工業(yè)軟件EDA行業(yè)專題研究：聊聊EDA廠商競爭的優(yōu)與劣

工業(yè)軟件EDA行業(yè)專題研究：聊聊EDA廠商競爭的優(yōu)與劣1貫穿芯片設計全流程的工業(yè)軟件——EDA廣義的EDA涵蓋了工藝平臺開發(fā)，集成電路設計以及集成電路制造三個階段，各階段均存在對應的EDA工具，其中工藝平臺開發(fā)和集成電路制造環(huán)節(jié)主要運用制造類EDA工具。而狹義EDA概念代指的EDA設計類工具，主要運用于集成電路設計環(huán)節(jié)，可粗略分為模擬類EDA工具與數(shù)字類EDA工具。從定制程度出發(fā)，芯片設計方法可以分為基于標準單元的半定制設計（Semi—CustomDesign）和基于晶體管的全定制設計（Full-CustomDesign）兩種。半定制設計基于門陣列和標準單元，廣泛采用電子設計自動化工具，一般用來設計數(shù)字電路。全定制設計是指所有器件和互聯(lián)版圖都用手工生成的設計方法，一般用于設計模擬電路及數(shù)?；旌想娐?。制造類EDA簡介：工藝器件設計及PCB設計制造類EDA工具：制造類EDA工具主要用于晶圓廠或IDM的制造部門，在工藝平臺開發(fā)階段和后續(xù)集成電路制造階段均有使用。在工藝平臺開發(fā)階段主要負責元器件建模、仿真驗證、良率分析、PDK開發(fā)驗證等，在集成電路制造階段則用于封裝設計，PCB布局布線。盡管制造類EDA市場規(guī)模相對較小，但其直接影響到工藝開發(fā)包PDK的建立，同時也是EDA廠商與代工廠商溝通合作的一大渠道，業(yè)務地位較為重要。數(shù)字類EDA簡介：數(shù)字芯片前端設計數(shù)字芯片設計側(cè)重于邏輯運算，其電路規(guī)模大，工藝要求高，設計流程較為復雜。數(shù)字芯片設計是由電路功能設計、邏輯綜合、物理實現(xiàn)以及電路和版圖分析驗證組成的過程。這一過程通常分為數(shù)字前端設計和數(shù)字后端設計兩部分，主要包括芯片定義（明確項目需求）、邏輯設計、邏輯綜合、綜合后仿真、布局布線、寄生參數(shù)提取、時序分析與優(yōu)化、物理驗證和版圖交付等環(huán)節(jié)。數(shù)字芯片前端設計分為芯片定義、邏輯設計、邏輯綜合、綜合后仿真四個環(huán)節(jié)，并在最后生成門級網(wǎng)表文件：1.芯片定義：是指根據(jù)市場或用戶需求指定芯片實現(xiàn)的功能和性能指標參數(shù)，完成設計規(guī)格文檔。2.邏輯設計：根據(jù)架構(gòu)設計，基于硬件描述語言（HDL），在編程語言層面（RTL）實現(xiàn)邏輯設計，并通過邏輯仿真或形式驗證等手段驗證邏輯設計功能的正確性，其包含RTL代碼編寫，代碼檢查，功能仿真三個環(huán)節(jié)。3.邏輯綜合：通過EDA工具將硬件描述語言轉(zhuǎn)化成特定的門級網(wǎng)表，并優(yōu)化門級網(wǎng)表的延時、面積和功耗等，最終輸出描述數(shù)字芯片結(jié)構(gòu)的門級網(wǎng)表文件。4.綜合后仿真：包括邏輯綜合后的電路仿真、形式驗證與靜態(tài)時序分析（STA）。形式驗證用于檢查邏輯綜合后的結(jié)果和RTL代碼在邏輯功能上是否一致。靜態(tài)時序分析實際上是檢測每條時序路徑是否滿足時序要求的過程，其先將設計分解為很多不同時序路徑的集合，然后計算每條時序路徑的延時信息，最后檢查路徑延時，分析其是否滿足時序約束。在完成后端的布局布線之后還需要再使用電路的實際參數(shù)進行一次靜態(tài)時序分析。數(shù)字類EDA簡介：數(shù)字芯片后端設計數(shù)字芯片后端設計分為物理設計、信號完整性分析及寄生參數(shù)提取、布局布線后仿真、物理驗證、版圖交付五個環(huán)節(jié)，最后生成版圖文件交付晶圓廠代工生產(chǎn)：1.物理設計：物理設計是指將門級網(wǎng)表根據(jù)時序等約束布局、布線并最終生成版圖的過程，可以分為版圖規(guī)劃、單元布局、時鐘樹綜合和詳細布線等步驟。