国产EDA能否支棱起来?

芯潮IC 2022-11-30 17:00


 今日“芯”分享


基于研发能力与经验、生态建设能力以及资本并购能力,EDA三巨头长期垄断全球市场。


来源 I 华兴Alpha

作者 I Mark 




半导体最上游产业-EDA,EDA工具广泛应用于芯片设计、晶圆制造、封装等环节,是半导体行业关键纽带。


本文导览:

1)EDA:“芯片之母”;

2)市场格局:三巨头垄断国内外市场,2018年后国产EDA开始奋力直追;

3)国产现状:挑战机遇并存,EDA逐渐迎来融资热潮;

4)国产EDA未来突破点:攻克关键节点,实现横向拓展;

5)Alpha观点。


01

EDA:“芯片之母”


EDA是电子设计自动化(Electronic  Design Automation)的简称,是用于辅助完成超大规模集成电路芯片设计、制造、封装、测试整个流程的计算机软件,被称为“芯片之母”。随着集成电路产业规模的进一步扩大,集成电路的晶体管数量不断变多、设计制造的复杂度不断提升、工艺变革的速度不断加快、芯片的类型与应用场景不断增加,EDA已经进入全新的4.0阶段,与人工智能、云计算、异构集成等技术相结合,帮助专业人员更加高效地完成逻辑综合、布局布线、仿真验证等工作。


在集成电路的产业链中,EDA处于支撑层,作用贯穿集成电路的工艺开发、设计、晶圆生产、封测阶段。由此,EDA软件也分为设计类、制造类、封测类,其中设计类EDA市场份额最大。


资料来源:CSDN


02

市场格局:三巨头垄断国内外市场,

2018年后国产EDA开始奋力直追


目前,全球和中国的EDA市场都形成了高度集中的寡头垄断格局。据市场数据显示,2021年新思科技(Synopsys)、铿腾电子(Cadence)、西门子EDA(原Mentor)三家巨头厂商在全球占有接近75%的市场份额,而从2019年到2021年三巨头在中国市场始终占有75%以上的市场份额。


数据来源:赛迪顾问、TrendForce


研发能力与经验、生态建设能力以及资本并购能力是EDA三巨头的护城河,对应EDA软件的三个关键评估维度,即可靠性、及时性以及丰富性:


可靠性:是指EDA软件精确建模、仿真验证、预知问题的能力。可靠性越高则意味着EDA所模拟的电路越接近于真实芯片的情况,有利于降低流片失败的概率。EDA软件的可靠性与企业自身的研发能力与研发经验相关,而企业研发能力又与研发投入有紧密的关系。以新思科技为例,其每年维持投入巨额资金进行研究开发,2019~2021财年的研发费用分别占营收的33.83%、34.71%、35.79%,2020与2021财年的工程师数量分别达到12,029人与12,762人,分别占总体员工数量的80%与78%。对研发的高度重视促使新思科技形成了技术和IP的高门槛;


及时性:即EDA软件快速更新迭代、及时跟进下游最新代工工艺以及上游最新设计需求的能力。EDA软件的及时性与企业的生态建设能力相关,随着芯片生产制造的模式逐渐从从IDM模式向Fabless-Foundry模式转变,EDA工具提供商越来越需要与下游晶圆厂以及上游芯片设计公司、IP提供商等维持良好的合作关系,形成EDA生态。仍以新思科技为例,公司与各类设计公司、代工厂、IDM、IP授权厂商如ARM、英特尔、三星、台积电、格罗方德、联电、以色列高塔半导体等具有紧密的合作关系,保障其EDA产品及时迭代更新;


丰富性:EDA软件所具备的IP、点工具等种类的全面程度,用以判断是否能够提供全流程的芯片设计解决方案。EDA软件的丰富性与企业自身的资本并购能力相关,这是因为半导体产业链较长且单个点工具的研发成本高,因此与其投入大量研发与时间成本从零开始,不如将现成的点工具纳入囊中,而这必然对于企业本身的资本并购能力有较高的要求。以新思科技为例,公司成立以来通过百次兼并收购形成了一套完整的电子设计工具链,成为全球知名半导体公司的标准设计软件。

