半导体周报0218-半导体之EDA
半导体周报-0218
一、行业新闻及动态
《科创板日报》30日讯，日本经济产业省1月30日表示，将提供约452亿日元（约合3.07亿美元）的补贴，用于开发用于芯片的光学技术（硅光子技术），以促进该国半导体产业发展。参与的企业有NTT、NEC、古河电气、新光电气、英特尔和SK海力士。
《科创板日报》2日讯，发布超预期第一季度财报的同时，手机芯片大厂高通示警，客户仍在处理过剩的芯片库存，高通评估，短期内库存仍然较高，预期本季非苹手机销售额将与上季度持平。分析师认为，这暗示高通正在流失中国大陆的非苹市占率。至于全球手机市场展望，高通认为，今年全球手机出货量将比去年“持平或微幅增加”。高通CEO艾蒙（Cristiano Amon）表示，“在经历2023年的修正年后，安卓市场正在回稳。”
财联社2月1日电，AMD CEO表示，计划应对更大规模的人工智能芯片需求；已经预估2024年AI加速器销售额将达到35亿美元；预计2024年服务器市场将出现增长，AMD的增长速度将更快。
《科创板日报》29日讯，2023年全球半导体存储芯片大厂积极减产并取得成效，预计2024年下半年市场需求迈向复兴，且DDR5有望成为PC搭载主流。业界认为，在PCB厂商中，竞国、定颖、健鼎都将因存储模组出货的增加而受惠。
《科创板日报》30日讯，Counterpoint的最新数据显示，三星电子半导体芯片部门的收入从2022年的702亿美元暴跌至2023年的434亿美元，同比大幅下降了38%，原因是存储芯片市场下滑以及三星在先进芯片制造工艺方面未能吸引到客户。相比之下，英特尔的收入从2022年的598亿美元下降到2023年的505亿美元，降幅为15%。
《科创板日报》29日讯，日本半导体制造装置协会（SEAJ）统计数据显示，2023年全年日本半导体设备销售额创下历史次高。2023年12月日本半导体设备销售额为3057.99亿日圆，环比增长2.4%，连续第2个月环比增长，且月销售额7个月来首度突破3000亿日圆大关。
《科创板日报》29日讯，三星电子称其已经在美国硅谷开设了一个新的R&D研究实验室，专注于下一代3D DRAM芯片的开发。该实验室位于硅谷Device Solutions America（DSA）运营之下，负责监督三星在美国的半导体生产，并致力于开发新一代的 DRAM 产品。
《科创板日报》31日讯，英特尔首席执行官Pat Gelsinger透露，OpenAI首席执行官Sam Altman将与他一同出席英特尔2月21日召开的Direct Connect会议。Gelsinger表示，这是英特尔首次半导体代工活动，期待着与Altman探讨半导体在现代社会中发挥的作用。据此前消息，英特尔将在Direct Connect会议上公布芯片制造计划与路线。
二、本周话题——半导体之EDA
EDA（Electronic Design Automation，电子设计自动化）是指利用计算机软件完成大规模集成电路的设计、仿真、验证等流程的设计方式，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技术，处于集成电路产业链中的最上游，是设计厂商完成芯片设计、代工厂商实现成品率提升的核心基础工具，支撑规模庞大的集成电路市场乃至电子信息、数字经济市场。
EDA 处于集成电路产业链上游支撑层
资料来源：芯愿景招股说明书，国联证券研究所
EDA 工具贯穿于集成电路设计、制造、封测等环节。一个完整的集成电路设计和制造流程主要包括工艺平台开发、集成电路设计和集成电路制造三个阶段，均需要对应的 EDA 工具作为支撑，包括用于支撑工艺平台开发和集成电路制造两个阶段的制造类 EDA 工具以及支撑集成电路设计阶段的设计类 EDA 工具。
EDA 工具贯穿集成电路设计、制造、封测等环节
资料来源：概伦电子招股说明书，国联证券研究所
主要分类：
EDA 工具分类繁多。按应用场景，EDA 工具通常可分为数字设计类、模拟设计类、晶圆制造类、封装类、服务等五大类。数字设计类工具主要包括 RTL 编辑、功能仿真、逻辑综合、形式验证等工具；模拟设计类工具主要包括版图设计与编辑、电路仿真、版图验证等工具；晶圆制造类工具主要包括器件建模、工艺和器件仿真（TCAD）、PDK开发与验证、计算光刻、掩膜版校准、掩膜版合成和良率分析等。封装类工具主要是面向芯片封装环节的设计、仿真、验证工具。根据 ESD 数据统计，数字设计类 EDA工具和模拟设计类 EDA 工具占整体 EDA 市场的比例分列前两位，2020 年市场份额分别达到 65.0%和 17.1%,前者为后者的接近 4 倍，这与下游数字芯片和模拟芯片市场比例基本一致。
