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半导体EDA产业深度研究报告:国产EDA迎黄金时代(上篇)(下)

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更多 发布于:2021-08-26 13:59
三、海外 EDA 巨头产品布局全面,各有强势产品,呈现寡头垄断格局


海外三巨头成立的时间均在 20 世纪 80 年代,并且总部都位于美国,都有三十来年的历史,相较于我国 EDA 公司起 步早很多。


1、海外巨头 EDA 营收稳健增长,IP 收入占比逐年提升


Synopsys 公司已经成为全球最大的 EDA 企业,在三巨头中营收体量最大。2016-2020 财年,Synopsys 公司的经 营业绩规模持续扩大,2020 财年公司营业收入达到 36.85 亿美元,同比增长 9.66%。Cadence 公司一直处于仅次于 Synopsys 公司的位置,2016-2020 财年公司的业绩也是持续向好,2019 财年公司通过关于数字定制和验证产品组 合的全面协议,加深了与三星的合作关系,获得了较大的 IP 订单,经营业绩快速增长,实现营业收入 23.36 亿元, 2020 年营收继续保持增长至 26.83 亿美元,同比增长 14.83%。Mentor Graphics 公司在 90 年代曾遇到经营困境, 软件的研发严重落后于进度,大量长期客户流失,难以与其他两家公司竞争。




EDA 为主要业务收入来源,IP 收入占比逐年增长,研发投入占比居高不下。以前两大巨头为例,2017-2020 年的营 业收入中,Synopsys 的 EDA 业务营收占比达到约 60%,并且 IP 业务营收占比逐年缓慢增加,占比已经超过 30%, Cadence 的主要营收来源也来自于 EDA 业务,数字电路设计与 Signoff 和定制电路设计贡献了大部分营收,相较于 Synopsys、Cadence 的 IP 业务占比较低,只有约 10%。


2、海外巨头产品布局全面,各家优势产品明显


三巨头产品布局全面,各有竞争优势。EDA 公司一般都能够为客户提供 IC 设计全流程所需的所有工具,但鉴于各家 发展轨迹不一样以及技术实力的差距,在提供全套解决方案时,用户的使用过程中往往会优中取优,在 IC 设计过程 中将多家公司的设计工具组合使用。


Synopsys 最全面,它的优势在于数字前端、数字后端和 Signoff 工具。模拟前端的 PrimeSim XA,数字前端的 VCS, 后端的 sign-off 工具,包括 PrimeTime、PrimePower 等,公司前端设计逻辑综合工具 Design Compiler 和后端布局 布线工具 IC Compiler 在业内已经取得较大的市场份额。


Mentor Graphic 在物理验证和晶圆制造类工具有较强的竞争优势,在 PCB 工具方面也有较深的布局,它的优势是 Calibre物理验证工具,但Mentor Graphic在数字、模拟设计方面的全流程工具和集成度尚不及Synopsys和Cadence。


未来需求推动了集成电路和应用系统发展,Mentor Graphics(SIEMENS EDA)的产品策略足以应对未来需求的挑 战。先进工艺快速演进,Calibre 可满足工具性能缩放、设计的可测试性以及计算光刻的要求,测试和成品良率可用 Tessent;Catapult、Tessent、Power Pro 和 3DSTACK 可分别用于高层次综合、SSN 流扫描测试网络、功耗优化和 3D 集成,助力产品功能快速提升;在验证以及数字化阶段,Veloce 可用于应用程序规模性能的硬件,PAVE360 可 用于集成仿真引擎与协同建模,对于模拟混合信号和生命周期管理,可分别采用 AFS/Solido、TESSENT 进行实施。


3、Synopsys:EDA、IP、软件安全业务协同发展


Synopsys(新思科技)成立于 1986 年,是全球著名的 EDA 和 IP 公司,致力于为全球电子市场提供技术先进的集 成电路设计与验证平台,以及复杂的芯片上系统(SoCs)的开发。公司拥有超 15000 名员工,132 个分支机构,3300 项专利,2020 年营收超过 36 亿美元。此外,Synopsys 在芯片设计与验证领域全球排名第一,在半导体 IP 供应商中 排名第二,并连续五年获评“Gartner 应用安全测试魔力象限领导者”。公司作为全球 EDA 行业的领导者,业务主要包 括设计、验证、硅工程、IP 核、软件安全五大业务。


