東吳證券：2022年芯片EDA行業(yè)研究報告

數?；旌?IC 中通常模擬電路是核心，數字電路用來(lái)控制模擬電路實(shí)現特定的算法。在 IC 設計部分，EDA 軟件主要有模擬 IC 和數字 IC 的兩大類(lèi)設計軟件。

1.EDA是“半導體皇冠上的明珠”

1.1. EDA 是用于 IC 設計生產(chǎn)的工業(yè)軟件

EDA 是用來(lái)輔助超大規模集成電路設計生產(chǎn)的工業(yè)軟件。EDA 全稱(chēng)是電子設計自動(dòng)化（Electronic Design Automation），是指用于輔助完成超大規模集成電路芯片設計、制造、封裝、測試整個(gè)流程的計算機軟件。隨著(zhù)芯片設計的復雜程度不斷提升，基于先進(jìn)工藝節點(diǎn)的集成電路規?？蛇_到數十億個(gè)半導體器件，不借助 EDA 已經(jīng)無(wú)法完成芯片設計。EDA 與產(chǎn)業(yè)鏈結合愈加緊密，已經(jīng)成為提高設計效率、加速技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵推手。

EDA 幾乎涉及集成電路的各個(gè)方面。在設計生產(chǎn)流程方面，EDA 被應用在芯片系統的設計、制造、封裝、測試全流程，涉及給芯片設計公司使用的設計類(lèi)軟件和給晶圓廠(chǎng)使用的晶圓制造軟件等。從電子系統層級上看，EDA 包括芯片、多芯片模塊和印制電路（PCB）板多個(gè)層級。

EDA 杠桿效應、經(jīng)濟效應顯著(zhù)。根據 ESD Alliance 和 WSTS 數據，2020 年全球 EDA 市場(chǎng)規模僅為 115 億美元，卻撬動(dòng)著(zhù) 4404 億美元市場(chǎng)規模的半導體行業(yè)。一旦 EDA 這一產(chǎn)業(yè)鏈基礎出現問(wèn)題，整個(gè)集成電路產(chǎn)業(yè)都會(huì )受到重大影響，EDA 行業(yè)也是 最容易被外國“卡脖子”的關(guān)鍵領(lǐng)域。此外，EDA 對于節省芯片設計成本有著(zhù)舉足輕重 的作用。根據加州大學(xué)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 4,000 萬(wàn)美元，如果不考慮 1993 年至 2009 年的 EDA 技術(shù)進(jìn)步，相關(guān)設計成本可能高達 77 億美元，EDA 技術(shù)進(jìn)步讓設計效率提升近 200 倍。以新思科技（Synopsys）2021 年 8 月推出的 EDA 設計平臺 DSO.ai 為例，通過(guò)引入人工智能，芯片設計中不需要去完整模擬無(wú)數次可能的布局，可以讓芯片設計在研 發(fā)成本上減半，研發(fā)時(shí)間甚至也可以從 24 個(gè)月減少到 2 周。

1.2. EDA 的分類(lèi)

針對不同種類(lèi)芯片，EDA 有不同的工具。集成電路芯片（Integrated Circuit Chip， 簡(jiǎn)稱(chēng) IC）從結構上可以分為數字 IC、模擬 IC 和數?；旌?IC。數字 IC 指用于傳遞、加 工、處理數字信號（0 或 1 的非連續信號）的 IC。模擬 IC 指處理連續性的光、聲音、速度、溫度等自然模擬信號的 IC。數?；旌?IC 指同時(shí)包含模擬電路部分和數字電路部分的 IC。數?；旌?IC 中通常模擬電路是核心，數字電路用來(lái)控制模擬電路實(shí)現特定的算法。在 IC 設計部分，EDA 軟件主要有模擬 IC 和數字 IC 的兩大類(lèi)設計軟件。

從設計步驟上芯片設計分為前端設計和后端設計。前端設計和后端設計并沒(méi)有統一嚴格的界限，根據具體公司和產(chǎn)品會(huì )略有不同。一般來(lái)講用設計的電路實(shí)現想法就是前端設計；將設計的電路制造出來(lái)，在工藝上實(shí)現想法就是后端設計。這就好比修蓋房屋，建筑設計圖就屬于前端設計，設計出房子的外部造型和內部結構；建筑施工圖屬于后端設計，細化到建筑施工的步驟、方法和材料的用量、選擇。

從設計維度上芯片設計可以分為五個(gè)層級。設計類(lèi) EDA 工具根據設計方法學(xué)的不同，按照設計層級自上而下，可進(jìn)一步細分為行為級、系統級、RTL 級、門(mén)級、晶體管級 EDA 工具。各層級 EDA 工具的仿真和驗證精度依次提升、速度依次降低，其擬實(shí)現的目標和應用場(chǎng)景也有所不同。例如高層級的系統和行為級仿真和驗證主要適用于產(chǎn)品設計早期的原型驗證，評估產(chǎn)品原型的性能和功能；最底層的晶體管級仿真和驗證則主要決定了最終產(chǎn)品的性能和良率。針對于大規模集成電路，設計方法往往從系統和行為級設計開(kāi)始，逐層設計、仿真、驗證和實(shí)現，并輸出可以交付制造的晶體管級版圖信息。

數字芯片和模擬芯片設計流程有很大不同。數字 IC 設計主要在抽象級別上完成， 不需要關(guān)注門(mén)/晶體管級放置和路由的細節，對設計人員經(jīng)驗要求相對較低。模擬 IC 設計通常涉及每個(gè)電路的個(gè)性化特點(diǎn)，甚至涉及每個(gè)晶體管的大小和細節，設計和驗證更為復雜，對設計人員經(jīng)驗要求更高。