EDA 工具分类
资料来源：CSIA，国联证券研究所
技术特点：
集设计、仿真和测试于一体：现代的EDA软件平台集设计、仿真、测试于一体，配备了系统设计自动化的全部工具：配置了多种能兼用和混合使用的逻辑描述输入工具；配置了高性能的逻辑综合、优化和仿真测试工具。电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出ic版图或pcb版图的整个过程在计算机上自动处理完成。较以往的设计方法，大大提高了设计效率，降低了设计者的工作负担。
自顶向下(top-down)的设计方法：传统的电路设计方法基本上都自下向上的，即首先确定可用的，然后根据这些器件进行逻辑设计，完成各模块后进行连接，最后形成系统。而后经调试、测量看整个系统是否达到规定的性能指标。整个设计过程将花费大量的时间与经费，且很多外在因素与设计者自身经验的制约，已经不适宜于现代数字系统设计。基于EDA技术的设计方法正好相反，它主要采用并行工程和“自顶向下”的设计方法，开发者从一开始就要考虑到产品生成周期的诸多方面，包括质量、成本、开发时间及用户的需求等。首先从系统设计入手，在顶层进行功能划分和结构设计，能在系统级采用仿真手段验证设计的正确性。然后再逐级设计低层的结构，用硬件描述语言对高层次的系统行为进行电路描述，最后再用逻辑综合优化工具生成具体的门级逻辑电路的网表，其对应的物理实现级可以是印刷电路板或专用。
数据格式的一致性通过标准保证。对EDA的底层技术、EDA软件之间的接口等采用标准数据格式，如edif网表文件是一种用于设计数据交换和交流的工业标准文件格式。不同设计风格和应用的要求导致各具特色的EDA工具都能被集成在易于管理的统一环境之下，支持任务、项目、设计工程师之间的信息传输和工程数据共享。并行设计工作和自顶向下设计方法也是构建电子系统集成设计环境或集成设计平台的基本规范。目前，主要的EDA系统都建立了遵循CFI统一技术标准的框架结构。
产业链：
EDA行业的上游 主要包括硬件设备、操作系统、开发工具及其他辅助性软件等供应商。
EDA行业中游为 EDA工具企业 。
EDA行业的下游 主要由芯片设计、晶圆制造和封测等企业组成。
资料来源：前瞻研究院，头豹研究所，西南证券整理
芯片是电子信息技术产业的根本，EDA 是芯片设计的最上游。芯片现在已融入信息社会的各个方面，军、民、商各类电子信息设备的核心都是芯片，电子信息技术产业发展的根基也是芯片。而 EDA 是芯片设计与生产的核心，从整个产业链来看，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，对行业生产效率、产品技术水平有重要影响。设计方面，设计人员必须使用 EDA 工具设计几十万到数十亿晶体管的复杂集成电路，以减少偏差、提高成功率及节省费用。制造方面，基于新材料、新工艺的下一代 EDA 技术将给集成电路性能提升、尺寸缩减带来新的发展机遇。
应用领域：
EDA 工具种类繁多，广泛应用于数字设计、模拟设计、晶圆制造、封装、系统五大类场景。以 EDA工具的主要应用场景数字设计为例，其前后端设计的多个环节均需要依赖 EDA 工具实现，前端设计：1）HDL 编码：将模块功能以代码（硬件描述语言）来描述实现。2）仿真验证：检验编码设计的正确性。3）逻辑综合：把设计实现的 HDL 代码翻译成门级网表。4）静态时序分析（SAT），在时序上对电路进行验证，检查电路是否存在建立时间和保持时间的违例。5）形式验证：从功能上对综合后的网表进行验证。后端设计：1)可测性设计：在设计的时候就考虑芯片自带的测试电路。2)布局规划：放置芯片的宏单元模块，在总体上确定各种功能电路的摆放位置。3)时钟树综合：时钟的布线，时钟信号在数字芯片起全局指挥作用，对称式地连到各个寄存器单元时延迟差异最小。4)布线：各个标准单元之间的走线。
数字电路前/后端设计流程
资料来源：华安证券研究所整理