其中布局規(guī)劃是指在芯片上規(guī)定輸入/輸出單元、宏單元及其他主要模塊位置；單元布局是指根據(jù)網(wǎng)表和時序約束自動放置標準單元；時鐘樹綜合是指插入時鐘緩沖器，生成時鐘網(wǎng)絡，最小化時鐘延遲和時鐘偏差；布線是指在滿足布線層數(shù)限制、線寬、線間距等約束條件下，根據(jù)電路關系自動連接各個單元的過程。2.信號完整性分析及寄生參數(shù)提?。盒盘柾暾苑治鲇糜隍炞C電路中的信號能否以要求的時序、持續(xù)時間和電壓幅度達到接收端；寄生參數(shù)提取則是使用晶圓廠提供的工藝文件，并結(jié)合軟件提取電路中的寄生電阻與電容，以產(chǎn)生包含寄生參數(shù)的后仿真電路網(wǎng)表。3.布局布線后仿真：這一步的仿真與綜合后仿真相似，同樣需要進行時序驗證以及功能等價性檢查等。不同的是布局布線后的仿真添加了信號線的延遲信息和寄生參數(shù)，所以最為接近實際的芯片。4.物理驗證：通常包括版圖設計規(guī)則檢查（DesignRuleCheck，DRC）、版圖電路圖一致性檢查（LayoutVersusSchematic，LVS）和電氣規(guī)則檢查（ElectronicRuleCheck，ERC）等。5.版圖交付：即版圖集成，形成最終交付晶圓代工廠生產(chǎn)的版圖。模擬類EDA簡介：模擬芯片設計模擬芯片設計流程相對簡單，可分為前端功能設計與后端物理實現(xiàn)。前端負責定義輸入與輸出關系、規(guī)范時序/功耗等參數(shù)范圍，將功能目標進行量化，并通過反復仿真與驗證優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)。后端則依據(jù)相關參數(shù)要求，實現(xiàn)由設計電路向圖形格式的轉(zhuǎn)換，并經(jīng)過仿真驗證環(huán)節(jié)后，完成模擬芯片設計版圖的制作。1.電路圖輸入：模擬電路的設計從原理圖設計開始。設計師根據(jù)前期電路性能需求選擇合適的基礎元器件，形成一定的組合，設計出符合需求的電路結(jié)構(gòu)。原理圖包含抽象化的器件符號及連線，這些符號表示晶體管、電阻、電容等。2.電路前仿真：為了確保電路工作正確，設計師需要用到電路仿真工具以模擬電路的功能、性能等。仿真環(huán)節(jié)使設計師不用將電路真正制造出來去檢查電路是否正確，節(jié)省了大量的時間和成本。3.版圖設計：版圖設計主要包括版圖的布局和布線，通過版圖設計工具將每個器件放置到合適位置，并用圖形將各個器件進行正確的連接。在版圖設計的過程中，設計師需要考慮元器件電阻、電容等實際的物理問題。4.物理驗證：版圖設計完成后，需進行物理驗證。物理驗證是指判定版圖是否滿足工藝制造規(guī)范以及是否與電路圖一致的驗證過程，包括設計規(guī)則檢查（DRC）和電路圖一致性檢查（LVS），以確保版圖與原理圖一致并且符合晶圓制造的要求。5.寄生參數(shù)提?。和瑪?shù)字芯片設計。6.電路后仿真：對包含寄生參數(shù)的后仿真電路網(wǎng)表再次進行仿真，驗證電路實際工作的各項功能和性能，仿真方法與電路前仿真相同。2三個維度看行業(yè)競爭優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)格局：龍頭晶圓廠商的長期合作方占據(jù)一定優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)三角結(jié)合緊密。產(chǎn)業(yè)鏈關系層面，代工廠商、EDA廠商與IC設計廠商構(gòu)成三角關系，其中代工廠作為基礎模型供給方，定期向EDA廠商提供工藝設計工具包（PDK），幫助其實現(xiàn)技術(shù)迭代更新。而下游IC設計廠商作為需求方，采購EDA及相關定制化服務以滿足芯片設計需求，并在芯片設計完成后交付代工廠商代為生產(chǎn)。