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读懂EDA:想要卖芯片留下买水钱

发布时间:2022-09-10 11:22:12 来源:hth华体会体育 作者:华体会体育全站app

内容简介:  在淘金热潮中,谁能稳赚不赔?不是淘金者,而是卖水人;在火热的芯片投资热潮中,EDA厂商正是这样的“卖水人”  8月13日消息,美国商务部周五发布最终规定,对设计GAAFET(全栅场效应晶体管)结构集成电路所必须的EDA软件;金刚石和氧化镓为代表的超宽禁带半导体材料;燃气涡轮发动机使用的压力增益燃烧(PGC)等四项技术实施新的出口管制。相关禁令生效日期为2022年8月15日。  EDA是芯片IC设计中不可或缺的重要部分,是一种广泛使用的技术的高级形式,属于芯片制造的上游产业,涵盖集成电路设计、布线、验证和仿真等所有流程。EDA被行业...
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  在淘金热潮中,谁能稳赚不赔?不是淘金者,而是卖水人;在火热的芯片投资热潮中,EDA厂商正是这样的“卖水人”

  8月13日消息,美国商务部周五发布最终规定,对设计GAAFET(全栅场效应晶体管)结构集成电路所必须的EDA软件;金刚石和氧化镓为代表的超宽禁带半导体材料;燃气涡轮发动机使用的压力增益燃烧(PGC)等四项技术实施新的出口管制。相关禁令生效日期为2022年8月15日。

  EDA是芯片IC设计中不可或缺的重要部分,是一种广泛使用的技术的高级形式,属于芯片制造的上游产业,涵盖集成电路设计、布线、验证和仿真等所有流程。EDA被行业内称为“芯片之母”。

  目前,全球的EDA软件主要由Cadence、Synopsys、Mentor等三家美国企业垄断。称霸EDA市场的美国三巨头,牢牢占据了全球超过70%的市场份额,能够提供完整的EDA工具,覆盖集成电路设计与制造全流程或大部分流程。

  在淘金热潮中,谁能稳赚不赔?不是淘金者,而是卖水人;在火热的芯片投资热潮中,EDA厂商正是这样的“卖水人”。

  EDA赛道热闹异常,先是合见工软获得11亿元人民币的Pre-A轮融资,后是华大九天登陆创业板,首日收盘暴涨129.43%。做EDA凭什么能拿到这么多钱?

  在本文中,你将了解到:EDA的作用和特征,EDA发展历史,EDA技术和应用的变革,国产EDA及背后的思考。

  EDA(Electronic Design Automation,电子设计自动化),是利用计算机辅助完成集成电路芯片的设计、制造、封测的大型工业工具。它是最基础、最上游的领域,贯穿了集成电路产业链的每个环节。

  简单地说,EDA就是芯片设计师的画笔和画板,就像操作文档要用Word,制作图片要用Photoshop一样,它能高效设计、控制及管理数十亿电路元件在一颗芯片里协同工作。[1]

  EDA算法密集,融合了图形学、计算数学、微电子学、拓扑逻辑学、材料学及人工智能等多学科的算法技术,必须经过长时间技术积累和持续大规模研发投入,才能满足新工艺的应用需求。

  EDA支撑着集成电路设计和制造流程、关键环节,图源丨概伦电子招股书[2]

  EDA工具包括硬件和软件两部分。软件是工具的核心,分为仿真工具、设计工具、验证工具三种类型;硬件是用来加速仿真、验证速度的服务器和专用工具。[3]

  EDA非常重要,倘若它出现问题,产业下游的集成电路、电子信息和数字经济都会崩溃。没有EDA,就不可能设计和制造当今的芯片。

  芯片设计过程极为复杂,要求设计精细度很高,稍有偏差就会导致芯片报废,项目;同时,从90nm、65nm进化到3nm/2nm,制造成本攀升,所需设计步骤也越来越多,设计也越来越困难。[6]