行业壁垒：
1.产品线短：
（1）国产 EDA 产品线较短，产品种类较少，难以覆盖全流程。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。对于 EDA 软件的用户而言，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，因此产品线的齐备程度是判断 EDA 企业竞争实力的重要指标。目前，全球只有 Synopsys、Cadence 和西门子 EDA 三大国际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。对于客户而言，由于本土厂商无法为其提供平台式的产品服务，采购本土 EDA 软件后还需要从海外三巨头购买大量产品进行搭配使用才能完成集成电路设计。
（2）中国 EDA 产品相对落后，难以匹配最先进的工艺。
海外三巨头都已与头部 Foundry 和 Fabless 深度捆绑，绑定头部 Foundry 不仅代表了市场份额，更意味着工艺的领先优势。Fabless、Foundry 与 EDA 三者间是三角关系，Foundry 向 EDA 厂商提供反映Foundry 最新的工艺设计数据包的 PDK，EDA 工具输出的版图交由 Foundry 生产，EDA 厂商与Foundry 是强耦合关系。随着制程进步，每一次制程与工艺更新，都带动 EDA 软件的同步更新，凭借与头部 Foundry 的深度绑定与合作，头部 EDA 软件厂商在早期便能参与到新一代工艺的研发过程中，进一步稳固技术领先优势。
由于缺乏头部 Foundry 合作，中国本土 EDA 工具难以匹配目前最先进的工艺。海外三巨头与头部Foundry 长期捆绑，始终处于工艺的领先地位。国产厂商缺乏与头部 Foundry 的合作，其 EDA 工具对先进工艺的支持不够，这导致国产 EDA 工具在高端芯片领域几乎没有份额。另外，本土 Foundry 工艺制程与主流头部晶圆厂存在较大差距，这导致国内 EDA 生态整体比国外落后。目前，本土龙头 EDA 企业华大九天大多数工具仍无法支持 28nm 以下的制程，而国际三大巨头产品能支持的最先进工艺已经达到 2nm。
2.人才短缺
（1）国内 EDA 人才短缺，阻碍国产 EDA 发展。由于我国 EDA 企业还处于发展初期，国内 EDA 企业薪酬整体偏低，本土人才流失较为严重。在人员规模上面，国内的 EDA 企业与国际巨头企业相比存在较大差距。2020 年我国 EDA 行业仅有 4400 余名人才，其中半数以上就职于外资企业，本土 EDA 企业总人数约 2000 人。海外三大 EDA 公司合计约 3 万人，其中新思科技约 1.5 万人
（2）人才培养周期长，国内企业起步晚，人才短缺局面加剧。对于 EDA 企业而言，需要经过较长时间的积累和大规模投入才能形成一只具备一定梯队的专业化团队。培养一名 EDA 研发人才，从高校课题研究到从业实践的全过程往往需要 10 年左右的时间。同时，随着行业需求的不断迭代、技术趋势的快速发展，从业者还需要在实践过程中不断学习积累，才能保证其技术水平能够符合行业要求。因此，对于本土 EDA 企业而言，组建一支在行业内具备竞争力的团队十分困难，这也成为了阻碍国内 EDA 企业发展的因素之一。而海外 EDA 龙头均在世界范围内通过产研合作来锁定人才，Synopsys 与 Cadence 早已与国内院校建立深入的合作关系。此外，行业内领先企业具备更高的知名度与更加完善的技术培训体系，对人才的吸引力较强。
3.客户认证壁垒高
（1）国际主流 EDA 软件已经形成用户生态，在教育阶段就已经渗透;
目前国际主流的 EDA 软件已经形成用户生态，早在 IC 工程师教育阶段就已通过免费、低价的方式早期介入高校教育，养成了工程师的使用习惯，建立了非常稳固的用户基础。另一方面，主流 EDA 厂商通过与 Foundry 紧密合作，共同开发新工艺，建立了稳固的产业链生态。同时，由于国内 EDA 产品门类很难全覆盖，芯片设计公司更倾向于使用大公司提供的全品类平台化的 EDA 工具。
