芯片設(shè)計EDA行業(yè)研究：乘風(fēng)啟航-國內(nèi)龍頭拾級而上

1、芯片設(shè)計EDA行業(yè)研究：乘風(fēng)啟航_國內(nèi)龍頭拾級而上1、 EDA 為集成電路產(chǎn)業(yè)的上游關(guān)鍵支撐1.1、 EDA 為集成電路產(chǎn)業(yè)的上游基礎(chǔ)工具，“降本增效”作用突出EDA 為集成電路產(chǎn)業(yè)的上游關(guān)鍵支撐。EDA（Electronic Design Automation，電子設(shè)計自動化）是指利用計算機(jī)平臺完成大規(guī)模集成電路設(shè)計、仿真、驗證等流程的軟件工具，具有降低設(shè)計成本、提高設(shè)計效率、加速技術(shù)革新等重要作用。隨著集成電路晶體管規(guī)模擴(kuò)大、復(fù)雜程度提升，EDA 已成為推動集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展關(guān)鍵支撐。EDA 工具的發(fā)展創(chuàng)新平抑芯片設(shè)計成本，提高芯片設(shè)計效率。EDA 工具的技術(shù)進(jìn)步和應(yīng)用推廣推動芯片設(shè)計成本保

2、持在合理范圍。推測 2011 年一款消費(fèi)級應(yīng)用處理器芯片的設(shè)計成本約 4000 萬美元，如果不考慮 1993- 2009 年 EDA 技術(shù)進(jìn)步，相關(guān)設(shè)計成本可能高達(dá) 77 億美元，EDA 讓設(shè)計成本降低近 200 倍。同時，可重復(fù)使用的平臺模塊、異構(gòu)并行處理器的應(yīng)用、基于先進(jìn)封裝集成技術(shù)的芯粒技術(shù)等驅(qū)動設(shè)計效率不斷提升，縮短設(shè)計周期，減少設(shè)計偏差，提高流片成功率。1.2、 EDA 軟件迭代助力全球集成電路升級芯片集成度的不斷提高和可編程邏輯器件的廣泛應(yīng)用給 EDA 提出更高要求，也促進(jìn)了 EDA 設(shè)計工具的普及和發(fā)展。伴隨集成電路規(guī)模逐步擴(kuò)大和電子系統(tǒng)日趨復(fù)雜，EDA 先后經(jīng)歷 CAD（Com

3、puter-Aided Design）、CAE（Computer-Aided Engineering）、 ESDA（Electronic System Design Automatic）、EDA（Electronic Design Automation） 四個發(fā)展階段，芯片設(shè)計的描述層級和系統(tǒng)級仿真水平不斷提高。展望未來，人工智能技術(shù)將在 EDA 領(lǐng)域扮演更重要的角色。芯片復(fù)雜度的提升 以及設(shè)計效率需求的提高要求人工智能技術(shù)賦能 EDA 工具的升級，輔助降低芯片設(shè) 計門檻、提升芯片設(shè)計效率。美國國防部高級研究計劃局 2017 年推出電子設(shè)備智能設(shè)計（IDEA）項目，提出 AI 賦能 EDA 工

4、具的發(fā)展目標(biāo)是實現(xiàn)“設(shè)計工具在版圖設(shè)計中無人干預(yù)的能力”，即通過人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的方法將設(shè)計經(jīng)驗固化，進(jìn)而形成統(tǒng)一的版圖生成器，以期實現(xiàn)通過版圖生成器在 24 小時之內(nèi)完成 SoC（系統(tǒng)級芯 片）、SiP（系統(tǒng)級封裝）和印刷電路板（PCB）的版圖設(shè)計。2、 大水養(yǎng)大魚，國產(chǎn) EDA 龍頭乘風(fēng)而上2.1、 EDA 以 70 億美元產(chǎn)值支撐起全球 4000 億美元的集成電路市場EDA 是集成電路產(chǎn)業(yè)甚至是數(shù)字經(jīng)濟(jì)的上游關(guān)鍵技術(shù)支撐。 2020 年全球 EDA 市場規(guī)模雖僅超過 70 億美元，卻支撐起 4000 億美元的集成電路產(chǎn)業(yè)， 支撐著數(shù)十萬億規(guī)模的數(shù)字經(jīng)濟(jì)。一旦 EDA 出現(xiàn)問題，包括集成