4、Cadence:强项在模拟设计和 PCB 工具


Cadence(铿腾电子)由 SDA Systems 和 ECAD 两家公司于 1988 年兼并而成,是电子设计领域的关键领导者, 拥有超过 30 年的计算软件专业知识。该公司应用其基础的智能系统设计战略、交付软件和 IP,将设计概念变成现实, 公司业务覆盖超大规模计算、5G 通信、汽车、航空航天、工业和健康等广阔市场。2008 年以前,Cadence 是全球 最大的 EDA 厂商,而后被 Synopsys 超过,现位居第二。


公司产品涵盖了电子设计的整个流程,主要分为定制 IC/模拟/RF 设计、数字设计与 Signoff、IC 封装设计与分析、IP、 PCB 设计与分析、系统分析、系统设计与验证七大业务。


5、Simens EDA:强项在物理验证、制造和封装类工具


Mentor Graphic 成立于 1981 年,是 EDA 三巨头中最早成立的公司。在 2016 年被 Simens 以 45 亿美元收购后, 其成为 Simens 的 EDA 部门。公司营收规模较 Synopsys 与 Cadence 小,全球员工总数约 4000 人。作为三巨头中 成立时间最早的公司,虽然工具没有 Synopys 和 Cadence 全面,但在部分点工具如 PCB 设计工具、后端验证工具 Calibre、DFTAdvisor、IC 封装设计与验证等领域都具有一定优势。分产品看,Mentor 的主要产品业务可分为 IC 设 计、验证和制造业务、IC 封装设计与验证业务、电子系统设计与制造业务。


6、Ansys:工程仿真软件领先供应商


Ansys 成立于 1970 年,是一家专注于工程仿真软件和技术的研发企业,其旗下的 ANSYS 软件是全球增长最快的 CAE 软件,该软件简洁易用、功能强大,现已成为国际最流行的 FEA 软件。此外,不同与传统的 EDA 厂商,Ansys 专注于仿真业务,产品覆盖自动驾驶、航天航空、车辆设计、电子半导体、电池电机等多项领域,在仿真领域拥有广 阔完备的产品组合。在公司众多产品组合中,与 EDA 相关的主要为电子产品组合与半导体产品组合。


7、Silvaco:深耕晶圆制造类工具的 EDA 供应商


Silvaco 成立于 1984 年,是一家专为工艺和器件开发、模拟/混合信号设计、功率集成电路设计和存储器设计提供软 件工具的 EDA 供应商。Silvaco 的产品覆盖从 TCAD 到签收的完整流程,包括:平板显示、功率电子、光学设备、 辐射和软错误可靠性和先进的 CMOS 工艺和 IP 开发。在 30 多年的发展中,公司逐渐扩充自身业务版图,完善产品 矩阵。


公司提供了一整套 “从 TCAD 至签核”的全流程工具,广泛应用于显示器、电源(高电压/电流)、可靠性分析、高级 工艺开发、模拟,高速 I / O 设计、存储器设计等领域中。主要包括 TCAD、寄生参数提取、SPICE 仿真与建模、特征 参数提取、模拟定制设计、网表提取分析工具、数字设计工具、电源完整性工具、VARIATION-AWARE 设计、PDK 工具。


8、Zuken:封装及板级 EDA 工具供应商


株式会社图研(Zuken)成立于 1976 年,旨在支持制造业的整个产品设计和开发业务,实现高级化和最优化的 IT 系统的开发、制造、销售及咨询服务等,公司产品包括电子设计(EDA)、汽车电装线束电路设计、工程数据管理(EDM) 三大系列。其中,电子设计(EDA)涵盖了从构思设计到详细安装设计、制造设计的广泛领域,产品包括 Design Force、 Design Gateway、System Planner、DFM Center、EMC Adviser EX、Circuit DR Navi、GPM、Board Viewer Advance。