從設計自動(dòng)化程度上芯片設計又可以分為全定制、半定制設計，全定制主要用于模擬芯片，半定制用于數字芯片。全定制設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方法。這種設計的很多工作要由人工完成，不便于直接利用現存電路的成果，設計周期較長(cháng)，成本也高。全定制設計多用于模擬 IC 和數?；旌?IC。半定制設計是基于門(mén)陣列和標準單元的，按用戶(hù)所需功能，把成熟的、已優(yōu)化的單元連接起來(lái)。半定制設計成本低、周期短、芯片利用率低，適合于小批量、速度快的生產(chǎn)，多用于數字 IC。

正因為數字芯片在抽象級別上完成，且對自動(dòng)化程度要求更高，因此數字IC類(lèi)EDA 工具的技術(shù)門(mén)檻更高。

1.3. EDA 的歷史：從 CAD 到 EDA

第一階段：計算機輔助設計（CAD）時(shí)代。在集成電路應用的早期階段，集成電路集成度較低，設計、布線(xiàn)等工作由設計人員手工完成。20 世紀 70 年代中期開(kāi)始，隨著(zhù)芯片集成度的提高，設計人員開(kāi)始嘗試將整個(gè)設計工程自動(dòng)化，使用計算機輔助設計 （CAD）進(jìn)行晶體管級版圖設計、PCB 布局布線(xiàn)、設計規則檢查、門(mén)級電路模擬和測試等流程。

第二階段：計算機輔助工程（CAED）時(shí)代。1980 年卡弗爾·米德和琳·康維發(fā)表 的論文《超大規模集成電路系統導論》提出了通過(guò)編程語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行芯片設計，是電子設 計自動(dòng)化發(fā)展的重要標志。EDA 工具也在這個(gè)時(shí)期開(kāi)始走向商業(yè)化，全球 EDA 技術(shù)領(lǐng)導廠(chǎng)商新思科技（Synopsys）、楷登電子（Cadence）、西門(mén)子 EDA（2017 年收購的 MentorGraphics）分別于 1986 年、1988 年和 1981 年在美國成立。

第三階段：電子設計自動(dòng)化（EDA）時(shí)代。20 世紀 90 年代以后芯片集成度的不斷提高和可編程邏輯器件的廣泛應用給 EDA 技術(shù)提出了更高的要求，也促進(jìn)了 EDA 設計工具的普及和發(fā)展，出現了以高級語(yǔ)言描述、系統級仿真和綜合技術(shù)為特征的 EDA 技術(shù)。

第四階段：現代 EDA 時(shí)代。21 世紀以來(lái)，EDA 工具快速發(fā)展，并已貫穿集成電路設計、制造、封測的全部環(huán)節。對于上億乃至上百億個(gè)晶體管規模的芯片設計，EDA 工 具保證了各階段、各層次設計過(guò)程的準確性，降低了設計成本、縮短了設計周期、提高了設計效率，是集成電路產(chǎn)業(yè)產(chǎn)能、性能進(jìn)步的源頭，EDA 工具的發(fā)展加速了集成電路產(chǎn)業(yè)的技術(shù)革新。同時(shí)伴隨著(zhù)智能手機、4G/5G、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，射頻 EDA 軟件迎來(lái)了發(fā)展的黃金階段。

1.4. EDA 的未來(lái)：與先進(jìn)技術(shù)結合

后摩爾時(shí)代技術(shù)演進(jìn)驅動(dòng) EDA 技術(shù)應用延伸拓展。后摩爾時(shí)代的集成電路技術(shù)演進(jìn)方向主要包括延續摩爾定律、擴展摩爾定律以及超越摩爾定律三類(lèi)，主要發(fā)展目標涵蓋了建立在摩爾定律基礎上的生產(chǎn)工藝特征尺寸的進(jìn)一步微縮、以增加系統集成的多重功能為目標的芯片功能多樣化發(fā)展，以及通過(guò)三維封裝、系統級封裝等方式實(shí)現器件功能的融合和產(chǎn)品的多樣化。其中，面向延續摩爾定律方向，單芯片的集成規模呈現爆發(fā)性增長(cháng)，為 EDA 工具的設計效率提出了更高的要求。面向擴展摩爾定律方向，伴隨邏輯、模擬、存儲等功能被疊加到同一芯片，EDA 工具需具備對復雜功能設計的更強支撐能力。面向超越摩爾定律方向，新工藝、新材料、新器件等的應用要求 EDA 工具的發(fā)展在仿真、驗證等關(guān)鍵環(huán)節實(shí)現方法學(xué)的創(chuàng )新。

后摩爾時(shí)代系統設計是 EDA 技術(shù)變化方向。在原有摩爾定律定義下，芯片性能提升主要來(lái)自工藝和架構，但工藝制程提升接近極限，摩爾定律顯著(zhù)放緩。在此背景下，汽車(chē)、人工智能等領(lǐng)域的大型公司都開(kāi)始定制自己的片上新系統，將其認定為自己差異化競爭的關(guān)鍵因素。因此，對于 EDA 廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)，把定位從芯片設計轉換到基于軟硬件協(xié)同的系統級設計是未來(lái)重要發(fā)展方向。

