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吾辈当自强!一文揭秘芯片之母 EDA 产业国产路在何方
发布时间:2020-07-02 06:52 来源:互联网

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。

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。

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。

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。

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。

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。

在 IC 设计中,逻辑合成这个步骤便是将确定无误的 HDL code,放入电子设计自动化工具(EDA tool),让电脑将 HDL code 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。

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。

TCAD(Technology Computer Aided Design)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。

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。

Atomistic TCAD 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,Atomistic TCAD 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,Atomistic TCAD 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。

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。

IP核(Intellectual Property Core)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。

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。

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。

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 %;PCBMCM(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%。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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