5、電路設(shè)計在內(nèi)的全球集成電路產(chǎn)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(jīng)濟(jì)等構(gòu)成的倒金字塔產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)穩(wěn)定將面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。集成電路市場規(guī)模平穩(wěn)較快增長。2014-2020 年，全球集成電路市場保持平穩(wěn)增 長，從 2773 提升至 3612 億美元，年均復(fù)合增長率達(dá) 4.50%；中國集成電路市場增長領(lǐng)跑全球，規(guī)模從 3015 提升至 8848 億元，年均復(fù)合增長率達(dá) 19.65%。集成電路設(shè)計環(huán)節(jié)規(guī)模占比提升，重要性不斷凸顯。專業(yè)分工模式已逐步成為集成電路市場主流，集成電路設(shè)計領(lǐng)域成為重要環(huán)節(jié)。2014-2020 年，全球集成電路設(shè)計市場規(guī)模從 881 增至 1279 億美元，

6、CAGR 為 6.41%，占集成電路市場比重從 31.77%提升至 35.41%；中國集成電路設(shè)計市場發(fā)展尤為迅速，規(guī)模從 1052 增至 3778 億元，CAGR 高達(dá) 23.76%，占集成電路市場比重 34.88%升至 42.7%，自 2016 年起 中國集成電路芯片設(shè)計環(huán)節(jié)規(guī)模超過封測環(huán)節(jié)，成為三大環(huán)節(jié)中占比最高的子行業(yè)。受益于集成電路行業(yè)景氣和 EDA 地位提升，EDA 行業(yè)銷售額保持較快增長。 在集成電路產(chǎn)業(yè)穩(wěn)定向好、設(shè)計環(huán)節(jié)較快增長的發(fā)展態(tài)勢下；疊加 EDA 軟件重要性 凸顯，占集成電路規(guī)模比重提升；EDA 工具銷售額保持穩(wěn)定上漲趨勢。2020 年 EDA 行業(yè)全球銷售額實現(xiàn) 72

7、.3 億美元，同比增長 10.7%；中國銷售額 66.2 億元，同比增長 19.9%。中國集成電路產(chǎn)業(yè)崛起帶動亞太地區(qū)成為全球 EDA 第一大市場。北美作為 EDA 技術(shù)最為發(fā)達(dá)的地區(qū)，歷史上長期是 EDA 最大市場。中國大陸地區(qū)集成電路設(shè)計業(yè)的快速發(fā)展帶動了亞太地區(qū) EDA 工具銷售額的增長，2020 年亞太地區(qū)實現(xiàn) EDA 銷售額 30.4 億美元，占全球比重約 42.05%，首次成為全球第 一大市場。中國集成電路設(shè)計產(chǎn)業(yè)的崛起，激發(fā)對 EDA 的旺盛需求，大 水養(yǎng)大魚，為國產(chǎn) EDA 廠商提供廣闊發(fā)展空間。2.2、 中國廠商受益集成電路行業(yè)高景氣、EDA 占比提升及國產(chǎn)化機(jī)遇2.2.1、

8、 半導(dǎo)體行業(yè)開啟新一輪上行周期，EDA 軟件下游需求高景氣驅(qū)動 1：半導(dǎo)體行業(yè)開啟新一輪上行周期。全球半導(dǎo)體行業(yè)步入新一輪創(chuàng)新周期，帶動芯片設(shè)計和 EDA 軟件需求。繼個人電腦、智能手機(jī)后，全球半導(dǎo)體行業(yè)開啟第三輪上行周期，其最主要的變革力量源自 于 5G 通信、物聯(lián)網(wǎng)、汽車電子等。全球半導(dǎo)體市場有望從 2020 的 4677 增 至 2030 的 10527 億美元，CAGR 為 9.17。細(xì)分來看，無線通信為最大市場，其中智能手機(jī)是關(guān)鍵；包括電視、視聽設(shè)備和虛擬家庭助理在內(nèi)的消費(fèi)類應(yīng)用，為智能家居物聯(lián)網(wǎng)提供新機(jī)遇；智能網(wǎng)聯(lián)、自動駕駛為汽車電子市場帶來可觀增量。中國在全球半導(dǎo)體市場規(guī)模中占比

