带你了解IC设计最高大上的产业—EDA

2020-06-01来源: 智东西关键字:EDA

 

EDA(电子设计自动化)是芯片之母,是芯片产业皇冠上的明珠:EDA软件工具涵盖了IC设计、布线、验证和仿真等所有方面。EDA是集成电路设计必需、也是最重要的软件工具,EDA产业是IC设计最上游、最高端的产业。国内EDA产业发展从上世纪八十年代中后期开始,本土EDA企业有华大九天、芯禾科技、广立微电子、博达微科技、概伦电子、蓝海微科技、奥卡思微电等七家。这些企业虽然产品不够齐全、集成度不够高,但在点工具上取得了一定的成绩。其中,华大九天是全球唯一的能够提供全流程FPD设计解决方案的供应商,获得了大部分知名面板厂的市场份额。

 

EDA全景概述:IC设计全流程

 

何谓EDA?EDA是电子设计自动化(Electronic Design Automation)的简称,是从计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助测试(CAT)和计算机辅助工程(CAE)概念发展而来。

 

▲EDA历史沿革IC产业链:芯片产业链包括设计、制造、封装、测试、销售,芯片核心实力重心在芯片设计,而芯片设计离不开芯片设计软件EDA,EDA可谓是芯片产业链“任督二脉”。芯片设计流程:芯片设计可分为前端和后端,前端主要负责逻辑实现,后端跟工艺紧密结合。

▲芯片产业链各流程主要企业

▲芯片设计和生产流程图

 

EDA是广义CAD的一种,是细分的行业软件。利用EDA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,完成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。


▲EDA分类国内EDA产业发展


从上世纪八十年代中后期开始,国产首套EDA熊猫系统于1986年开始研发并于1993年问世。之后的国内EDA发展曲折而缓慢,因各种因素影响,国产EDA产业没有取得实质成功,但近十年发展中,华大九天、芯禾科技、广立微、博达微等几个企业从国产EDA阵型中展露生机。EDA是集成电路产业领域内 “小而精”的环节,产值较小但又极其重要。数据显示,2018年整个EDA的市场规模仅为97.15亿美元,2014-2018年复合增长率在6.89%左右,相对于几千亿美金的集成电路产业来说不值一提,但如果缺少了这个产品,全球所有的芯片设计公司都得停摆。在2017年,IP核的交易已经超越了EDA工具和服务本身,成为EDA产业交易规模最大的一部分。

▲2014-2018年全球EDA市场规模(百万美元)

▲ 2017年与2018年全球EDA市场规模(百万美元)

 

 EDA三巨头:Synopsys、Cadence、Mentor Graphics

 

EDA三巨头:EDA市场份额占据前三位的Synopsys、Cadence和被西门子收购的Mentor Graphics。三大EDA企业占全球市场的份额超过60%。其中,Synopsys是全球最大的EDA企业,2018年的市场份额已达到32.1%;Cadence仅次于Synopsys,2018年市场占有率为22.0%;Mentor Graphics在被收购之前也能保持超过10%的市场占有率。在2017年中国工业软件企业排行榜中,Synopsys排名35位,Cadence和Mentor Graphics分列第47、48位。

▲2014-2018年EDA三巨头公司收入所占份额▲EDA三巨头基本情况

 

Synopsys(新思科技)成立于1986年,由Aart de Geus带领通用电气工程师团队创立,在2008年成为全球排名第一的EDA软件工具领导厂商,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。Synopsys在EDA行业的市场占有率约30%,它的逻辑综合工具DC和时序分析工具PT在全球EDA市场几乎一统江山。

 

▲2010-2019年Synopsys营业收入及增速情况▲2010-2019年Synopsys净利润及增速情况

 

Cadence(铿腾电子)是EDA行业销售排名第二的公司,在1988年由SDA与ECAD两家公司兼并而成,Cadence通过不断扩展、兼并、收购,到1992年已占据EDA行业龙头地位,但到2008年被Synopsys超越。Cadence产品涵盖了电子设计的整个流程,包括系统级设计、功能验证、集成电路综合及布局布线、IC物理验证、模拟混合信号及射频集成电路设计、全定制集成电路设计、PCCE设计和硬件仿真建模等。全球知名半导体与电子系统公司均将Cadence软件作为其全球设计的标准。Cadence的Virtuso工具历经27年不衰,成为业内传奇。