三者結(jié)合緊密，循環(huán)迭代促進產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展。合作方層面，代工廠（晶圓廠）所提供的工藝設計工具包（PDK）是EDA行業(yè)的核心要素之一。在制程逐漸縮小，芯片設計成本呈幾何式放大的背景下，代工廠的原版數(shù)據(jù)包是保證EDA設計、仿真正確無誤的堅強保障，同時數(shù)據(jù)包的實時更新也確保了EDA工具能滿足最前沿IC設計需求，因此EDA廠商與代工廠商的緊密合作是行業(yè)發(fā)展的必然結(jié)果。隨著制程工藝的逐漸提升，相關軟硬件資本開支大幅提升，先進制程逐漸由臺積電等少數(shù)幾家代工廠商壟斷，考慮到IC設計行業(yè)價值量集中于尖端芯片領域，與龍頭晶圓廠商存在長期合作關系的EDA廠商存在一定競爭優(yōu)勢。下游客戶層面，對于國內(nèi)EDA廠商（華大九天、概倫電子、廣立微等），其前五大客戶營收占比均處于高位，客戶集中度較高。但從前五大客戶構(gòu)成角度看，前五大客戶銷售收入梯度差較大，EDA軟件銷售（不含技術(shù)服務）市場存在長尾市場特征，即大部分公司采購EDA的金額的絕對值較低。從產(chǎn)品力維度看，對于EDA廠商，更廣泛的客戶覆蓋范圍意味著更好的業(yè)績持續(xù)性與更強的產(chǎn)品通用性，因此客戶集中度更低的EDA廠商在競爭中占據(jù)一定優(yōu)勢（ProPlus是概倫電子經(jīng)銷商，非單一大客戶）。業(yè)績周期：數(shù)字類EDA廠商或存在更大業(yè)績彈性銷售模式層面，當前海外EDA廠商商業(yè)模式多為“限時許可模式+預售模式+維護和專業(yè)服務收費模式”，其中限時許可模式營收占比較高，其以liscense的形式發(fā)放EDA工具使用許可，并按合同履行時間的比例確認收入。該類收費模式較為平滑，受集成電路產(chǎn)業(yè)波動影響較小，使得全球EDA市場呈現(xiàn)出弱周期性特征（相對集成電路市場而言）。而國內(nèi)EDA廠商收費模式更近似于買斷制，后續(xù)維護、更新僅收取少量費用。買斷制模式下，下游客戶（IC設計廠商）將根據(jù)產(chǎn)業(yè)景氣度決定EDA采購量，故國內(nèi)EDA廠商業(yè)績將受到集成電路產(chǎn)業(yè)變動影響，呈現(xiàn)出更強的周期性。下游IC設計廠商的“無形資產(chǎn)-軟件”賬面原值變動情況可視為該廠商EDA采購開銷的一種近似。以2019年為例，當年集成電路銷售額受存儲器價格影響而大幅下降，部分IC設計廠商減少了對EDA的采購開支，與其2020年EDA采購開銷形成對比。3市場空間：具備自研跨細分行業(yè)能力的廠商或存在較大成長潛力數(shù)字與模擬類EDA產(chǎn)品細分市場空間差距較小國內(nèi)市場是未來國產(chǎn)EDA廠商的主要的業(yè)績增量來源。業(yè)務結(jié)構(gòu)層面，過往國內(nèi)EDA廠商營收構(gòu)成中海外業(yè)績收入曾占據(jù)一定比例，但隨著2018年中美貿(mào)易糾紛后國產(chǎn)替代的大力推進，國內(nèi)營收高速增長，占比持續(xù)提升。從替換難易程度考慮，短期內(nèi)國內(nèi)市場是未來國產(chǎn)EDA廠商的主要的業(yè)績增量來源。考慮到國內(nèi)EDA相關公司短期內(nèi)業(yè)績增長主要來源于國內(nèi)市場，則國內(nèi)數(shù)字/模擬類EDA市場空間決定其短期成長上限，而市場空間主要由下游IC設計公司采購額度決定，且EDA細分市場空間受對應IC設計細分市場大小影響。近年來我國集成電路市場高速增長，由2013年的2509億元增長至2020年的8848億元，7年復合增速高達19.73%。同時，IC設計產(chǎn)業(yè)占比持續(xù)提升，由2013年的32.24%提升至2020年的42.7%，價值量相對較低的封測環(huán)節(jié)則占比逐漸縮小，彰顯我國集成電路行業(yè)競爭力的持續(xù)上升，并直接帶動EDA產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。