四、国内 EDA 多点布局,生态逐渐形成,国产 EDA 迎黄金时代


1、国产 EDA 发展起伏,自主可控再启程


国内 EDA 行业起步较晚且发展较为曲折。上世纪八十年代中后期,国内开始投入 EDA 领域的研发。20 世纪 70 至 80 年代,由于巴黎统筹委员会对中国实施的禁运管制,中国无法购买到国外的 EDA 工具,中国开始进行 EDA 技 术的自主研发与攻关,并在 1988 年启动国产 EDA 工具“熊猫系统”的研发工作。90 年代初,公司初始团队部分成 员研发成功了中国历史上第一款具有自主知识产权的 EDA 工具“熊猫 ICCAD 系统”,填补了我国在这一领域的空白。 之后的国内 EDA 发展曲折而缓慢,因各种因素影响,国产 EDA 产业没有取得实质性成功,但在这个过程中,国内已 经出现多个 EDA 厂商萌芽。“十一五”、“十二五”EDA 重大专项彰显国家支持力度。2008 年以来,国内从事 EDA 研究 领域涌现了华大电子、芯愿景、广立微等数十家公司,国产 EDA 企业方阵逐渐形成。


2、国产 EDA 公司多点布局,国内 EDA 生态逐步形成


由于 EDA 行业入门门槛高,成本弹性大,对性能依赖性强,因此行业进入壁垒较高,我国本土有实力的 EDA 企业 并不多。目前,我国市场上主要 EDA 软件供给企业包括华大九天、芯和科技、广立微、九同方微、博达微、概伦电 子等。这些企业虽然在全流程产品上和海外巨头还有不小的差距,在工具的完整性方面与国外企业相比,有明显的差 距,但在具体工具上各有所长。EDA 的重要性不断凸显,一旦 EDA 受制于人,整个国内芯片产业的发展都可能停摆, 发展国产 EDA 迫在眉睫。面临国际环境不确定性,本土 EDA 企业有望厚积薄发,在技术创新、融资运营上有所提升, 打破 EDA 厂商竞争格局。


华为哈勃投资版图庞大,已投四家 EDA 公司。华为哈勃投资的 EDA 公司包括射频全流程工具提供商九同方微电子、 专注于工业设计和仿真的无锡飞谱电子、专注于逻辑综合和物理设计的立芯软件及专注于数字前端形式验证的阿卡思 微,均为在各细分点工具领域领先的国内 EDA 厂商。


3、国内 EDA 公司如何破局?


(1)AI 芯片前端设计领域是国内 EDA 公司的机会


回顾全球集成电路设计的发展并展望未来,行业呈现出以下三个发展动向:1、设计异构化:当前 AI 等对于计算效率 和能效比有高要求的应用成为半导体行业的主流推动引擎,考虑到不同应用对于算力、能效比、算法等要求不同,难 以使用同一平台去适配,而需要针对不同的应用来设计相应的电路,因此异构化的设计成为主流。2、芯片与算法系 统融合:在 AI 等应用中,通常是将芯片电路与以算法部署为代表的上层系统做协同设计和优化。3、敏捷化设计:当 前很多互联网公司跨界进入芯片领域,如谷歌、亚马逊、阿里巴巴、百度等,这些跨界布局芯片的公司往往希望芯片 设计部门尽可能小,同时又希望在较短的时间内将芯片推向市场,即较短的 TTM(Time to Market)。


以上三点相结合,对于 EDA 提出了新的要求:EDA 能对不同的应用,实现算法和芯片设计之间的打通,并且能够加 快设计速度。


然而,传统基于 Verilog 等 RTL 语言的前端设计方法不能满足上述需求,主要因为 1)RTL 语言主要应用于逻辑电路 设计,而不是系统算法及设计,2)RTL 语言密度和代码效率较低,比如仅描述简单设计就需要上百行代码,而一个 数亿参数里的神经网络模型在 Python 中也仅需要百行代码即可实现。目前以 Chisel、Magma 为代表的新一代 HDL 语言依托 Scala、Python 等高级语言可以大幅降低逻辑电路设计所需的代码量,并且设计更加灵活,降低设计迭代周 期。据产业链了解,Chisel 已经谷歌等公司大规模采用并且帮助谷歌在较短的周期内完成产品设计交付。