而高度垄断格局的形成除了外资巨头强势的实力之外,中国国内在EDA行业发展早期的市场环境也导致中国的EDA发展远落后于国际巨头。1993年我国为了打破国外对核心技术的封锁,研发出了第一款具有自主知识产权的EDA工具国产“熊猫ICCAD系统”,然而自1994年开始,国外解除封锁,大量成熟的EDA企业以技术与价格的优势涌入国内市场,正版与盗版的EDA软件驱逐了仍在发展初期的国产软件,成为国内半导体设计厂商的首选。此外,由于20世纪末的中国正值加入世贸组织、大力推动国际化的时代,因此国内的EDA企业同时缺少来自市场和政策的支持,陷入长达十几年的低谷期。而这一时间长度足以培养国内半导体厂商及其下游代工厂的使用习惯,增加转换成本,提高新玩家获得市场认可的难度。


三巨头的强势,加上国内市场、政策等外部因素的影响,导致中国国内EDA被国外巨头“卡脖子”局面的出现。这种垄断意味着随时面临着断供的巨大风险,因此当2018年华为、中兴等巨头首次遭受制裁后,国产EDA受到了来自市场、政策以及资本多方的史无前例的关注,开始进入快速发展期。


03

国产现状:挑战机遇并存,

EDA逐渐迎来融资热潮


1)挑战:国产EDA企业的三大核心能力仍有较大提升空间


从研发能力与经验的角度而言,与巨头企业相比,国产EDA企业在研发投入方面没有足够的优势,这也导致人才培养与产品研发的进程将会有所落后。而从宏观的角度而言,量子力学、半导体物理、固体物理等基础科学方面的劣势也会导致软件的仿真精准性达不到预期。


数据来源:各公司年报、招股说明书


从生态建设的角度而言,由于国内EDA公司的起步时间晚,目前产业链上下游的企业出于转换成本的考虑多数仍然依赖于外资EDA公司的产品,导致国产EDA的上下游反馈不够,难以对软件进行更新迭代,更难进入高端芯片设计的领域。如何扩大生态圈是目前国产EDA面临的主要挑战。


从资本并购的角度而言,中国的EDA企业很难模仿国外巨头走兼并扩张的老路。从并购对象的层面来说,目前海内外有价值且有市场的标的已经被三大巨头公司买下;从整合能力的层面来说,国内目前除了如华大九天这样提供部分芯片类型全流程EDA工具的企业之外,大部分都是提供点工具的公司,如果进行并购则可能缺少足够成熟的技术与人才整合基础。


2)机遇:国家与行业的推力与拉力孕育新的机会


宏观环境下,美国的限制政策以及中国的鼓励政策给国产EDA的孕育与发展提供了适时的推力与拉力。自从2018年以来,美国开始对中国的高科技企业实施限制政策,尤其从2020年开始将华为等列入实体清单,对EDA工具的使用实施禁令,一系列“卡脖子”的举动迫使中国的半导体产业链上下游开始合作。同时,国家也通过减税政策、补贴与引导资金注入的三个手段降低EDA企业的经营风险、引导更多资本流向本土的EDA行业,促进本土EDA软件的开发。


除了宏观层面有利于发展的环境,EDA行业内部也正在孕育着新动力。比如,AI技术能够提高与布局绕线和验证环节等相关的EDA工具的效率,而云化的趋势也有可能创造新的云计算+EDA的模式,提供更具弹性与可靠性的设计环境。随着“云物移大智”的广泛应用,EDA行业面临着从3.0时代逐渐过渡到4.0时代的更新迭代的机会,而这些新因子正是中国国产企业有机会加以利用的。