  EDA能发挥计算机辅助设计(TCAD)、面向制造的设计 (DFM)、硅生命周期管理 (SLM)三大关键功用,保证最终产品的良率和性能。一方面,EDA将复杂的芯片设计流程拆分成高级综合、逻辑综合、原理图布局等若干步骤,并配备丰富的工具组件库和可复用的参考架构;另一方面,EDA能利用仿真、验证等工具在芯片生产前纠正错误。[7]

  EDA还与另一个细分市场密切挂钩——半导体知识产权(半导体IP核)。所谓IP核,就是半成品芯片,提供不同复杂度的预设计电路,分为软核、硬核、固核三类。鉴于IP核的使用和重复使用都依赖EDA工具,同时EDA和IP核还可以捆绑销售,通常业界将两者视为一个市场[4]。虽然EDA巨头都拥有自己的IP核产品,但随着市场扩大及IP供应商增加,现在的趋势是将EDA和IP核独立出来。

  EDA是跟着集成电路变迁的。经历了CAD/CAM(计算机辅助设计/计算机辅助制造)、CAE(计算机辅助工程)、ESDA(电子系统设计自动化)到EDA(电子设计自动化)四个阶段,阶段转换本质上是芯片描述抽象层级的变化,精度依次提升。

  复盘EDA市场发展行径,与晶圆代工、数字芯片等发展历史非常类似,都是从玩家稀少到百花齐放,再到优胜劣汰,并购为仅剩1~2家、至多3~4家超大集合体的局面。

  1979年~1992年,CAE成为新贵,相关企业参与率突然急剧上升,转折点在于ASIC(商用专用集成电路)的出现,让设计团队可以接触到以前为大型系统OEM预留的定制芯片,Daisy Systems、Mentor Graphics和Valid Logic三家公司主导当时的CAE市场;[9]

  90年代初,技术一路发展,高级语言描述开始应用,ESDA当道,并开启了行业并购,Synopsys(新思科技)、Cadence(官方译名楷登电子)、Mentor(现为Siemens EDA)成为新三巨头;[10]

  2009年~2014年,巨头以外的EDA相关专利申请逐渐减少,市场垄断态势初现,小公司被收购,大公司在竞逐中被淘汰;

  之后的几年至今,EDA行业继续整合,新思科技、楷登电子、西门子EDA收购许多小型初创公司,包括Forte、Jasper、Springsoft、EVE、Nimbic等,国内EDA融资潮起,一些老牌国产品牌开始挤进第二梯队。

  EDA企业怎么赚钱?一般采取授权(License)的模式,即向客户销售指定版本的软件,并收取合同约定期间的授权费。

  授权又分为固定期限授权和永久授权两种形式,可以简单理解为Office 365和Office 2021的关系。对换代要求低的客户大多数选择永久授权,对换代要求较高的客户选择固定期限授权。固定期限通常为1~3年,也可以选择在固定期内多次授权,相当于分期付款。[11]

  固定授权是国际更为通行的模式,国际先进大厂均采用此形式,2021年,全行业固定期限内一次授权方式营收占比达55%[12]。这是因为芯片迭代迅速,要面对的物理现象、应用和工艺越来越复杂,这种方式能够获得EDA厂商对工具的实时更新、缺陷修复、技术支持及性能方面升级等[13]。

  2019年~2021年公司EDA软件销售不同授权模式营收占比,图源丨东吴证券

  EDA行业具有明显的可持续增长空间。2020年全球EDA市场营收115.7亿美元,2026年全球EDA市场营收213.6亿美元,年复合增长率10.9%。[14]

  但EDA也绝对不是一门好做的生意。如今,整个市场分为三级竞争梯队,国产最高只做到第二梯队,且份额太小,根据SIA(美国半导体协会)数据,国内EDA/IP占全球市场仅1%。[15]