AI 和云技術(shù)促使 EDA 更加智能化和自動(dòng)化。AI 智能化的目標是從現有的 EDA 使用過(guò)程中大幅減少芯片架構探索、設計、布局布線(xiàn)等重復性、低創(chuàng )造性工作的人力占比，利用 AI 算法進(jìn)行自動(dòng)架構探索、設計生成和物理設計。隨著(zhù)芯片設計復雜度的提升，數據量和計算量直線(xiàn)上升，云技術(shù)的使用使得 EDA 軟件能夠具有彈性計算、安全儲存、快速更新等功能，從而滿(mǎn)足大數據量和計算量下的更高使用要求。

平臺化和服務(wù)化?，F有 EDA 是“工具和 IP 集合包”，未來(lái)有望發(fā)展為 EDA 平臺，EDA 平臺化將更加方便設計、制造、測試、封裝上下游產(chǎn)業(yè)鏈相互溝通，共享資源。同時(shí) EDA 平臺有望鏈接不同的設計、制造等廠(chǎng)商的橫向鏈接，促進(jìn)生態(tài)建設。雖然智能化不斷提升，但仍需要人工支持提供服務(wù)，服務(wù)平臺的構建可以提供專(zhuān)業(yè)的咨詢(xún)和設計服務(wù)以及相關(guān)定制服務(wù)，從而滿(mǎn)足個(gè)性化的需求。

2.全球EDA市場(chǎng)寡頭壟斷，國產(chǎn)EDA市場(chǎng)快速增長(cháng)

2.1. 全球 EDA 市場(chǎng)平穩發(fā)展，三大巨頭壟斷

2020 年全球 EDA 市場(chǎng)規模為 115 億美元，已經(jīng)進(jìn)入平穩發(fā)展期。根據 ESDAlliance 數據，2020 年全球 EDA 市場(chǎng)規模為 115 億美元，2010-2020 年 10 年復合增速為 8%。根據 Verified Market Research 數據，2028 年全球 EDA 市場(chǎng)規模有望達到 215.6 億美元，2020-2028 年 8 年復合增速為 8.21%?？傮w來(lái)看，全球 EDA 市場(chǎng)增速已經(jīng)較為平穩。

數字 IC 為 EDA 市場(chǎng)主要構成部分。從下游芯片市場(chǎng)情況來(lái)看，數字芯片占據大部分市場(chǎng)份額，根據 WSTS 數據，2020 年數字芯片市場(chǎng)規模達到 3055.68 億美元，占整體集成電路市場(chǎng)的 84.59%。受下游需求的影響，數字 IC 構成了 EDA 市場(chǎng)的主要部分，根據 ESD Alliance 數據，2019 年數字全流程 EDA 業(yè)務(wù)規模達到 36.04 億美元，占總體市場(chǎng)的 52.8%。

全球 EDA 企業(yè)按照業(yè)務(wù)水平可以大致分為三個(gè)梯隊。第一梯隊由 Synopsys、 Cadence、Siemens EDA 三家國際知名 EDA 企業(yè)組成。該類(lèi)企業(yè)業(yè)務(wù)遍布全球，科研實(shí)力雄厚，有全流程 EDA 產(chǎn)品，在部分領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，2020 年收入規模達到 10-40 億美元。第二梯隊以 ANSYS、Silvaco、Aldec Inc.、華大九天等為代表，該類(lèi)企業(yè)擁有特定領(lǐng)域全流程 EDA 產(chǎn)品，在局部領(lǐng)域技術(shù)較為領(lǐng)先，2020 年收入規模處于 0.5-5 億 美元區間。第三梯隊以 Altium、Concept Engineering、概倫電子、廣立微、思爾芯、 DownStream Technologies 等為代表，該類(lèi)企業(yè)在 EDA 上的布局主要以點(diǎn)工具為主，缺少 EDA 特定領(lǐng)域全流程產(chǎn)品，2020 年收入規模低于 0.5 億美元。

三大巨頭壟斷全球 EDA 市場(chǎng)。根據 ESD Alliance 和前瞻產(chǎn)業(yè)研究院數據，新思科技（Synopsys）、楷登電子（Cadence）與西門(mén)子 EDA（2016 年收購的 Mentor Graphics） 三大寡頭 2020 年全球 EDA 市場(chǎng)營(yíng)收份額占比約為 70%。三大巨頭是全球僅有的擁有設 計全流程 EDA 工具解決方案的企業(yè)，其他企業(yè)缺少布局設計全流程工具技術(shù)的實(shí)力。

其中，Synopsys(新思科技，美國)一直致力于復雜芯片系統(SoCs)的開(kāi)發(fā)。Synopsys 的邏輯綜合工具 DC(design compiler)和時(shí)序分析工具 PT(Prime Time)在全球 EDA 市場(chǎng)認 可度較高。Cadence(楷登電子科技，美國)產(chǎn)品涵蓋了電子設計的整個(gè)流程。全球知名半導體與電子系統公司均將 Cadence 軟件作為其全球設計的標準。Mentor Graphics(明導國際，2016 年被德國西門(mén)子收購)工具雖沒(méi)有前兩家全面，但在某些領(lǐng)域，如 PCB（印刷電路板）設計工具等方面有可圈可點(diǎn)的獨到之處。

全球 EDA 第一廠(chǎng)商 Synopsys（新思科技)。新思科技成立于 1986 年，在 2008 年成 為全球營(yíng)收排名第一的 EDA 軟件廠(chǎng)商。2020 年新思科技營(yíng)收為 36.85 億美元，歸母凈利潤為 6.63 億美元，2020 年在全球 EDA 市場(chǎng)的營(yíng)收份額為 32%。新思科技產(chǎn)品線(xiàn)最為全面，是全球唯一一家覆蓋了從硅的生產(chǎn)制造、芯片測試、到設計全流程的 EDA 公司，公司產(chǎn)品優(yōu)勢體現在數字前端、數字后端和驗證測試等環(huán)節。