在推力与拉力的共同作用下,近年来EDA行业的创业公司如雨后春笋般涌现,一级资本市场的投融资事件频繁。从2020年到2022年10月,涉及EDA的融资事件分别达25、48和43起,共有54家企业获投,其中2022年1-10月融资事件较2021年同期同比增长约19.4%。行业内潜藏着巨大的增长机遇,资本市场开始提升对EDA领域的关注度。


数据来源:企名片


04

国产EDA未来突破点:

攻克关键节点,实现横向拓展


当下的国产EDA仍处于起步阶段,综合考虑可能面临的机遇与挑战,我们认为目前国产EDA企业的核心任务是对关键的工具链节点进行研究攻克,积累技术能力、产品经验与市场客户,扩大自己的产业生态,形成足够高的竞争壁垒,逐渐提升并购整合的可能性,最终实现横向突破。


Mentor Graphics(现已被西门子收购)是全球EDA行业的三大巨头之一,其发展历程正是对上述路径的印证。1981年,几位年轻人离开美国著名的泰克公司(Tektronix,全球性的测试测量和监测设备供应商之一),创立了Mentor Graphics,并分别于1982年、1983年连续发布了两款交互式模拟仿真软件IDEA 1000与MSPICE。从仿真点工具起步,Mentor Graphics逐步实现盈利,继续通过兼并收购成为全球化的EDA领导厂商,并形成了DFT、后端验证、光学临近修正几大主攻领域。


由于具有测试技术的基因,Mentor Graphics的ATPG、FastScan、BIST、Boundary Scan等在DFT工具细分赛道中占据绝对优势地位。公司在DFT方面的实力离不开其在DFT细分赛道频繁的兼并收购及其在DFT方面和生态的合作。自从公司成立以来,其所收购的Tektronix(CAE部门业务)、LogicVision等都与DFT有紧密的联系,极大地增强了Mentor Graphics在测试方面的科技实力。另一方面,由于DFT工具必须要能跟进并满足新的技术变化,因此Mentor Graphics也与众多亚、美、欧洲的公司在DFT方面维持紧密的合作关系,以保证其DFT解决方案的质量能够得到持续提高。DFT不断提升巩固收购了Mentor Graphics的Siemens在EDA行业中的地位,这实际上也是因为DFT在集成电路开发过程中越来越受到重视。


DFT是可测试性设计(Design For Testability)的缩写。区别于测试(FT),DFT工具通过增加电路的可控制性、可观察性以提高设计的良率。它最大的作用在于能够通过有效的技术检测芯片物理缺陷,同时准确定位缺陷,分析错片并诊断错误位置:一方面,这可以直接提升良率,进而影响芯片量产时间和企业盈利能力;另一方面,可以对晶圆进行品质分级,降低封装成本。


最近的分析数据表明,芯片制造完成后的测试成本已增至制造成本的40%,达到警戒水平。然而国内外的DFT公司极少,尤其在国内,大量专用型芯片被设计出来之后长期停滞在测试阶段,难以实现封装生产上市。


随着芯片下游应用场景的拓展与渗透率提升,对器件质量以及安全性的要求驱动了测试的需求,使得DFT工具在芯片设计过程中的角色正在变得越来越重要。举例而言,汽车电子处于蓬勃发展的浪潮中,对安全合规型器件有越来越多的需求,如果核心部件有什么缺陷,却无法得到验证并加以改正的话,所造成的后果将会不堪设想;因此,该类芯片在设计初期就必须将元件级和系统级的可测试性纳入考量范围,而DFT工具能够帮助设计公司更加高效、简单地提升可测试性。应用于汽车电子、医疗电子的高可靠性芯片、尖端工艺芯片以及巨量通用芯片的设计对于DFT的需求更高。


资料来源:摩尔芯球(MooreLiveService)


05

Alpha观点


目前,国内还没有一家具有规模的EDA公司推出成熟的DFT全系列工具产品。半导体行业对于DFT工具的供需差异表明其价值所在,未来DFT工具将会是EDA生态重要点工具之一。



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