 

▲2010-2019年Cadence营业收入及增速情况▲2010-2019年Cadence净利润及增速情况

 

Mentor Graphics(明导国际,2016年被德国西门子收购)1981年成立,90年代遇到经营困境,软件的研发严重落后于进度,大量长期客户流失。直到94年公司组织结构大调整后,才重新崛起。Mentor Graphics是一家EDA软件和硬件公司,也是电路板解决方案的市场领导者,主要提供电子设计自动化先进系统电脑软件与模拟硬件系统。Mento的工具虽没有前两家全面,没有涵盖整个芯片设计和生产环节,但在有些领域,如PCB(印刷电路板)设计工具等方面有相对独到之处。

 

▲2010-2016年Mentor营业收入及增速情况

▲2010-2016年Mentor净利润及增速情况

 

EDA公司提供给IC公司的一般都是全套工具,因此EDA集成度高的公司产品更有优势。三巨头基本都能提供全套的芯片设计EAD解决方案。Synopsys最全面,它的优势在于数字前端、数字后端和PT signoff。模拟前端的XA,数字前端的VCS,后端的sign-off tool,还有口碑极好的PT、DC和ICC功能都很强大。Synopsys有垄断市场90%的TCAD器件仿真和垄断50%的DFM工艺仿真,这是其在EDA产业竞争中的一把利器。Cadence的强项在于模拟或混合信号的定制化电路和版图设计,功能很强大,PCB相对也较强,但是Signoff的工具偏弱。Mentor Graphic在后端布局布线这块比较强,在PCB上也很有优势,它的优势是Calibre signoff和DFT,但Mentor Graphic在集成度上难以与前两家抗衡。此外,除了卖license以外,EDA企业还可以提供IP授权(硬核和软核),这个对于很多中小规模的设计公司是很有吸引力的。授权的IP通常有memory,Serdes和Power management之类的研发成本或门槛相对较高的硬核。目前Synopsys企业的IP业务全球排名第二;Cadence的IP业务销售额也在逐年增加;Mentor在IP业务上和Synopsys与Cadence几乎没有竞争力。

 

▲芯片设计部分流程使用的三巨头工具

 

Synopsys提供的产品与服务主要分为四类:EDA、IP、制造解决方案、专业服务与其他,其中EDA产品占Synopsys总收入中的一半以上。

 

▲Synopsys产品分类

 

Synopsys是EDA三大巨头之首。占据统治地位的产品为逻辑综合工具DC(design compiler),时序分析工具PT(prime time)。Synopsys的EDA和IP客户通常是半导体和电子系统公司。除此之外,Synopsys还为包括电子、金融服务、媒体、汽车、医药、能源和工业等不同行业客户提供软件安全解决方案。Intel是Synopsys最大客户,2016-2018三年公司总营业额中分别有15.9%、17.9%、15.4%来自Intel。除此之外,公司没有占总收入份额超过10%的客户。

 

▲2017-2019年Synopsys各类产品或服务营收占比情况

 

Cadence将主营业务分为五类,分别是验证、数字设计、模拟、PCB、IP,其中前三项的地位更为重要,占主营业务收入的份额在75%左右。Cadence为EDA业界第二厂商,工具集中在模拟电路,PCB电路,FPGA工具。Cadence也有一套完整的ASIC设计工具,但在与Synosys竞争中处下风。但在全定制设计中Virtuso仍然非常强大,Cadence之所以稳居第二,决定于其强大的模拟电路设计工具。

 

▲2018年Cadence各细分领域占营业额的比重

▲Cadence主要产品

▲Cadence主要平台

 