（2）新进入 EDA 企业渗透困难.由于集成电路制造和设计企业对 EDA 企业的合作精力有限，对规模较小、成立时间较短的 EDA 企业很难提供相应合作资源。这意味着市场尾部 EDA 企业将难以获得最新的生产线工艺数据参数，在与工艺紧密相关的工具领域将无法进行技术布局，束缚了其业务的发展与完善。因此集成电路制造与设计企业一旦与 EDA 工具供应商形成稳定的合作关系，就不会轻易更换供应商，对合作供应商粘性较强，这无形中加大国产 EDA 厂商突破市场的难度。
（3）晶圆厂稳定生产线十分重要，切换工具风险大。EDA 的下游客户之一为晶圆厂，晶圆厂整体投资金额巨大，生产线的稳定性及其重要，一旦产线稳定性受到影响甚至停产将给晶圆厂带来不可估量的损失。由于稳定生产线极为重要，因此晶圆厂通常对其供应商有着极为严苛的认证条件，这增加了中国本土 EDA 企业获得订单的难度。高昂的试错成本与较长的认证周期使得下游客户在与供应商形成稳定的合作关系后，通常不会轻易的更换供应商，这也就导致新进入 EDA 行业的企业难以获得客户资源，本土 EDA 企业市场开拓难度大。
（4）海外 EDA 产品具有先发优势，客户粘性更高。本土 EDA 起步较晚，海外领先中国 50 年，大量集成电路设计和制造用户长期使用国外三巨头产品，已形成了一定的用户粘性。EDA 软件开发需要客户足够多的设计去不断完善 bug，而这一协同进步则需要客户和时间积累。获客难将导致本土 EDA 企业缺少客户陪跑，从而导致产品技术进步缓慢。
行业现状：
全球集成电路产业发展迎来“超级周期”，应用市场的景气加速了EDA行业市场发展。随着工业设备、通信网络、消费电子等终端应用市场的不断发展，全球集成电路市场的需求量稳步提升。2021年，全球集成电路市场规模达到3838亿美元，预计2022年将达4080亿美元，2021-2022年CAGR达7.3%。
资料来源：Frost&Sullivan，西南证券整理
根据ESD Alliance数据显示，2020年全球EDA市场规模达到115亿美元，同比增长11.63%，预计2022年将达到133.83亿元。2016–2020年的CAGR为8.00%。根据Verified Market Research数据，预计2028年全球EDA市场规模有望达到215.6亿美元，2020-2028年CAGR为8.59%。
资料来源：ESD Alliance，Verified Market Research，西南证券整理
国内现状：
我国集成电路产业规模在过去几年一直保持着高速增长，远远高于全球增长水平，我国持续成为全球EDA行业市场增速最快的地区。 2021年中国集成电路市场规模达10227.7亿元，同比增长15.9%。预计至2022年，市场规模将达到11839.7亿元，2017-2022年CAGR高达18.2%。
近年来，随着国家和市场对国产EDA行业的重视程度不断增加，上下游协同显著增强，国内EDA企业在产业政策、产业环境、投资支持、行业需求、人才回流等各方面利好影响下逐渐兴起。2020年中国EDA市场规模约93.1亿元，同比增长27.7%，占全球市场份额的9.4%，预计2022年将达115.6亿元，2018-2022年5年CAGR为12.5%，远高于全球EDA市场增速。
资料来源：中国半导体行业协会、国信证券经济研究所整理
数据来源：Frost&Sullivan，中国半导体协会，西南证券整理
中国芯片设计产业蓬勃兴起，但大多数为中小规模企业。根据中国半导体行业协会2021年数据显示，从芯片设计公司的销售规模来看：年销售额大于1亿元的企业共计413家（占比15%），年销售额5000万-1亿的企业共计133家（5%），销售额1000万到5000万元的企业数量为728家，销售额小于1000万元的企业为1536家；从芯片设计公司的人员规模来看：超过1000人的芯片设计公司有32家，比上年增加3家；人员规模500-1000人的有51家，比上年增加9家；人员规模100-500人的有376家，比上年增加91家，但占总数83.7%的企业是人数少于100人的
小微企业，共2351家，比上年多了489家。
中国集成电路产业的上市公司数量持续增加，带动正版EDA工具的需求快速增长。根据IT 桔子数据显示，截止到2022年6月底，已上市的中国芯片半导体企业超200家。自2019年以来，芯片半导体企业迎来上市密集期。2019-2021年期间，敲钟上市的公司数量达80家，仅2020年就有35家芯片半导体企业上市，创造了历年上市公司数量的最高纪录。进入到2022年，芯片半导体公司上市依旧活跃，截止到6月28日，共有17家企业顺利上市。
