Upstream of the Semiconductor Industry: Overview of EDA/IP Industry

EDA和IP是设计芯片的基础

半导体产业链包括上游的EDA设计工具及IP、原材料、生产设备,中游的IC设计服务、IC设计、IC制造以及下游的IC封测。EDA是指(Electronic Design Automation,电子设计自动化),是指利用计算机辅助设计(CAD)软件,来完成超大规模集成电路(VLSI)芯片的功能设计、综合、验证、物理设计(包括布局、布线、版图、设计规则检查等)等流程的设计方式。半导体IP是指是指集成电路设计中预先设计、经过重复验证的、可重复使用的功能模块。IP 服务于芯片设计,在芯片设计中结合使用EDA软件与成熟的半导体IP模块结合来可以避免重复的设计工作,从而缩短芯片设计周期、降低开发成本。EDA及IP是半导体行业的最上游,是芯片设计必需的软件工具,贯穿于集成电路设计、制造、封测等环节,技术壁垒较高。

EDAIP市场高度集中

2022年全球EDA工具的市场规模超过80亿美元,其中新思科技Synopsys、楷登电子Cadence、西门子EDA(Siemens EDA)三家占据近80%的市场份额,在10nm及以下制程市场份额达100%。较全球EDA行业的发展晚了十年,我国EDA行业从20世纪80年代开始发展,虽然已在一些特定领域及部分点工具上实现了技术突破,但依然无法独立提供全套的EDA工具,代表厂商包括华大九天(唯一能够提供模拟电路设计全流程EDA工具系统的本土EDA企业)、概伦电子等。

据IPnest的统计数据显示,2022年全球IP收入达到67亿美元,较2021年的55亿美元增长20.9%,增长幅度高于2021年的19.4%以及2020年的16.7%,预计2026年全球市场规模将超过100亿美元,年复合增长率16.7%。前7大厂商为ARM、Synopsys、Cadence、Imagination Technologies、Alphawave、Ceva、芯原股份,总市场份额达76%

EDA及IP公司主要通过授权模式盈利

  1. EDA公司盈利模式为授权模式,EDA厂商与客户签署期间授权合同,向客户出售EDA相关软件的有限期授权租赁服务,收取合同约定期间的授权费用,一般合约期为2-3年。
  2. 半导体IP行业分为一站式芯片定制与半导体IP授权两种运营模式(参照图5)。在一站式芯片定制模式下,可分为芯片设计(NRE)收入及量产(Production)业务收入。在授权模式下,按收费方式分类,IP厂商又提供许可(licensing)和版税(Royalty)两种模式,其中版税占据较大份额。在许可模式下,设计商按IP授权次数付费,是一次性产品授权费。在版税模式下,设计商按量产后制造的芯片数量付费,是跟芯片销量挂钩的授权费。

全球EDA/IP行业发展历程

全球EDA行业发展历经计算机辅助设计(广义CAD)、计算机辅助工程(广义CAE)、电子设计自动化(EDA)三个时代。全球EDA&IP三巨头新思科技Synopsys、楷登电子Cadence、西门子EDA(Siemens EDA)均成立于20世纪八九十年代,在EDA产品布局上采取“打造拳头产品并延伸至其它产品线”策略。自80年代开始,三巨头开始大规模实行并购,EDA行业合计并购次数达到近300次,年并购次数最高达20次左右。通过历次并购,目前Synopsys、Cadence和Siemens EDA的EDA产品已经覆盖了芯片设计所有环节。进入21世纪以来,超大规模集成电路的出现和发展电路设计复杂度进一步提高设计功能增加,AI领域等高性能芯片推动EDA&IP行业朝着更加自动化、智能化、复杂化的方向演变。

中国的EDA/IP之路

曲折发展的1994~2008:国内EDA发展曲折缓慢,最开始追溯到20世纪80年代,直到2008年后才开始崛起。1978 年,“数字系统设计自动化”学术会议于桂林举行,被誉为“中国 EDA 事业的开端”,但彼时由于受制于“巴统”禁令,中国无法买到芯片设计所需的最新EDA软件,国家动员几百名专家开发属于自己的EDA。1993 年,中国自己的 EDA 工具问世,并被命名为“熊猫系统”,寓意 EDA 的珍贵且稀有,在 20 家设计公司和研究机构得到应用,共安装 55 套系统,开发完成近 200 个集成电路品种,建成了 7 个经过工艺验证的实用化单元库。