曾經(jīng)的霸主 Cadence（楷登電子）。Cadence 在 1988 年由 SDA 與 ECAD 兩家公司兼并而成，Cadence 通過(guò)一系列收并購，在 1992 年成為 EDA 行業(yè)營(yíng)收第一名的霸主，但在 2008 年被 Synopsys 超越，2020 年營(yíng)收為 26.83 億美元，歸母凈利潤為 5.91 億美元。Cadence 的優(yōu)勢在于模擬和混合信號的定制化電路和版圖設計。

Mentor Graphics(明導國際，2016 年被德國西門(mén)子收購)。Mentor Graphics 于 1981 年成立，20 世紀 90 年代遇到經(jīng)營(yíng)困境，產(chǎn)品研發(fā)落后于行業(yè)競爭對手，大量長(cháng)期客戶(hù)流失，難以與其他兩家公司競爭，直到 1994 年公司組織結構大調整后，才重新崛起。Mentor Graphics 2016 年被西門(mén)子收購，不再單獨披露相關(guān)財務(wù)數據，2016 年營(yíng)收為 12.82 億美元，歸母凈利潤為 1.55 億美元。Mentor Graphics 在物理驗證和 PCB 領(lǐng)域優(yōu)勢明顯。

2.2. 中國 EDA 市場(chǎng)增長(cháng)迅速，國產(chǎn)化率極低

與國際市場(chǎng)相比，中國 EDA 市場(chǎng)規模增速更快。根據賽迪智庫數據，2018 年，我國 EDA 市場(chǎng)總銷(xiāo)售額為 44.9 億元，而到 2020 年我國 EDA 市場(chǎng)銷(xiāo)售額已經(jīng)達到 66.2 億 元，2 年復合增速為 21.42%，遠高于全球市場(chǎng)營(yíng)收規模 2018-2020 年 2 年 9%的復合增速。

中國 EDA 市場(chǎng)國產(chǎn)化率極低，三大巨頭仍然壟斷。雖然中國 EDA 市場(chǎng)營(yíng)收規模增速遠高于全球增速，但由于我國 EDA 廠(chǎng)商起步較晚，在產(chǎn)品性能與生態(tài)協(xié)同方面均處于劣勢，國內市場(chǎng)份額大多為國外廠(chǎng)商所占據。根據賽迪智庫和前瞻產(chǎn)業(yè)研究院數據，2020 年國際 EDA 三大巨頭 Synopsys，Cadence 和 Siemens EDA 在我國合計營(yíng)收規模市 場(chǎng)份額占比為 78%，國產(chǎn)廠(chǎng)商占比不到 15%，國產(chǎn)化率極低，國產(chǎn)替代空間廣闊。

2.3. IP 業(yè)務(wù)是 EDA 新增長(cháng)極

計算機輔助工程（CAE）和 IP 為 EDA 市場(chǎng)業(yè)務(wù)主要構成部分。EDA 市場(chǎng)業(yè)務(wù)主要可以細分為計算機輔助工程（CAE）、IC 物理設計及驗證、PCB 與多芯片模塊以及半導體 IP 核等。根據 ESD Alliance 數據，從細分領(lǐng)域看，EDA 各細分領(lǐng)域營(yíng)收占比基本 保持穩定，2020 年占據市場(chǎng)規模較大的部分為 CAE 與 IP，兩者合計占比達到近 67%。其中 CAE（Computer Aided Engineering）主要包括電子系統級設計及綜合驗證、設計輸入、邏輯驗證、模擬和混合信號模擬器、形式驗證、時(shí)序/仿真分析以及測試/測試自動(dòng)化設計。IP（Intellectual Property Core）是芯片設計圖中具有獨立功能電路模塊的成熟設計。設計師可以把成熟的 IP 模塊設計應用于多個(gè)復雜的芯片的電路設計圖中，能避免復雜和重復的設計工作，縮短設計周期，提高芯片設計的成功率。IP 業(yè)務(wù)從 2010 年開(kāi)始在 EDA 市場(chǎng)營(yíng)收占比開(kāi)始不斷增長(cháng)，到 2020 年已經(jīng)達到 35.22%，成為了營(yíng)收占比最大的 業(yè)務(wù)領(lǐng)域。

IP 已經(jīng)成為海外 EDA 公司的重要收入。Synopsys 和 Cadence 的 IP 收入占總營(yíng)收比重逐年增長(cháng)，尤其是 Synopsys，2020 年，Synopsys 的 IP 收入占總營(yíng)收比重已經(jīng)達到 33%。Synopsys 對于 IP 業(yè)務(wù)的布局，更加穩固了其在 EDA 市場(chǎng)全球領(lǐng)先的地位。三大 巨頭中的 Mentor Graphics 對于 IP 的定位不同，于 2004 年就選擇退出 IP 市場(chǎng)，也一定程度上導致了最終被 Siemens 收購的結局。

3.從美國EDA強盛之路看EDA產(chǎn)業(yè)發(fā)展規律

3.1. 政府支持是基石

美國國家科學(xué)基金每年提供大量資金支持。美國國家科學(xué)基金（NSF）主要負責促 進(jìn)突破性的發(fā)現，據 IEEE 數據，美國國家科學(xué)基金（NSF）在 1984 年至 2015 年間共 支持了 1190 個(gè)與 EDA 強相關(guān)的研究課題，每年投資額大約在 800 萬(wàn)美元到 1200 萬(wàn)美元。

