方面离主流差距还是很大，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。

以华大九天为例，单独评估集成电路产业所需的EDA工具，华大九天已有的产品线占集成电路所需工具的三分之一左右，另外还有三分之二目前是空白。

国内EDA研发崛起策略：1、 目标定位整套EDA工具，国内各厂多样化合作，在研发上加大投入，积极扩展待开发领域，满足下游设计和制造领域的多样化需求；2、 在现有从数据到模型再到仿真的一个完整闭环,并在机器学习、算法、数据挖掘上国内技术和国外并无太大差距的基础上，可以利用数据驱动设计绕开传统大公司的限制，这是实现本土EDA崛起又一策略。

▲本土EDA企业的定位与策略

国内EDA产业短板之二：人才短缺、投入不足。人数上， 我国约有1500人的EDA软件开发工程师，但在本土EDA公司和研究单位工作的工程师只有300人左右，其他大部分都是在三大巨头工作。而放大到全球，对比于Synopsys 7000多的研发人员（当中有5000多从事EDA的研发），这个差距更是明显。研发投入上， 国产EDA与三巨头相比也差距明显。据半导体行业观察资料显示，本土EDA企业龙头华大九天，过去十年间所投研发资金也只有几个亿，而Synopsys2018近一年的研发投入约为10.8亿美元，Cadence 2018年的研发投入约为8.7亿美元。

国内EDA产业短板之三：市场培育较难，市场拓展周期较长。目前，EDA市场被三巨头垄断，国产EDA生存环境十分狭小，即使能够研发出全套的EDA工具，在短期内也难以与三巨头企业的产品抗衡。国产EDA缺乏市场，反作用于EDA的研发，造成恶性循环。目前国际环境存在不确定性，美国对中国高新技术产业的限制仍在继续，这给我国的IC产业带来了巨大挑战，但同时也面临着新的机遇。国产EDA公司化危为机，市场生态迎头赶上，是实现国产化替代、产业自主可控的重要一步。

国内EDA产业短板之四：缺乏与先进工艺的结合。 EDA是设计和工艺对接的纽带，而国内EDA厂商与先进工艺结合比较弱。

一方面，三大EDA公司有天然优势，在新工艺开发阶段与全球领先的晶圆制造厂进行全方位合作，因此对工艺理解很到位。国内EDA厂商只能在工艺开发完以后拿到部分数据，无法接触到先进工艺的核心部分，难以针对先进工艺设计、改良EDA软件，造成与三巨头的客观差距。

另一方面，国内在PDK方面不足，对国产EDA发展不利。EDA工具与工艺结合的重要支撑是工艺设计套件（PDK），PDK开发非常复杂，需要较大投入，目前国内EDA厂商都比较缺乏PDK基础，这与中国整个半导体生态不够成熟直接相关，需要半导体行业整体的进步。

解决与国产EDA与先进工艺方面结合缺失的问题，既需要国内晶圆厂提高自身的制造技术，又需要EDA企业加强和国际先进晶圆厂的合作。打造本土EDA全方位竞争力，需要产业链各界的共同努力。

IC产业链概览

半导体行业包括集成电路、敏感器件、光电子器件、分立元件等，其中集成电路占比超过80%，集成电路又分为IC设计、晶圆制造及加工、封测三个环节，EDA为集成电路的上游支撑行业。

半导体芯片企业按照运作模式的差别，可分为IDM企业、IC设计企业（Fabless）、晶圆制造代工企业（Foundry）、封装测试企业（Package&Testing House）。

▲IC产业链 ▲ 2004-2018我国集成电路销售额情况

EDA产业基础：EDA的发展需要合适的产业链环境，要想磨合工艺套件， EDA软件、IC设计公司和代工厂就必须一起打磨，构成铁三角关系成为关键。

2009年前后，IC设计公司和代工厂限制本土EDA发展：1、 中国本土的IC设计公司数量少且规模小，根本没有很好的市场环境来孕育EDA业务；2、 IC设计公司对使用国产软件存在疑虑，头部数百家IC设计企业优先考虑国外软件，而更多的IC设计企业利润微薄，几乎不考虑购买EDA软件的问题；3、 缺少代工厂的支持。