  第一梯队由新思科技、楷登电子、西门子EDA三家企业组成,处于绝对领先地位,占据全球78%的市场份额,在中国市场三巨头拥有超过95%的软件销量,拥有全流程EDA产品,业务遍布全球,科研实力雄厚;

  第二梯队以美国ANSYS公司、Silvaco、Aldec、华大九天等为代表,拥有特定领域全流程产品,在局部领域技术较为领先;

  谁处于绝对领先地位,市场规则就由谁制定。但实际上,新思科技、楷登电子、西门子EDA三家公司在市场上的竞争也极为激烈,虽然三家公司整体运营思路相同,但策略也不尽相同。

  新思科技在营收、业务等方面无疑是规模最大的EDA相关企业,但单从EDA产品线来看,楷登电子与新思科技持平,甚至在往年更胜新思科技一筹。从战略上来看,新思科技强化软件集成型产品发展,通过频繁并购平均发展旗下各产品线的产品实力。楷登电子实力底蕴扎实,并购动作相对较少也能保持EDA营收稳定增长。[17]

  资料来源丨EDP Sciences[18],《军民两用技术与产品》[19],《中国集成电路》[20]

  国内EDA发展曲折缓慢,直到2008年后才开始崛起:早在1981年~1985年,国内便陆续开发ICCAD一级系统和二级系统;1993年,熊猫系统问世;但之后15年里,受“造不如买,买不如租”观念影响,国内EDA被拉开差距,彼时正值新思科技、楷登电子、西门子EDA上升期;2008年,EDA重新成为重点,华大集团将EDA部门独立出来,名为华大九天;2010年,概伦电子成立[21];2021年12月,概伦电子科创板上市;2022年7月,华大九天创业板上市。

  在国产替代风潮下,近两年EDA一级市场非常活跃,融资金额一度达到11亿元人民币。

  仍然需要指出的是,国产EDA以点工具为主,工具链不完整,三巨头则覆盖了产业链的各个方面。另外,国产EDA目前尚不能满足尖端制程的要求,由于EDA处在最上游位置,因此EDA必须比芯片的工艺更先进。

  在高度垄断之下,国产EDA究竟有哪些还能走的路?果壳硬科技团队认为有如下几点:

  EDA需要的投入金额惊人。新思科技和楷登电子十年来净利率大多数年份不超过15%,但却从未因公司经营状况不加而降低研发投入强度,研发占比全部高于30%,甚至部分时间研发占比超过40%。对于较小的EDA公司,这个数字可能会更高。[23]

  高额投入意味着三家巨头竖起了专利高墙,专利围城导致国产处境极为尴尬。近两年,所有半导体公司都开始建立一系列自己的知识产权,希望与竞争对手保持安全距离[24],国产也需要自己的专利。

  通过统计三巨头在EDA关键技术专利数量和分布情况来看,发展程度、重点和专长上没有太大差异,但研究基本集中在“验证”“仿真”“布线”三个主题上,“时序分析”和“综合”两个部分研究还不多,这意味着“时序分析”“综合”是能拉开技术差距的部分[18]。另外,“验证”占芯片设计总成本70%以上,是国产EDA正在突破的领域。[25]

  三大巨头关键技术专利数量和分布情况,信息来源丨EDP Sciences[18]

  传统芯片是将所有器件放在单一裸晶 (Die) 上,功能越多芯片尺寸越大,Chiplet (小芯片) 是将大尺寸多核心分散到多个微小裸芯片上,如不同类型的处理器、模拟组件、存储器等,再用3D立体堆栈的方式,像搭积木一样组合在一起。[26]

  Chiplet有多重要?AMD、英特尔、英伟达等头部IC设计企业都推出过基于Chiplet技术的产品,苹果也准备在下一代高端处理器中采用Chiplet技术[27]。为了让Chiplet更好发展,Arm、AMD、Meta、英特尔、谷歌云、微软、高通、三星、日月光和台积电还发起了UCIe产业联盟。[28]