9、超過 50%，并呈持續(xù)擴(kuò)大趨勢。2019 年中國半導(dǎo)體市場規(guī)模約 2121 億美元，占全球 52.93。得益于中國在 5G、自動駕 駛、人工智能和智慧物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的先發(fā)布局，預(yù)計未來十年中國半導(dǎo)體行業(yè)將 保持 10.26%的 CAGR 領(lǐng)跑全球，2030 年規(guī)模將達(dá) 6212 億美元，占比將達(dá) 59.01。驅(qū)動 2：芯片設(shè)計對半導(dǎo)體行業(yè)的重要性凸顯。全球芯片設(shè)計項目穩(wěn)步增長，EDA 軟件市場需求持續(xù)釋放。全球規(guī)劃中的芯片設(shè)計項目有望從 2018 年的 9299 持續(xù)增至 2027 年的 10416 個，涵蓋 250nm 以上到 5nm 以下的各個工藝節(jié)點(diǎn)，其中 28nm 以上的成熟工藝占據(jù)設(shè)計

10、項目的主要份額。國內(nèi) EDA 廠商在成熟工藝領(lǐng)域已具備較強(qiáng)競爭力，下游需求高景氣利好業(yè)績持續(xù)釋放，有望實現(xiàn)彎道超車。中國芯片設(shè)計公司崛起，本土設(shè)計項目數(shù)量大幅提升利好國內(nèi)廠商。受益于本土產(chǎn)業(yè)鏈完善、政策支持力度加大及人才回流等因素，中國芯片設(shè)計公司數(shù)量快速增加，從 2011 年的 534 增長至 2020 年的 2218 家，CAGR 為 17.14%。中國大陸芯片設(shè)計公司的不斷崛起，帶動本土設(shè)計項目占全球比重提升。2018-2027 年， 中國公司規(guī)劃中的設(shè)計項目數(shù)有望從 1797 增至 3232 項，占全球比重從 19.32%提升 至 31.03%。2.2.2、 EDA 占集成電路產(chǎn)業(yè)比重

11、提升空間大，EDA 軟件需求蓄勢待發(fā)驅(qū)動 1：橫向?qū)?biāo)全球，中國 EDA 占集成電路市場比重仍有提升空間。中國 EDA 占集成電路行業(yè)總體規(guī)模的比例略有上升，從 2018 年 的 0.69%提升至 2020 年的 0.75%，但仍低于全球平均水平 2%。EDA 是集成電路行 業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)支撐，伴隨中國芯片設(shè)計行業(yè)深入發(fā)展、芯片設(shè)計對 EDA 軟件工具需求持續(xù)釋放，中國 EDA 占集成電路市場比重仍有較大提升空間。驅(qū)動 2：展望未來，后摩爾時代集成電路技術(shù)演進(jìn)驅(qū)動芯片級集成度提升。后摩爾時代的集成電路技術(shù)演進(jìn)方向包括延續(xù)摩爾定律、擴(kuò)展摩爾定律以及超越摩爾定律三類，發(fā)展目標(biāo)涵蓋生產(chǎn)工藝特征尺寸的進(jìn)

12、一步微縮、芯片功能多樣化發(fā)展以及器件功能的融合和產(chǎn)品的多樣化。芯片集成度和復(fù)雜度持續(xù)提升將為 EDA 工具發(fā)展帶來新需求。后摩爾時代芯片集成規(guī)模、功能集成、工藝、材料等方面的技術(shù)演進(jìn)不斷驅(qū)動 EDA 技術(shù)進(jìn)步和應(yīng)用延伸。在設(shè)計方法學(xué)層面，EDA 工具的發(fā)展方向主要來自系統(tǒng)級或行為級的軟硬件協(xié)同設(shè)計、跨層級芯片協(xié)同驗證、面向設(shè)計制造與封測相融合的設(shè)計和芯片敏捷設(shè)計等四個方面的需求。在材料和集成方面，芯粒（Chiplet）技術(shù)已成為重要的發(fā)展方向，促進(jìn) EDA 技術(shù)應(yīng)用的延伸拓展。2.2.3、 中國集成電路產(chǎn)業(yè)崛起，國內(nèi)廠商深度受益國產(chǎn)化機(jī)遇國家政策持續(xù)加碼發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)，EDA 國產(chǎn)化進(jìn)程加速