Mentor公司为业界第三,虽然排行第三,但体量比前两家要小不少。Mentor在EDA厂商中始终占有一席之地的原因是其点工具做得非常好,比如Mentor的PCB设计工具,全面而且信号分析准确。比如ASIC流程中的Calibre在版图LVS,DRC中占有率超出其他两家,比如DFT工具DFTAdvisor在DFT工具中绝对占据优势地位。由于Synopys的销售策略,在DC销售时免费搭DFT compiler,对DFTAdvisor造成一定的市场冲击。Mentor平台并非像前两家一样大而全,虽然点工具做的很精致,但在Synopsys、Cadence的竞争压力下,发展空间日渐狭小。

 

▲四大EDA公司主要客户情况

 

Cadence 于1992年进入中国市场,是三巨头中在华布局进行最好的;Synopsys仅次于Cadence,于1995年进入中国市场;Mentor中国总部设立于上海金茂大厦,分别在北京和深圳设有销售办公室。EDA三巨头几乎在所有细分领域都有产品涉及,而EDA行业入门门槛高,成本弹性大,对性能依赖性强,其他的EDA公司若想突围十分困难。

 

▲国内公司所用EDA软件基本情况

 

Synopsys和Cadence一直重视新技术的开发,每年投入大比例资金用于研发,研发费用是公司最大的营运开支。尤其是Cadence公司,近两年研发支出占总营收的比例超过40%。

 

▲2010-2019年Synopsys与Cadence研发投入(百万美元)及占营业额的比重

 

自1986年成立以来,Synopsys通过发起几十余项并购交易,不断寻找那些已经被市场证明成功的产品及其企业,通过滚动并购操作达到了扩大业务规模、进行技术整合的目的。2002年,Synopsys以8.3亿美元收购与Cadence结束专利诉讼的Avanti公司,使得Synopsys成为EDA历史上第一家可以提供顶级前后端完整IC设计方案的领先EDA工具供应商,并在2008年超越Cadence成为全球最大的EDA工具厂商。

 

▲Synopsys部分重要收购情况

 

Mentor Graphics自成立开始,就关注各细分市场的的佼佼者,一步步收购了多家在某些细分领域技术上数一数二的中小型EDA公司,从而实现了企业稳步发展成长的目的。2016年11月14日西门子和Mentor Graphics(明导国际)联合发表声明,德国西门子将以每股37.25美元的价格收购美国EDA公司Mentor Graphics,总收购价格为45亿美元,价溢价21%。在收购Mentor后,西门子将增强在电子系统的设计、测试和仿真领域的软硬件实力。美国在半导体产业发展中发挥着巨大的作用。目前,集成电路在摩尔定律的驱动下,面临物理和经济极限;拐点临近,电子技术的进步将进入下一创新阶段。在这种背景下,美国又一次走在了世界前列,推出了一项为期5年、总值15亿美元的电子复兴计划(ERI),用以支持芯片技术的开发。美国国会也增加了对ERI的投入,每年额外注资1.5亿美元。DARPA推出ERI项目扶持芯片发展:2018年7月23-25日,DARPA为ERI计划召开了首次年度峰会,在会上,DARPA公布了2017年9月首批启动的6大项目合作研究团队,旨在扶持和培养在材料与集成、电路设计和系统架构三方面的创新性研究。

 

▲DARPA公布的ERI六大项目

▲ DARPA对Cadence与Synopsys的补助情况

 

随着IC设计复杂度的提升,新工艺的发展,EDA行业有非常大的发展空间,目前产业两大发展方向:云计算+EDA、人工智能+EDA。目前Cadence领先。云技术的应用主要有三大优点:1、 快速部署可提高工程效率并加速项目完成;2、 快速部署可提高工程效率并加速项目完成;3、 快速部署可提高工程效率并加速项目完成;

 

▲ Cadence提供的云服务

 

人工智能+EDA :芯片敏捷设计是未来发展的一个主要方向,深度学习等算法能够提高EDA软件的自主程度,提高IC设计效率,缩短芯片研发周期。据Cadence的报告显示,机器学习在EDA的应用可以分为四个方面:数据快速提取模型;布局中的热点检测;布局和线路;电路仿真模型。Cadence致力于研究将机器学习应用在Virtuoso平台上,并参与了ERI中智能设计芯片项目。新思科技也在利用人工智能加速时序验证。

 

▲Virtuoso平台智能框架

 

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