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从Synopsy开发者大会看EDA技术趋势和国产EDA的发展机会

时间:2021-10-11 作者:华安 阅读:
EDA是集成电路领域的CAD加CAE,用于完成超大规模集成电路的设计、综合、验证、物理设计等流程,是典型的技术与智力密集型产业。经过50年的发展,EDA工具已经从辅助性技术发展成为芯片产业的核心支柱技术之一。
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EDA是集成电路领域的CAD加CAE,用于完成超大规模集成电路的设计、综合、验证、物理设计等流程,是典型的技术与智力密集型产业。经过50年的发展,EDA工具已经从辅助性技术发展成为芯片产业的核心支柱技术之一。

  • 从产业链角度来看,EDA是芯片制造的最上游产业,是衔接集成电路设计、制造和封测的关键纽带,与Fabless和Foundry一起构成芯片产业链的铁三角;
  • 从应用角度看,EDA工具广泛应用于数字设计、模拟设计、晶圆制造、封装、系统五大环节,已经成为芯片设计生产过程中不可或缺的工具;
  • 从产品价值角度看,EDA价值量飞速上涨,目前某些单套EDA软件工具价格可达数千万美元,形成了超高毛利率(>80%)的商业模式,同时EDA厂商还积极开拓IP核、硬件加速器等新业务,进一步增加了EDA相关产品价值量;
  • 从市场角度看,预计到2025年全球EDA市场规模将达到145亿美元;
  • 从EDA下游来看,对EDA有直接需求的半导体制造产业市场规模高达700亿美元,EDA更是间接支撑着数十万亿规模的数字经济。

半导体发展新模式:系统摩尔定律(SysMoore)

2021年9月28日,新思科技(Synopsys)在上海召开以“于高处,揽数字芯光”为主题的2021年新思科技开发者大会。新思科技在会上提出10年提升芯片设计效率1000倍的宏伟计划,推出了原子尺度建模工具、AI与EDA技术结合的工具、芯片全生命周期管理等产品以积极面对行业变革的挑战。

从技术层面看,“系统摩尔定律(SysMoore)”逐渐代替传统摩尔定律。随着芯片技术的发展,摩尔定律逐渐放缓,主要在三方面遇到瓶颈:1)芯片的设计收敛与性能指标难预测评估;2)成本高昂难以承受;3)开发难度大幅增加。相应地,出现了新的发展模式——SysMoore,即在系统层面对性能进行优化,而不只是从晶体管集成数量的层面去优化性能。从系统层面看,有四大技术趋势逐渐显现:

  • 除晶体管数量指标外,功耗和可靠性等指标越来越受到重视;
  • 2.5/3D的多裸片晶圆设计成为新的发展趋势;
  • AI与EDA技术的结合成为关注点;
  • EDA厂商产品边界的扩张,比如扩展到IP核、加速器及软件安全性等产品。

随着工艺制程的进步,作为芯片设计最基础部分的半导体器件建模,已经步入了需要原子级别甚至量子级分析的阶段。新思的QuantumATK工具能够打破物理尺寸的极限,支持原子尺寸的建模,被认为是业内最精密的工业软件之一。同时,QuantumATK能够帮助工艺开发者解决下一代的器件研发问题,并提出可供业界参考的逻辑范式,让制程更快向前推进。

Fusion Compiler能够胜任3nm甚至更先进制程的芯片设计,使用者覆盖全球超过80%的开发者和设计师,同时拥有完善的生态,大量的业内人士在这里分享经验和成果。Fusion Compiler能够帮助设计者更好地应对难度倍增的芯片建模、分析和计算,高效率达成PPA目标。

3DIC Compiler为多裸晶片集成提供了统一的平台,为3D可视化、路径、探索、设计、实现、验证及签核提供了一体化的超高收敛性环境,具备高效率、易扩展、高性能、优化散热降噪等优势。把芯片仿真的周转时间从几个月缩短为仅仅几小时。此外,新思科技与Ansys达成合作,以 Ansys芯片封装协同仿真工具为3DIC Compiler提供内部设计支持,从而提供全面的信号和电源完整性分析。

DSO.ai是全球范围内首次将人工智能应用于芯片设计的解决方案,可以把原来要花三个月时间优化的PPA,缩短至三天时间,效率提升30+倍。例如,该方案能够使高性能数据中心CPU频率提升至少100Mhz,帮助设计团队工作效率实现倍增;使通信设施CPU、车载SoC、移动端CPU以及高性能消费级GPU的功耗得到显著下降,而设计所耗时间则大大缩短。目前,该技术已经被三星团队和瑞萨电子团队充分利用,有效控制了设计周期。

芯片生命周期管理方案贯穿设计、制造、测试、调试、应用等多个环节。其采用低成本的集成传感器来反馈芯片产品在整个生命周期中的功耗、性能、稳定性以及其他安全数据,通过上传云端的方式进行收集和分析,帮助下游设计者发现产品缺陷,并有针对性地进行优化改进,提高芯片的性能和能效表现,确保芯片安全稳定。同时确保开发者能够把精力更好地关注于芯片开发本身,减少重复劳动。

软件完整性平台可以将完整性、安全性、质量和遵从性测试构建到客户的软件开发生命周期和供应链中。主要包括四大功能:1)静态分析,可以找到代码中的关键缺陷和漏洞;2)软件组成分析,分析第三方或者开源代码,保障代码安全性和合规性;3)动态分析,测试运行应用程序,发现安全漏洞;4)安全服务,构建软件安全计划的战略分析。总体来说,对内可以保证代码一致性和合规性,并自动检测代码漏洞;对外可以抵御恶意软件发起的网络攻击。