13、。近年來，國務(wù)院及各地方政府陸續(xù)出臺了大批鼓勵性、支持性政策法規(guī)，為集成電路產(chǎn)業(yè)的升級和發(fā)展?fàn)I造了良好的政策和制度環(huán)境。在政策加持下，國內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)國產(chǎn)化進(jìn)程 明顯提速，EDA 國產(chǎn)化率從 2018 年的 6.24%提升至 2020 年的 11.48%。需求側(cè)，中國集成電路產(chǎn)業(yè)崛起，有望帶動 EDA 國產(chǎn)化率提高。21 世紀(jì)以來， 全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)開始從韓國、中國臺灣向中國大陸的第三次產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移。中國大陸的 半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷長期的低端組裝和制造承接、技術(shù)引進(jìn)和消化吸收、高端人才培育， 已逐步完成原始積累，在國家意志及政策驅(qū)動下，全產(chǎn)業(yè)鏈迎來高速發(fā)展。供給側(cè)，國內(nèi)廠商歷經(jīng)多年積淀，逐漸具備的技術(shù)實力

14、。早在上世紀(jì) 90 年代初國內(nèi)就成功研發(fā)了中國首款具有自主知識產(chǎn)權(quán)的 EDA 工具“熊貓 ICCAD 系統(tǒng)”。新世紀(jì)以來，在政策鼓勵下國內(nèi) EDA 行業(yè)開始突圍。本土廠商不斷涌現(xiàn)，2020 年增至 28 家；從業(yè)人員數(shù)量大幅增加，2020 年達(dá) 2000 人，占比 45.45%；技術(shù)取得明顯突破，在模擬電路設(shè)計、平板顯示電路設(shè)計、晶圓 制造以及特定細(xì)分領(lǐng)域的點(diǎn)工具方面逐漸具備實力。3、 國內(nèi)廠商產(chǎn)品和客戶布局向上突破，看好機(jī)遇3.1、 格局：國際三巨頭合計占 80%份額，國內(nèi)玩家加速追超國際三大巨頭占據(jù)第一梯隊，國內(nèi)玩家發(fā)展迅速。EDA 從產(chǎn)品技術(shù)和收入體量 上可分為三個梯隊。新思科技、楷登電

15、子和西門子 EDA 穩(wěn)居第一梯隊，擁有全領(lǐng)域、 全流程的產(chǎn)品且總體優(yōu)勢明顯，EDA 領(lǐng)域年收入體量超過 10 億美元。華大九天已躍 居第二梯隊，擁有部分領(lǐng)域的全流程工具產(chǎn)品且在局部領(lǐng)域具有優(yōu)勢，年收入在 5000 萬至4 億美元之間。國內(nèi)其他玩家尚處在第三梯隊，產(chǎn)品以點(diǎn)工具為主，年收入小 于 3000 萬美元，在市場驅(qū)動與資本加持的助推下，未來有望進(jìn)入行業(yè)第二梯隊。全球市場：寡頭壟斷，CR3 合計約 80%，CR5 合計約 85%。2020 年，新思科技（Synopsys）、楷登電子（Cadence）與西門子 EDA（原 Mentor Graphics） 作為目前僅有的擁有設(shè)計全流程 EDA

16、工具解決方案的企業(yè)，集中了全球超 77%的 EDA 工具市場。其他企業(yè)缺少布局設(shè)計全流程工具技術(shù)的綜合實力，在各自擅長的 領(lǐng)域開發(fā)面向特定流程或個別環(huán)節(jié)的工具瓜分剩余市場份額，Ansys 憑借熱分析、壓 電分析等優(yōu)勢點(diǎn)工具，Keysight EEsof 憑借電磁仿真、射頻綜合等優(yōu)勢點(diǎn)工具，獲得 市場第四、第五的位置。國內(nèi)市場：三巨頭優(yōu)勢明顯，國內(nèi)廠商持續(xù)實現(xiàn)市場突破。由于單 一市場大客戶周期性訂單影響，前三大供應(yīng)商的市場份額波動較大，但整體看均具有明顯市場優(yōu)勢，CR3 合計約 75%；國內(nèi)玩家市場份額不斷提升，華大九天 2020 年國內(nèi)市場銷售額首次超過 Ansys 躍升為國內(nèi)第四大 EDA