半導體研究聯(lián)盟促進(jìn)企業(yè)集中技術(shù)創(chuàng )新。除 NSF 外，半導體研究聯(lián)盟（SRC）也為美國 EDA 行業(yè)的發(fā)展提供了幫助。SRC 是世界領(lǐng)先的大學(xué)半導體和相關(guān)技術(shù)研究聯(lián)盟， 是推動(dòng)美國半導體共性技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵性力量。其行業(yè)合作伙伴包括應用材料公司 AM、格羅方德 GLOBALFOUNDRIES、IBM、英特爾公司、美光科技公司、雷神公司、德州 儀器公司和聯(lián)合技術(shù)公司。SRC 在整合行業(yè)資源、專(zhuān)注于共性的“競爭前”領(lǐng)域起到了關(guān)鍵作用，各家 EDA 企業(yè)通過(guò) SRC 將研究資金聚集起來(lái)集中力量進(jìn)行產(chǎn)業(yè)共性技術(shù)創(chuàng )新。

NSF 與 SRC 相互合作幫助企業(yè)渡過(guò)初期難關(guān)。NSF 資助的 EDA 研究項目主要為剛剛起步、較為初期的階段，在項目技術(shù)成熟度逐漸提高后，SRC 成為了接棒者，繼續給予支持。EDA 是技術(shù)密集型行業(yè)，前期需要大量的研發(fā)投入，商業(yè)回報較小，需要像 NSF、SRC 這樣的政府機構給予支持。

美國 DARPA 實(shí)行 ERI 計劃為 EDA 企業(yè)持續賦能。為迎接后摩爾定律的挑戰，美國國防高級研究計劃局（DAPRA）于 2017 年啟動(dòng)電子復興計劃（ERI），在隨后 2018- 2023 年內投資約 15 億美元，旨在解決半導體技術(shù)的發(fā)展瓶頸，2020 年美國兩黨兩院建議追加 20 億美元用于 ERI 計劃。ERI 計劃主要聚焦于三個(gè)重點(diǎn)方向：材料和集成、架構和設計，其中設計部分可以拆分為 IDEA 與 POSH 兩部分。2018 年 7 月，美國首屆 “ERI”峰會(huì )召開(kāi)，會(huì )議選出了 ERI 第一批入圍扶持項目。其中，Cadence 獲得了 IDEA 項目 2410 萬(wàn)美元的補貼，該項目致力于創(chuàng )建一個(gè)“無(wú)需人工參與”的芯片布局規劃生成器。Synopsys 獲得了 POSH 項目 610 萬(wàn)美元的補貼，該項目旨在用開(kāi)源的方式，實(shí)現復雜 SoC 的低成本設計。

注重大學(xué)研究，建立大學(xué)研究中心網(wǎng)絡(luò )，為大學(xué)提供充足資金支持。2013 年，SRC 公布了 STARnet 計劃，與美國國防部高級研究計劃局（DARPA）投資的大學(xué)研究中心 網(wǎng)絡(luò )，跨越 24 個(gè)州的 42 所大學(xué)，計劃在 2013-2018 年向六個(gè)大學(xué)研究中心投資 1.94 億 美元，重點(diǎn)研究下一代微電子技術(shù)。STARnet 計劃所研究的技術(shù)可能至少在未來(lái) 10-15 年內都不會(huì )具有商業(yè)可行性，但成員們將能夠對產(chǎn)生的 IP 進(jìn)行再授權。STARnet 計劃 是對“焦點(diǎn)中心研究計劃(FCRP)”的延續。2008 年，全國共有 5 個(gè) FCRP 中心，其中 GSRC 和 C2S2 中心與 EDA 項目直接相關(guān)，來(lái)自這兩個(gè)中心的與 EDA 相關(guān)的資金估計在 400 萬(wàn)美元到 500 萬(wàn)美元之間。同時(shí)在 2018 年 DARPA 發(fā)布的 ERI 第一批資助名單中，IDEA與 POSH 計劃提供給各入圍大學(xué)共計約 6000 萬(wàn)美元。

3.2. 人才、技術(shù)和生態(tài)是 EDA 行業(yè)的核心競爭要素

人才是 EDA 發(fā)展的核心。EDA 軟件涉及半導體、數學(xué)、芯片設計三方面知識，需要掌握這三方面知識的復合人才。根據新思科技中國區副總經(jīng)理陳志昌先生所言，培養一個(gè) EDA 人才不容易，從高校課題研究到能夠真正實(shí)踐從業(yè)，往往需要十年的時(shí)間。根據第 23 屆中國集成電路制造年會(huì )披露數據，全球 EDA 行業(yè)從業(yè)人數僅有 4 萬(wàn)人左右，因此 EDA 人才培養體系十分重要。

以新思科技為例，新思科技注重人才培養，其人才培養戰略包括新思科技大學(xué)課程體系、新思科技大學(xué)計劃以及積極參與國家人才戰略等方面。新思科技開(kāi)發(fā)了一套集成電路設計全套教程，包括 131 門(mén)本科及研究生課程、24 門(mén)訓練課程、37 門(mén)講座及實(shí)驗，適用于集成電路相關(guān)專(zhuān)業(yè)的大學(xué)本科和碩士研究生。從EDA人才培養成果上看，僅2019- 2020 年這一年時(shí)間內，已有 30000 人參與到了新思科技人才項目當中，20 所國內高校與新思科技建立了人才培養相關(guān)合作。