  实现Chiplet,EDA是关键。目前来说,Chiplet的最大问题是如何将部件组合在一起,谁来将这些部件组合在一起,国产EDA可就这些问题进行研究。

  近年来,随着芯片设计基础数据量和系统运算能力上升,AI (人工智能) 和云技术开始深入EDA。这种模式也逐渐被行业认可,用户的使用习惯也随之改变。另外,传统SoC设计需要在RTL级别下使用硬件描述语言进行逻辑、验证,后来EDA逐渐开始支持C/C++/SystemC,学习晦涩难懂的语言不再是硬性要求。[29]

  这种变化得益于设计方法学的进化,最终目的在于提升设计效率、确保设计正确性、提升芯片生产良率、加速设计流程,国产EDA也应当遵循这种模式进行发展。

  近几年,开源风潮盛行,诞生了开放的硅知识产权生态系统。开源EDA工具能快速引导国产EDA找到方向,同时还能为科学发展创造了全新生态系统。

  开源EDA有五大可行性:其一,能够快速识别最新基准测试结果,从而可以快速确定新的EDA解决方案,推动技术发展;其二,开源工具能够加速EDA研究,可以在现有开源工具和组件的基础上以更快的速度实现迭代,降低进入门槛;其三,由于EDA改进可能会被下游工具所掩盖,完整开源的EDA工具能够确保改进坚持到最后;其四,具有标准I/O格式交换的开源工具,能够在开源工具和闭源工业间形成健康的生态系统,加快学术界和工业界知识传播;其五,开发者社区能够发现更多后门或漏洞,能够带来更值得信赖的设计过程。[30]

  EDA贯穿芯片整个产业链,各个工具也环环相扣。三巨头均不同程度地采取收购整合方式,实现全流程工具的覆盖。国内目前仅有华大九天一家公司实现部分设计全流程方案,整体市场仍然呈现碎片化、地理化分散。[31]

  推进整合并非易事,何况国产EDA仍处在初期,不具备大规模并购条件。因此,国内可采取更为特色化的整合形式,通过行业龙头牵动行业合作,加之政府扶持,因势利导,形成合理的互惠模式。具体拥有三种销售形式[31]:

  定制开发合作:大型EDA厂商向小型厂商定制开发,后者完成开发后,双方共享产权和技术,实现合作共赢;

  另外,人才和团队、技术和产品、市场和生态、资金与政策、法律与规范、软件与硬件六大因素对EDA来说缺一不可,但现今EDA领域人才短缺,技术覆盖不全面,生态建设不完整。这背后需要政府主导、资本市场助力,发挥了产学研集成效应,带动集成电路发展。[33]

  当国内力量都拧成一股绳时,继而可构建自主的标准化。现如今,EDA所设领域广泛,体系和功能繁杂,标准化工作涉及的范围也很广,国内可进一步推进自己的标准化工作。[34]

  [2] 概伦电子:首次公开发行股票并在科创板上市招股说明书.2022.1.3.

  [11] 华大九天:关于北京华大九天科技股份有限公司首次公开发行股票并在创业板上市的发行注册环节反馈意见落实函中有关财务事项的回复.2022.6.23.

  [12] 东吴证券:EDA 国产之巅,唯一国家队十年造梦全球龙头.2022.7.20.

  [13] 概伦电子:上海概伦电子股份有限公司投资者关系活动记录表.2022.2.28.

  [16] 华大九天:首次公开发行股票并在创业板上市招股说明书.2022.7.25.

  [21] 集微网:【芯历史】错失15年的中国EDA产业,最终走上崛起之路.2022.4.13.

  [25] 集微网:【芯视野】国产EDA新命题:突破验证堡垒,整合已提上日程.2022.7.25.

  [26] 东方证券:工业软件之 EDA 深度报告(二):后摩尔时代下 EDA 产业需关注的五大趋势.2022.1.5.

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