17、工具企業(yè)，概倫電子市占率持續(xù)提升，2020 年達(dá)到 1.44%。在政策加持和企業(yè)技術(shù)進(jìn)步浪潮下，國 內(nèi)廠商將深度受益國產(chǎn)化進(jìn)程。3.2、 壁壘：國內(nèi)廠商持續(xù)加碼人才、資金投入，產(chǎn)品布局和客戶拓展顯著進(jìn)步人才、資金是維持領(lǐng)先優(yōu)勢的基礎(chǔ)，技術(shù)與客戶雙輪驅(qū)動。EDA 行業(yè)具備較高的資金、人才門檻：行業(yè)具有技術(shù)迭代快、投入周期長的特點(diǎn)，需要高強(qiáng)度、長周期的研發(fā)投入；由于專業(yè)人才培養(yǎng)周期長、綜合技術(shù)要求高，人才高度稀缺。具備完善先進(jìn)工具庫是獲得優(yōu)質(zhì)客戶的前提，進(jìn)入優(yōu)質(zhì)客戶生態(tài)圈進(jìn)一步助力廠商隨先進(jìn)工 藝演進(jìn)不斷迭代技術(shù)，形成加速發(fā)展的飛輪效應(yīng)。國內(nèi)廠商持續(xù)加碼人才、資金投入，與國際巨頭差距縮小。國內(nèi)廠商

18、 2018 年來 投入力度不斷加強(qiáng)，代表廠商華大九天研發(fā)投入占收入比重在 45%以上，超過國際 巨頭；華大九天、概倫電子研發(fā)投入增速在 40%以上，遠(yuǎn)超兩家巨頭。資金投入力 度加大吸引人才流入，2018-2020 年本土企業(yè) EDA 從業(yè)人員從 500 增至 2000 人，與國際巨頭差距不斷縮小。三大 EDA 供應(yīng)商提供全套的芯片設(shè)計 EDA 解決方案。其中，Synopsys 的邏輯 綜合工具 DC(design compiler)和時序分析工具 PT(Prime Time)具有絕對優(yōu)勢，在數(shù)字 前端、數(shù)字后端具有全流程方案；Cadence 的強(qiáng)項在于模擬和混合信號的模擬仿真和 版圖設(shè)計；Me

19、ntor(2016 年被西門子收購)工具雖沒有前兩家全面，但在物理驗證領(lǐng)域 優(yōu)勢較為突出，在印制電路板方面也有一定特色。華大九天在模擬電路領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)全流程工具覆蓋，加速彌補(bǔ)數(shù)字和定制設(shè)計領(lǐng)域 差距。華大九天在模擬電路設(shè)計、平板顯示電路設(shè)計領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了全流程工具的覆蓋； 在數(shù)字電路設(shè)計和晶圓制造領(lǐng)域的部分工具也具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢。公司計劃募集 25.51 億元，用于升級電路仿真和數(shù)字優(yōu)化、完善模擬電路設(shè)計全流程產(chǎn)品和技術(shù)、 豐富全定制設(shè)計（射頻、存儲器等）領(lǐng)域和數(shù)字電路領(lǐng)域的產(chǎn)品種類。資本助力有望進(jìn)一步縮小公司與國際先進(jìn)水平差距。其他本土 EDA 企業(yè)在部分細(xì)分領(lǐng)域也具有一定特色。概倫電子在高端半導(dǎo)

20、體器 件建模、大規(guī)模高精度集成電路仿真和優(yōu)化、低頻噪聲測試和一體化半導(dǎo)體參數(shù)測試等部分“點(diǎn)工具”達(dá)到國際一流水準(zhǔn)。廣立微較早進(jìn)入芯片成品率與良率分析 EDA 工具領(lǐng)域，產(chǎn)品覆蓋從測試圖形生成、到芯片測試、數(shù)據(jù)提取與分析的多個封測階段 的 EDA 工具。國內(nèi) EDA 廠商逐漸獲得優(yōu)質(zhì)客戶訂單。華大九天等國內(nèi)廠商開始與國內(nèi)外主要 集成電路設(shè)計企業(yè)、晶圓制造企業(yè)、平板廠商建立了良好的業(yè)務(wù)合作關(guān)系，并通過持 續(xù)的技術(shù)優(yōu)化和產(chǎn)品迭代穩(wěn)定與深化客戶合作。與優(yōu)質(zhì)客戶資源的深度綁定進(jìn)一步 助力公司理解芯片設(shè)計與制造工藝，能夠隨先進(jìn)工藝演進(jìn)不斷迭代，鞏固技術(shù)優(yōu)勢。3.3、 重點(diǎn)企業(yè)分析華大九天是國產(chǎn) EDA 公司中收入體量最大、從業(yè)人數(shù)最多、產(chǎn)品線最齊全、歷史 最悠久的本土公司。公司初始團(tuán)隊