持續研發(fā)是 EDA 發(fā)展的動(dòng)力。EDA 軟件是算法密集型的大型工業(yè)軟件系統，EDA 開(kāi)發(fā)需要涉及到計算機、物理、數學(xué)等多方面知識。芯片設計更迭速度不斷加快，EDA 軟件公司需要不斷加大研發(fā)投入，確保自己技術(shù)領(lǐng)先。同時(shí)，EDA 巨頭們正是憑借大量 的知識產(chǎn)權保持領(lǐng)先地位。全球三大巨頭壟斷的格局在 2000 年后就較為穩定，2010-2020 年三大巨頭營(yíng)收年復合增速都接近 10%，但仍然保持著(zhù) 30%-40%的研發(fā)費用率，個(gè)別年 份超過(guò) 40%。2020 年，Synopsys 和 Cadence 的研發(fā)費用分別高達 13 億和 10 億美元， 幾乎是 2020 年中國 EDA 市場(chǎng)銷(xiāo)售規模的兩倍。

產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同是 EDA 發(fā)展的保障。芯片設計的先進(jìn)工藝是由晶圓廠(chǎng)、設計公司和 EDA 軟件廠(chǎng)商共同推進(jìn)的成果。晶圓廠(chǎng)從材料、化學(xué)、工藝過(guò)程等制造步驟來(lái)尋求工藝突破；EDA 公司借助晶圓廠(chǎng)的測試數據和工藝細節文件來(lái)改進(jìn) EDA 軟件；芯片設計公司使用新的 EDA 模型進(jìn)行設計、試生產(chǎn)，反饋到晶圓廠(chǎng)和 EDA 公司改善制造工藝和軟件模型。晶圓廠(chǎng)、EDA 軟件公司、設計公司相輔相成，互相合作，共同推進(jìn)技術(shù)進(jìn)步。

其中，PDK（Process Design Kit）是溝通 IC 設計公司、代工廠(chǎng)與 EDA 廠(chǎng)商的橋梁。具體來(lái)說(shuō)，PDK 是一組描述半導體工藝細節的文件，供芯片設計 EDA 工具使用?？蛻?hù) 會(huì )在投產(chǎn)前使用晶圓廠(chǎng)的 PDK，確保晶圓廠(chǎng)能夠基于客戶(hù)的設計生產(chǎn)芯片，保證芯片的 預期功能和性能。PDK 包含了反映制造工藝基本的元素：晶體管、接觸孔、互連線(xiàn)等， 包括設計規則文件、電學(xué)規則文件、版圖層次定義文件、SPICE 仿真模型、器件版圖和 期間定制參數。完善的產(chǎn)業(yè)鏈使得客戶(hù)的 PDK 可以給予 EDA 廠(chǎng)商充分反饋，使廠(chǎng)商根據 PDK 改進(jìn)產(chǎn)品以滿(mǎn)足客戶(hù)需求。獲得更全、更新的 PDK 也往往成為頭部 EDA 廠(chǎng)商 的比較優(yōu)勢。

3.3. 并購是 EDA 廠(chǎng)商擴張的重要手段

并購是 EDA 企業(yè)成長(cháng)的最佳選擇。全球三大巨頭的成長(cháng)史就是一部并購史，其中 全球 EDA 巨頭 Synopsys 自 1986 年成立至 2021 年 4 月，共完成 112 起收并購案。并購 在 EDA 行業(yè)如此興盛的原因有：

1）行業(yè)小細分領(lǐng)域繁多。根據 ESD Alliance 和 WSTS 數據，2020 年全球 EDA 行業(yè)市場(chǎng)規模只有 115 億美元，相比于下游半導體行業(yè) 4404 億 美元的市場(chǎng)規模，是一個(gè)“小行業(yè)”，但由于 EDA 軟件要服務(wù)于芯片設計生產(chǎn)的整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈，EDA 的技術(shù)流程很長(cháng)，需要種類(lèi)繁多的點(diǎn)工具相互配合形成工具鏈，同時(shí)，客戶(hù)希望 EDA 廠(chǎng)商能夠提供整體解決方案。2）技術(shù)更新迭代速度快。在摩爾定律的驅動(dòng)下，芯片更新?lián)Q代速度很快，新技術(shù)不斷涌現，作為上游設計軟件的 EDA 廠(chǎng)商每年也要投入大量的研發(fā)資金來(lái)適應技術(shù)的革新上，但還是會(huì )有很多創(chuàng )業(yè)公司創(chuàng )造出全新的點(diǎn)工具。行業(yè)小細分領(lǐng)域繁多，客戶(hù)又希望 EDA 廠(chǎng)商提供完整解決方案，于是 EDA 廠(chǎng)商在不斷想辦法補全自己產(chǎn)業(yè)鏈。但技術(shù)的快速迭代，行業(yè)內不斷有小公司帶著(zhù)創(chuàng )新點(diǎn)工具出現，行業(yè)小導致自研技術(shù)去取代這些公司成本較高，并購是最佳選擇。

Cadence 通過(guò)并購成為一代霸主。Cadence 于 1989 年收購 Verilog 是其最為重要的一次并購，通過(guò)這次并購 Cadence 成功解決了復雜度帶來(lái)的芯片性能驗證問(wèn)題，也標志著(zhù) EDA 從設計領(lǐng)域，拓展進(jìn)入了軟件模擬和硬件仿真領(lǐng)域，設計與仿真能夠通過(guò)使用同一家公司的不同套軟件來(lái)完成。2001 年 Cadence 收購 Silicon Perspective，將 IC 布局工具和 SI 分析工具收入囊中，為下一代布局布線(xiàn)做技術(shù)儲備；2002 年收購 Simplex，補足寄生參數提取和分析方面的能力；同年收購 IBM 硬件仿真業(yè)務(wù)，真正占領(lǐng)硬件仿真高地。