截至2019年，中国有全球头部的IC设计公司，中国有全球最多的代工厂，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%。形成良好的制造和消费格局，给予国产EDA软件足够重视，三家联手，有望破局。

▲EDA软件、IC设计公司和代工厂铁三角关系

1、IDM模式

早期的集成电路以IDM模式为主，也称为垂直集成模式。特点：集芯片设计、芯片制造、芯片封装和测试等多个产业链环节于一身，目前全球半导体前20大厂商中大部分为IDM厂商，包括三星、TI、英特尔等公司。优点：垂直集成模式相比于垂直分工模式来说，设计、制造等环节能够协同优化，有助于充分发掘技术潜力，尽可能地扩大产能、降低成本，有条件率先实验并推行新的半导体技术。缺点：IDM对企业要求更大：公司规模庞大重资产，管理成本、运营费用较高，风险更大；公司需要不断的提升工艺制程技术，研发投入高，中国本土IDM公司相对国外IDM巨头处于起步阶段。

▲部分本土IDM上市公司2019年经营情况（单位：亿元）

2、Fabless模式

随着集成电路制程节点的缩小，制造技术难度成倍增加，能跟随工艺发展的制造厂商越来越少，Fabless模式应运而生。Fabless模式下，IC设计企业只负责芯片的电路设计与销售，将生产、测试、封装等环节外包，主要企业包括联发科、博通等。

优点：Fabless模式大大降低了IC行业的进入门槛，初始投资规模小，创业难度相对较低，充分体现了专业化分工的优势，因此被大部分集成电路设计企业采用，目前国内IC设计公司大多数都采用了Fabless模式。由于Fabless公司有相对轻资产的发展属性，中国本土Fabless公司相对本土IDM公司已经发展到具有一定技术和市场领先性。

缺点：Fabless与IDM相比无法实现工艺协同优化，难以完成指标严苛的设计；与Foundry相比需要承担各种市场风险，一旦失误可能市场损失严重。

▲本土Fabless上市公司2019年经营情况（单位：亿元） ▲本土Fabless上市公司2019年经营情况（单位：亿元）

3、Foundry模式

Foundry模式专注代工生产，只负责制造、封装或测试的其中一个环节，不负责芯片设计，可以同时为多家设计公司提供服务。晶圆制造及加工是芯片制造的核心工艺，此处的设备投资非常庞大，能占到全部设备投资的70%以上。封测就是封装+测试，目的是把做好的集成电路放到保护壳中，防止损坏、腐蚀。

优点：Foundry模式不承担由于市场调研不准、产品设计缺陷等决策风险，能够发挥规模优势。缺点：投资规模较大，维持生产线正常运作费用较高；需要持续投入维持工艺水平，一旦落后追赶难度较大。现状：虽然是重资产类型公司，但是由于芯片产业链不可获取的实现环节，因此，国内近年在此领域也是通过各种形式加大投入建设力度，已经涌现出具有一定竞争力的本土厂商。

智东西认为， EDA是IC硏发的拳头，更是信息产业重要的“工业软件”，我国虽然EDA的研发 起步不晚，但如今国内EDA市场仍然被国外三大厂家所垄断。半导体技术发展至今，工艺越来越复杂、分工越来越细化，EDA软件早已不是一个单纯的软件，而是包含多种“点工具”的软件工具链。如今，三大巨头厂商的EDA软件几乎覆盖了半导体产业需要用到的所有工具，软件也并没有与主流技术脱节，想取而代之十分困难。此外，EDA软件制作门槛极高。因为EDA软件有着极其庞杂的分类，不像我们常用的办公软件，轻易就能实现“复制”，就如同“WPS”与 “Office”一样。而从当下来看，发展国内的EDA产业，不能直接和国外三大产商竞争全流程EDA工具进行竞争，只能另辟蹊径。

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