具體到模擬集成電路市場，2013-2018年中國模擬集成電路市場規(guī)模由1475億元增長至2273億元，5年復合增速為9.16%，增速小于集成電路行業(yè)整體增速且增速波動幅度相對較小，凸顯行業(yè)弱周期特性。以我國同期IC設計產(chǎn)業(yè)占比對模擬IC設計市場進行測算可得，2020年我國模擬IC設計市場規(guī)模約為1157億元。結(jié)合我國歷年來國內(nèi)IC設計市場規(guī)模，則可通過倒減的方式對“數(shù)字+射頻”類芯片的IC設計市場規(guī)模進行測算。測算可得，2020年我國“數(shù)字+射頻”類芯片IC設計市場規(guī)模約為2621億元，增速整體處于高位但波動較大?？紤]到市場規(guī)模本質(zhì)上是業(yè)內(nèi)公司營業(yè)收入的加總，而業(yè)內(nèi)公司營業(yè)收入的總和與下游客戶的采購支出相等，則可通過對下游客戶采購支出進行測算，繼而得到對應產(chǎn)品的市場規(guī)模。以模擬類EDA為例，可通過統(tǒng)計下游模擬IC設計廠商每年對EDA的采購支出比例（以“無形資產(chǎn)-軟件-本期增加值”測算），來測算模類EDA市場規(guī)模。2020-2021H1我國主要模擬IC設計企業(yè)的“無形資產(chǎn)-軟件-本期增加值”占當年營收比均小于1%，即模擬類EDA市場規(guī)模小于等于模擬IC設計市場規(guī)模的1%。此處取樂觀假設“模擬類EDA市場規(guī)模約等于模擬IC設計市場規(guī)模的1%”，可得2020年模擬類EDA市場規(guī)模約為11.57億元。整體來看，無論是在EDA采購的投入比例還是絕對值方面，數(shù)字IC設計廠商均高于模擬IC設計廠商，且其EDA采購投入也存在著更大的波動性，與數(shù)字IC市場的波動性較為吻合。從細分產(chǎn)品類型看，CPU/GPU相關IC設計廠商對EDA的投入更高。國內(nèi)

“數(shù)字+射頻”類EDA市場空間可由兩種方式測算，其一是采用第三方給出的國內(nèi)EDA市場規(guī)模倒減模擬類EDA市場規(guī)模，其二是以樂觀假設“數(shù)字與射頻類EDA市場規(guī)模約等于其IC設計市場規(guī)模的2%”，對數(shù)字與射頻類EDA整體市場規(guī)模做測算。從總體市場規(guī)模出發(fā)，國內(nèi)“數(shù)字+射頻”類EDA市場空間大于模擬類EDA市場空間，但與模擬芯片相比，數(shù)字芯片設計也存在著更多的細分環(huán)節(jié)，僅粗略劃分即可分為前端設計，前端仿真，后端設計，后端仿真四大類，盡管各細分環(huán)節(jié)價值量存在一定差異，但單個細分環(huán)節(jié)數(shù)字類EDA產(chǎn)品市場空間與模擬類EDA相差不大。且當前國產(chǎn)數(shù)字類EDA廠商跨細分環(huán)節(jié)業(yè)務較少，而模擬類EDA行業(yè)已出現(xiàn)全流程覆蓋國產(chǎn)廠商。從細分環(huán)節(jié)角度看，各國產(chǎn)EDA廠商面臨的市場空間差距較小，因此跨細分行業(yè)能力成為EDA廠商成長核心。復盤海外，對比國內(nèi)：具備跨細分行業(yè)能力的公司或擁有更大成長潛力當前全球EDA市場處于新思科技、鏗騰電子、西門子

EDA三家廠商壟斷的格局，行業(yè)高度集中，2020年三大國際EDA巨頭全球市場占有率超過77%。復盤過往歷史可知，三大巨頭均是以其核心EDA產(chǎn)品為錨，在持續(xù)高研發(fā)投入的同時，通過不斷拓展、兼并、收購實現(xiàn)各環(huán)節(jié)各設計環(huán)節(jié)覆蓋，逐步形成全流程解決方案，并最終實現(xiàn)寡頭壟斷格局?？紤]到芯