Chisel、Magma 等 HDL 语言具有通用性,可覆盖几乎所有的 Verilog 的使用场景,相较于其通用性,另一个值得关 注的是电路设计与算法系统设计协同的专用化语言(Domain-specific language,DSL),该语言主要应用于某些特定 设计类型,DSL 可以实现高效的设计描述,降低代码量及实现算法和电路的打通,算法描述可以通过 DSL 映射到电路中,并且通过调整设计参数优化设计。DSL 的典型案例如源于斯坦福大学的 Spatial Language,该语言主要针对 AI 芯片等场景中常见的空间计算阵列,能大幅加快设计速度。


我们认为前端设计的 EDA 工具正在发生深刻变化,譬如 AI 芯片设计领域所需要的 EDA 工具和流程与现有的方案有 很大的不同,一方面,国内外在该领域尚处于同一起跑线,国内 EDA 公司可能通过抓住这个机会来实现技术上的赶 超,另一方面,国内半导体生态中从事 AI 芯片等相关的初创企业采用 DSL 语言的较多,这些新的初创公司生态亦将 支持相关的下一代前端 EDA 工具在中国落地。


(2)前端综合和后端设计是“硬骨头”,需要产业链生态协同突破


在综合和后端领域,目前还看不到取巧的办法实现赶超。综合和后端领域算法多为已知算法,难度在于如何做到最优 化。行业龙头 Synopsys 和 Cadence 都是在经历了多年积累加上大量的客户工程实践中发展起来的。从技术上来说, 对于中国 EDA 公司来说,想要实现赶超也是需要技术积累的。中国的 EDA 行业在后端的现状是深度和广度都不够。 深度是指在一些核心应用(例如逻辑综合,布局布线)中的结果相比主流工具在 PPA 等指标中是否接近,是否能兼 容最新工艺中器件新特性对于工具的新要求等;而广度则是指是否能覆盖后端和验证中的各个环节,包括逻辑/版图 综合、形式化验证、时序验证、物理验证、寄生参数提取等等。


实现技术积累需要大量下游客户的实践和“陪跑”。EDA 行业在国内发展较慢主要原因之一就是缺乏“陪跑者”,在没有 中美关系紧张的压力下,设计/代工厂商没有动力采购国产 EDA 工具,一方面可能降低研发效率,另一方面还有可能 因 EDA 工具的切换而导致芯片的良率等指标下降,进而引发成本增加。我们认为,当前国家政策大力扶持 EDA 这一 “卡脖子”情形下,可以通过构建中国代工厂、芯片设计以及 EDA 公司联盟,鼓励优先使用和支持中国 EDA 工具,以 此来改进国内综合和后端设计工具的落后现状,随着不断的客户的实践,后端 EDA 工具有望在未来实现对世界领先 水平的追赶。


(3)从 EDA 细分领域突破,打造最强点工具


国内 EDA 公司的另一破局点是从某一细分领域进行突破。海外 EDA 巨头的强势领域主要在数字和模拟的全流程工 具,但是在一些细分环节的点工具可能不是其发展重心,国内 EDA 企业可以从这个角度切入实现弯道超车,EDA 整 个版图中,仿真和验证类工具具有一定的独立性,其追求的主要系产品的高效算法带来的运行效率等指标,往往对于 设计厂商来说一般会采用多种仿真或者验证工具做配合和交叉验证的工作。例如在器件建模仿真等领域深耕的概伦电 子,以及在射频 EDA 领域深耕的九同方和聚焦芯片、封装及系统仿真类产品的芯和半导体等,都是从巨头不是最强 势的细分领域切入到 EDA 领域。


(本文仅供参考,不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息,请参阅报告原文。)


精选报告来源:【未来智库官网】。
本文源自未来智库,转载目的在于传递更多信息,版权归原作者所有。
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