Synopsys 通過(guò)并購超越 Cadence，鑄就全球 EDA 龍頭地位?？v觀(guān) Synopsys 的發(fā)展歷史，不僅通過(guò)大量的并購完善了公司業(yè)務(wù)，實(shí)現了全流程覆蓋，同時(shí)也通過(guò)數次關(guān)鍵并購從而直接在與剩余兩大巨頭的競爭中脫穎而出，成為全球 EDA 龍頭。根據芯思想數據，2002 年，Synopsys 以 8.3 億美元收購與 Cadence 結束專(zhuān)利訴訟的 Avanti，從而成為 EDA 歷史上第一家可以提供頂級前后端完整 IC 設計方案的領(lǐng)先 EDA 工具商。這場(chǎng)收購改變了傳統上“Synopsys 占前端，Cadence 占后端”的格局，讓 Synopsys 在進(jìn)入到 后摩爾定律時(shí)代之前完成基石技術(shù)的布局。

4.國產(chǎn)EDA星星之火可以燎原

4.1. 從中外對比看國產(chǎn) EDA 現狀

海外 EDA 產(chǎn)品矩陣更全。從 EDA 產(chǎn)品矩陣的完整度來(lái)看，根據我們測算，EDA 工 具鏈大約有 40 個(gè)細分領(lǐng)域，國內廠(chǎng)商尚未如國際三大家一樣實(shí)現 EDA 全流程、全細分領(lǐng)域的覆蓋。截至 2021 年 12 月，國產(chǎn) EDA 龍頭華大九天，也僅能夠實(shí)現模擬芯片設計和平板設計全流程覆蓋，覆蓋率約為 40%，其他國產(chǎn) EDA 廠(chǎng)商產(chǎn)品多為點(diǎn)工具，尚不能為客戶(hù)提供特定領(lǐng)域全流程產(chǎn)品服務(wù)。

海外 EDA 產(chǎn)品支持的工藝更先進(jìn)。從 EDA 產(chǎn)品的技術(shù)先進(jìn)性看，國際三大巨頭產(chǎn) 品能支持的最先進(jìn)工藝已經(jīng)達到 2nm，而國內廠(chǎng)商僅有部分產(chǎn)品支持較先進(jìn)的工藝制程。如華大九天的模擬設計全流程工具中，僅有一款電路仿真工具支持 5nm 制程，其余僅支持 28nm 制程，思爾芯的 EDA 產(chǎn)品僅支持 10nm 制程。

IP 已經(jīng)成為海外 EDA 公司的重要收入，但國產(chǎn) EDA 公司尚未大規模布局。EDA 三巨頭中的 Synopsys 和 Cadence 同樣也是 IP 市場(chǎng)的巨頭，Synopsys 和 Cadence IP 市場(chǎng) 營(yíng)收規模占有率為全球第二和第三，僅次于 ARM。相比之下，國產(chǎn) EDA 廠(chǎng)商大多還在研制 EDA 工具，未布局 IP 產(chǎn)品。隨著(zhù)集成電路產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，IP 的作用會(huì )愈發(fā)顯著(zhù)，國內外的 EDA 公司在 IP 的發(fā)展上已經(jīng)產(chǎn)生了較大差距。

海外 EDA 產(chǎn)品先發(fā)優(yōu)勢明顯，客戶(hù)粘性較高。從 20 世紀 70 年代，軟件被用于輔 助芯片設計算起，國外 EDA 產(chǎn)業(yè)已經(jīng)發(fā)展近 50 年，先發(fā)優(yōu)勢明顯，技術(shù)、生態(tài)和客戶(hù) 使用習慣均較為完善。另外，2021 年先進(jìn)制程芯片流片費用已經(jīng)高達數億元人民幣， EDA 工具選擇關(guān)乎流片的成功率，客戶(hù)更換 EDA 工具帶來(lái)的風(fēng)險極高，當客戶(hù)使用國 產(chǎn) EDA 跑出數據與國際巨頭 EDA 工具不一致時(shí)，甚至需要國產(chǎn)廠(chǎng)商對結果進(jìn)行解釋。

國內 EDA 專(zhuān)業(yè)人才數量匱乏，且多數任職于外資 EDA 企業(yè)。根據賽迪智庫數據， 2020 年我國 EDA 行業(yè)從業(yè)人員數量約為 4400 人，其中本土 EDA 企業(yè)總人數約2000 人。雖然相比 2018 年的 700 人有了大幅度的增長(cháng)，但是相比于海外還是存 在較大差距。根據第 23 屆中國集成電路制造年會(huì )披露數據，全球 EDA 行業(yè)從業(yè) 人數在 4 萬(wàn)人左右，而截至 2021 年 12 月，僅 Synopsys 員工數量就達到了 1.5 萬(wàn) 人以上。

我國 EDA 儲備人才培養體系不夠完善。海外 EDA 培養體系較為成熟，2015 年， 美國 SRC 公布了 STARnet 計劃，計劃在五年內向六個(gè)大學(xué)研究中心投資 1.94 億美元， 其中多個(gè)項目直接與 EDA 相關(guān)。Synopsys 進(jìn)入中國以來(lái)，已經(jīng)與清華大學(xué)、東南大學(xué)、 華中科技大學(xué)等知名高校合作，為其提供軟件支持，成立合作交流中心。我國目前僅有 少數院校擁有 EDA 方向的研究和人才培養計劃，國產(chǎn) EDA 公司與高校的合作也是剛剛 開(kāi)始，人才培養體系還不夠完善。