好景不长,1994 年“巴统”禁令取消后海外 EDA 三巨头大举进入中国市场,便以技术成熟、价格便宜、免费赠送等策略快速收割市场份额,使国产EDA发展在1994~2008年处于停滞不前的状态。

2008年后重获国家支持(2008~2018):2008 年,EDA被列入《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)》所确定的十六个重大专项之一,华大九天、芯愿景、概伦电子等第一批国产 EDA 企业相继成立并被重点扶持。国内 EDA 领域陆续涌现了华大九天、概伦电子、广立微电子、国微集团和芯和半导体等公司。

政策资金扶持下的IPO上市潮(2018~至今):随着2019年以来中美科技摩擦加剧,美国对我国国内高科技企业的制裁力度不断加大,2019年EDA三巨头终止了与华为海思的合作,国内集成电路设计及制造企业开始寻求实现EDA工具软件的进口替代。2020年,国务院印发《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》,首次将EDA写入国家集成电路产业政策中,标志着我国EDA产业正式步入高速发展阶段,EDA企业数量也迎来井喷式增长。

在政策持续扶持和资金流入背景下,国内EDA公司在2021~22年密集上市, 21年11 月概伦电子科创板上市;22年7月华大九天创业板上市;22年8 月广立微上市。如今华大九天是全球唯一一个能够全流程 FPD(平板)设计解决方案的供应商,概伦电子在SPICE建模工具及噪声测试系统方面技术处于领先地位,广立微在良率分析和工艺检测的测试机方面具有明显优势。目前,中国EDA企业数量已超过120家,从业人员已经达到7000+人的规模。

国产EDA厂商与海外的差距

1)在生态建立较为落后:EDA/IP跟晶圆厂和设计公司相互依赖,晶圆厂向EDA/IP厂商提供晶圆代工最新的工艺设计包PDK,EDA/IP公司向晶圆厂交出设计公司的要求版图。随着制程的迭代,EDA软件也会相应同步更新,因此跟晶圆厂深度绑定的EDA/IP厂商有较大的领先优势,这也因此造就了国外的EDA/IP厂商长期领先国内厂商的局面。国产厂商缺乏与头部Foundry的合作,国内晶圆厂工艺制程仍与头部厂商存在较大差距,导致晶圆厂对EDA工具先进工艺的支持不够,这使国产EDA工具在高端芯片领域几乎没有份额。头部国产厂商华大九天大多数工具仍无法支持28nm以下的制程,而领先的龙头厂商如新思科技等现已经能够支持2nm制程。

2)产品种类较少,难于覆盖全流程:IC设计流程复杂、环节众多,涉及到90多种不同技术,因此EDA软件种类较多。平台化的EDA采购能够避免由于每个步骤应用不同的EDA软件而可能带来的兼容问题,因此产品覆盖的设计流程齐备程度是判断EDA企业竞争实力的重要指标。目前只有全球三大巨头能提供从前端到后端的全流程解决方案,国内EDA企业虽然已在一些特定领域及部分点工具上实现了技术突破,但依然缺失部分产品线,无法独立提供全套的EDA工具。由于本土厂商无法提供平台式的服务,客户仅会考虑部分采购本土EDA软件,完成电路设计还需要从海外三巨头购买大量产品进行搭配使用。

小结:

EDA&IP是半导体芯片设计的基础,为产业链最上游,并高度集中在海外三巨头新思科技Synopsys、楷登电子Cadence、西门子EDA(Siemens EDA),市场份额达90%,其EDA产品覆盖了芯片设计所有环节。国内EDA与国外的差距主要源于1)国内上下游生态尚未建立,关键领域如晶圆代工等仍和国外存在较大差距;2)产品难以覆盖全流程,主要以点工具为主,工具链不完整。目前,华大九天为国内规模最大、产品线最完整、综合技术实力最强的EDA研发企业,在模拟电路设计和平板显示电路设计方面实现全流程工具覆盖;国内其他EDA厂商则主要聚焦于特定细分领域的点工具。