竞争格局：
全球 EDA 行业高度集中，CR3 超过 77%。EDA 行业具有较高的技术、人才储备、用户协同、资金规模等行业壁垒，经过 30 余年的行业整合发展，形成较高集中度的行业竞争格局。新思科技（Synopsys）、铿腾电子（Cadence）、西门子 EDA（Siemens EDA）三家厂商是处于全球 EDA 行业第一梯队的巨头公司，具备对于半定制、全定制IC 设计全流程的覆盖能力，能够为客户提供整套的 IC 设计工具，已建立起相当完善的行业生态圈，形成了较高的行业壁垒和用户粘性，占据了全球主要的 EDA 市场。根据赛迪顾问统计，2020 年新思科技（Synopsys）、铿腾电子（Cadence）、西门子 EDA（Siemens EDA）在全球 EDA 市场占有率分别为 29.1%、32.0%、16.6%，合计超过 77%。
国际 EDA 巨头简介
资料来源：各公司官网，Wind，国联证券研究所
ANSYS、是德科技也占据了较为突出的市场份额，CR5 约 85%。除新思科技、铿腾电子、西门子EDA 三家国际 EDA 巨头外，ANSYS和是德科技（Keysight Technologies）为代表的国际领先 EDA 公司，凭借其在细分领域取得的技术领先优势，在特定的设计环节或特定领域形成了其垄断地位，已成功抢占了较为突出的市场份额。根据赛迪顾问统计，2020 年 ANSYS、是德科技全球 EDA 市场市占率分别为 4.8%、3.3%，前五大EDA 公司累计占有了超 85%的全球 EDA 市场份额。
除全球前五大 EDA 公司外，仍有相当数量的 EDA 公司。虽然全球 EDA 巨头具有较高的竞争优势，但由于 EDA 工具的复杂性，不同厂商之间仍然各具差异化优势。一些成长中的企业通过专注与快速迭代在细分市场实现局部竞争优势，主要采取了两种策略：一是优先突破关键环节核心工具，典型公司国际上还有 PDF Solutions 等，国内有概伦电子、广立微等；二是优先突破部分设计应用全流程解决方案，典型公司国际上有 SILVACO、Jedat Inc.等，国内有华大九天等。根据赛迪顾问统计，除全球前五大 EDA 公司外，2020 年其他 EDA 公司共占有 14.2%的市场份额。
EDA 行业竞争格局示意图
资料来源：概伦电子招股说明书，国联证券研究所
按照厂商业务分布情况、营收能力、市场占有率等， EDA行业市场竞争梯队可分为三级，分别为国际EDA巨头、领先EDA巨头及先进EDA巨头。其中第一二梯队以美国公司为主，中国公司主要分布在第二三梯队中。
第一梯队由 Synopsys、Cadence、Siemens EDA三家国际知名企业组成。该类企业业务遍布全球，科研实力雄厚，拥有全流程 EDA 产品，在部分领域处于绝对领先地位。
第二梯队为以美国 ANSYS 公司、Keysight、华大九天等为代表的企业，该类企业拥有特定领域全流程产品，在局部领域技术较为领先。
第三梯队为以国微集团、广立微、概伦电子等为代表的企业，该类企业产品布局主要以点工具为主，主要专注于细分领域，经营规模普遍较小，在工具的完整性方面有所欠缺，但在中国EDA市场有一定影响力。
国内竞争情况：
国内 EDA 市场也主要由三大巨头占据。1994 年“巴统”禁令取消，海外 EDA 三巨头大举进入中国市场，以技术成熟、价格便宜、免费赠送、多方合作等策略，快速获取市场份额，国产 EDA 发展受挫。2008 年后国家出台相关政策，国产 EDA 迎来发展机遇，但受制于海外 EDA 龙头的深厚技术、经验积累，国内 EDA 市场仍主要由三大巨头占据。根据赛迪智库统计，2020 年国际三大 EDA 巨头新思科技、铿腾电子和西门子 EDA 在国内市场占据明显的头部优势，合计占领约 80%的市场份额；国产 EDA 厂商华大九天市占率约 6%，处于国内市场第四位。
2020 年中国 EDA 市场份额情况
资料来源：赛迪顾问，中商产业研究院，国联证券研究所
制程），其余五大工具均可支持目前国际最先进的 5nm 量产工艺制程，处于国际领先水平。
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