海外半導體產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同更加緊密。EDA 軟件不是獨立發(fā)展的，EDA 需要與芯片設計廠(chǎng)商和晶圓制造廠(chǎng)共同協(xié)作，打磨產(chǎn)品，推進(jìn)技術(shù)的進(jìn)步。海外半導體產(chǎn)業(yè)鏈齊全，有英偉達、英特爾和 AMD 等頭部芯片設計廠(chǎng)商，也有三星、臺積電、格羅方德等大型晶圓制造廠(chǎng)。合作伙伴們本身都是細分賽道的龍頭企業(yè)，在產(chǎn)業(yè)鏈中扮演關(guān)鍵角色，強強協(xié)同下更能提升 EDA 產(chǎn)品的競爭力。

海外 EDA 并購土壤肥沃。EDA 三大巨頭主要通過(guò)并購補全自身產(chǎn)業(yè)鏈，并購需要的不僅僅是資金，還有可供并購的優(yōu)質(zhì)標的群體。根據 crunch base 數據，2020 年，海外共有 600 多家（美國 200 多家），這為巨頭并購提供了豐沃的土壤，相比之下國內僅有幾十家 EDA 國產(chǎn)企業(yè)，一定程度上也制約了國內 EDA 產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

4.2. EDA 國產(chǎn)化勢在必行

中美科技脫鉤，趨勢愈演愈烈。美國不僅繞開(kāi)世界貿易組織，直接對正在崛起的中國施加額外貿易關(guān)稅，而且在科技領(lǐng)域也針對“中國制造 2025”等采取一系列限制措施，華為、中興通訊等均位列制裁名單。2019 年 5 月 16 日，美國商務(wù)部宣布將華為及 70 家關(guān)聯(lián)企業(yè)列入所謂的“實(shí)體清單”。如果沒(méi)有美國政府的批準，華為將無(wú)法向美國企業(yè)購買(mǎi)元器件。受此影響，多家國外供應商開(kāi)始對華為實(shí)行“斷供”。美國對中國的壓力已經(jīng)由經(jīng)貿領(lǐng)域全面上升到科技領(lǐng)域，高新技術(shù)成為雙方爭奪的焦點(diǎn)。EDA 作為“半導體皇 冠上的明珠”，必然受到美國限制，華為目前已經(jīng)停止了與國際三大巨頭的合作，自主研 發(fā) EDA 已經(jīng)勢在必行。

華為四度落子國產(chǎn) EDA 企業(yè)，重要程度可見(jiàn)一斑。自 2020 年 12 月以來(lái)，華為旗下哈勃投資已經(jīng)投資了四家國產(chǎn) EDA 公司，包括射頻全流程工具提供商九同方微電子、專(zhuān)注于工業(yè)設計和仿真的無(wú)錫飛譜電子、專(zhuān)注于邏輯綜合和物理設計的立芯軟件及專(zhuān)注于數字前端形式驗證的阿卡思微，均為在各細分點(diǎn)工具領(lǐng)域領(lǐng)先的國內 EDA 廠(chǎng)商。

4.3. 三十年發(fā)展，EDA 國產(chǎn)之火點(diǎn)亮

國產(chǎn) EDA 歷經(jīng)三十余年艱難發(fā)展，迎來(lái)政策和資本支持。EDA 的國產(chǎn)之路起于 20 世紀 80 年代，20 世紀 90 年代初，中國歷史上第一款具有自主知識產(chǎn)權的 EDA 工具“熊貓”誕生，并獲得多個(gè)國際大獎。但隨后國外 EDA 廠(chǎng)商進(jìn)入中國，在“造不如買(mǎi)”思潮下，國產(chǎn) EDA 產(chǎn)業(yè)陷入了十幾年的沉寂。直到 2008 年國家“核高基”項目將 EDA 列入其中，國產(chǎn) EDA 產(chǎn)業(yè)才重新煥發(fā)生機。同時(shí)，中興、華為事件使人們意識到關(guān)鍵基 礎技術(shù)的重要性，資本市場(chǎng)也開(kāi)始關(guān)注 EDA 行業(yè)。根據芯思想研究院數據，2020 年 EDA 行業(yè)融資次數已經(jīng)達到 16 次，遠超 2010 年的 1 次。

國產(chǎn) EDA 行業(yè)逐漸壯大，星火已現燎原之勢。在國家政策與資本雙重支持下，國 產(chǎn) EDA 廠(chǎng)商數目不斷增加。根據芯思想研究院數據，2020 年國內已有約 49 家 EDA 企業(yè)，比如華大九天、芯華章、芯愿景、廣立微、概倫電子、思爾芯等，截至 2021 年 12 月 30 日，國內已有 4 家企業(yè)申請 IPO，其中，概倫電子已經(jīng)上市。這些國產(chǎn) EDA 廠(chǎng)商 從各個(gè)細分領(lǐng)域進(jìn)行技術(shù)突破，其中華大九天已經(jīng)可以提供模擬芯片設計全流程的 EDA 產(chǎn)品。根據賽迪智庫數據，2018-2020 年中國 EDA 市場(chǎng)營(yíng)收國產(chǎn)化份額逐步由 6%提升 至 11%，國產(chǎn)化步伐逐步加快，星星之火已現燎原之勢。