全球EDA竞争格局

EDA工具市场头部集中度极高,头部企业垄断全球90%市场。根据ESD Alliance数据,2020年三巨头Synopsys、Cadence和Mentor Graphics(Siemens EDA),占据了全球EDA市场约70%的份额。其中,Synopsys占32%,Cadence占23%,Siemens EDA占14%。三家企业均拥有完整且优势明显的全流程EDA工具,且部分流程工具在细分领域拥有绝对优势,EDA相关营收每年超过10亿美元。

其次,部分专精企业拥有部分领域的全流程EDA工具,且在局部领域具有绝对优势。例如Ansys的功耗分析、压电分析等工具;Keysight的电磁仿真、射频综合等工具;华大九天的平板显示电路设计EDA工具。

从技术投入角度来看,EDA是算法密集型产业,企业对EDA的长期高强度的技术研发投入成为其保持长久竞争力的关键之一,目前世界头部EDA企业Cadence和Synopsys的研发投入始终保持在30%以上,持续巩固自身技术壁垒。

EDA企业的三大发展动能

收购和并购:EDA企业扩张的核心手段,促使产品由点及面快速完善。回顾EDA的过去50年,由于EDA工具种类繁多、分工精细、领域内技术壁垒高筑的特点,行业内的三巨头均是在某一特定领域崛起后依靠收并购来拓展自己的产品线,依靠技术+资本的双重力量,在扩充加强产品线的同时将潜在的挑战者“扼制”在萌芽状态。自三巨头成立以来至今,Synopsys进行了近百次的收购,Cadence本身就是并购形成,50年间进行了超过70次的收购,Mentor Graphics则进行了近50次的收购。从市场规模也可以看出收并购最频繁的Synopsys占有了全球最多的市场份额。具体来看,有多次重要的收购导致了三巨头现在的市场格局,比如,2001年Synopsys收购Avanti,一举补齐了数字集成电路EDA全流程技术,获得了后端布局布线近四成的市场;2008年Synopsys又通过收购Synpicity成功进入FPGA和快速增长的原型市场。

政策支持:EDA行业发展的护道者,美国政府每年在EDA行业投入数千万美金。EDA行业规模小、技术难却不可或缺,是实现复杂芯片设计的必要工具,因此政府的支持成为行业发展的重要保障。自1980年EDA初步商业化开始,以美国为首的发达国家就从未停止过对EDA领域的支持。美国政府方面,主要由国家科学基金(NSF)和半导体研究共同体(SRC)为EDA研究保驾护航,两者交互配合,弥合创新前段由于知识需求和商业关注的巨大差距形成的“创新死亡谷”。NSF的主要任务是促进突破性的发现,帮助企业克服创新研究的初期阶段,1984年到2015年,NSF支持了1190个与EDA相关的课题。而SRC则是NSF的接棒者,主要关注研究成果的初步商业化,聚焦芯片设计领域,每年将大约2000万美元的资金投向EDA研究领域。

全产业链协同发展:EDA进步的基础,EDA、Fabless和Foundry是芯片制造的铁三角。从整个产业链来看,EDA产品开发模式为铁三角模式,EDA的进步背后是整个产业链能力的提升。在这个三角中,第一个顶点为EDA厂商,其为Fabless提供支持;第二个顶点是Foundry厂商,通过Foundry厂在工艺文件、工艺参数(PDK)上的支持,EDA厂商才能将设计出的曲线与实际流片曲线进行拟合,吻合度越好说明工具越成熟;第三个顶点是Fabless,其是EDA工具的主要使用者,EDA的研发重点在于解决设计过程中遇到的问题,而新的问题来源都是新工艺和复杂设计,Fabless厂商复杂设计的演进会带给EDA厂商新的机会和改进空间。

国产EDA产业的未来发展

国内市场仍以海外三巨头为主,国产企业崭露头角。2020年,Cadence、Synopsys和Siemens EDA三家公司仍占据了国内EDA行业的主导地位,合计市占率为77%,三巨头的技术水平、产品完成度和丰富度仍旧大幅领先国内相关企业。从国内企业来看,国产EDA企业逐步发力,2020年,华大九天在国内EDA市场以6%的市占率排名第四,已经超过另外两大海外大厂Ansys和Keysight;概伦电子也初步打入市场,占据国内市场1.4%的份额。

从市场角度看,一方面,国际技术竞争激烈,芯片全产业链的国产化替代大有可为,EDA是其中的重要一环;另一方面,下游电子产品市场发展迅速,手机、电脑、智能车、IoT产品等市场对芯片的需求不断增长,推动了整个芯片产业的发展。

国内EDA市场快速发展,相关人才储备逐步上升。从国内市场来看,Synopsys、Cadence和Mentor Graphics(Siemens EDA)三大国际EDA厂商主导市场,但国内本土品牌持续发力,在部分领域已经实现突破,整体份额持续上升。根据赛迪顾问数据,国产EDA工具销售额在2018-2020年呈现逐年增长的态势。2020年,国产EDA工具实现9.1亿元的销售额,其中境外销售为1.5亿元,境内销售额为7.6亿元。此外,国内EDA企业持续吸纳EDA相关人才,2018年至2020年,我国EDA企业人才由700人增长至2000人,为未来我国EDA行业的持续技术突破打下了良好的基础。

参考来源:

  1. 华安证券研究所:工业软件与半导体双轮驱动,筑造万亿数字产业根基——EDA行业系列报告一
  2. 华安证券研究所:Synopsys开发者大会举行,关注EDA行业新机遇——EDA行业系列报告二

责编:Steve

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