「EDA」才是国产芯片命门，何时才能突破美国“三巨头”垄断？
作者|高禾投资研究中心
来源|高禾投资（ID：GHICapital）
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导读
EDA软件被称作芯片产业链上游的最上游环节，是集成电路创新的源泉。
全球EDA软件的年产值在百亿美元级别，而其却撬动了5000亿美元的半导体行业，可谓半导体的基石。
目前，国内在EDA软件领域的进口依赖程度过高，国内有95%的市场份额都被美国的“三巨头”（新思科技Synopsys、楷登电子Cadence、明导公司MentorGraphics）占领，而国产企业却迟迟不能突破技术壁垒，完成国产替代。
那么，究竟为什么国产企业无法完成国产替代呢？
请看，今天的
「EDA」才是国产芯片命门，何时才能突破美国“三巨头”垄断？
一、EDA行业市场研究综述
（一）EDA定义及分类
1. 定义
电子设计自动化（Electronic design automation，缩写：EDA）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。
图1：EDA概念图
来源：芯愿景官网、高禾投资研究中心
2. 分类
（1）电子电路设计与仿真工具
电子电路设计与仿真工具主要有Pspice仿真器、EWB仿真软件、Matlab软件。Pspice 仿真器在 1985 年第一次出现后,经历了不断的增强和改造，已经被成千上万的工程师试验和证实；PSP ICE 是为严肃的模拟和混合信号而设计的特性化的仿真器。EWB（electronic workbench） 软件是 Interactive ImageTechnologies Ltd 在20 世纪 90 年代初推出的电路仿真软件。Matlab 软件是有众多的面向具体应用的工具箱和仿真块，包含了完整的函数集用来对图像信号处理、控制系统设计和神经网络等特殊应用进行分析和设计。
（2）PCB设计软件
PCB设计软件种类很多，如Protel、OrCAD、Viewlogic、PowerPCB、Cadence PSD、MentorGraphices的ExpediTIon PCB、Zuken CadStart、Winboard/Windraft/Ivex-SPICE、PCB Studio、TANGO等等。PCB设计软件具有画板级电路图以及布线和仿真的工具，就是用来摆放元器件，然后再把元器件的线连接起来。
（3）PLD设计软件
PLD（Programmable LogicDevice）是一种由用户根据需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。目前，主要有两大类型：CPLD（Complex PLD）和FPGA（FiELD Programmable Gate Array）。它们的基本设计方法是借助于EDA软件，用原理图、状态机、布尔表达式、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，最后用编程器或下载电缆，由目标器件实现。生产PLD的厂家很多，但最有代表性的PLD厂家为ALTERA、Xilinx和Lattice 公司。
（4）其他EDA软件
其他EDA软件主要分为VHDL语言、VeriolgHDL、微波电路设计和电力载波工具、PCB制作和工艺流程控制等领域的工具。
（二）EDA行业发展历程
1. 计算机辅助设计时期（1970年-1980年）
这一阶段是EDA的雏形时期。这个时期的计算机辅助设计（CAD）主要功能是交互图形编辑，晶体管级版图设计、布局布线、设计规则检查，门级电路模拟和验证等。设计人员依靠手工完成电路图的输入、布局和布线。到了70年代中期，可编程逻辑技术出现了，开发人员尝试将整个设计工程自动化、不再仅仅满足于完成光刻掩模版的出图。
2. EDA商业化时代（1980年-1990年）
IC设计的EDA工具真正起步于80年代，1983年诞生了第一台工作站平台Apollo。在这个时代，可编程逻辑器件开始成熟，硬件描述语言VHDL和Verilog产生，这为EDA的商业化打下非常好的基础。人们开始对相关软件进行进一步的开发，在把不同CDA工具合成一种系统的基础上，完善了电路功能设计和结构设计，并且通过电气连接网络表将两者结合在一起，实现了工程设计。CAE的主要功能是：原理图输入、逻辑仿真、电路分析、自动布局布线、PCB后分析。EDA技术在此时期逐渐发展成半导体芯片的设计，已经能生产出可编程半导体芯片。
3. 系统设计阶段（1990年-2000年）
随着硬件语言的标准化和集成电路设计方法的不断发展，推动了EDA设计工具的普及和发展。这个时期的EDA技术特征是高级语言描述、系统级仿真和综合技术。
4. 快速发展阶段（2000年至今）
在仿真验证和设计两个层面支持标准硬件语言的EDA软件工具功能更加强大，更大规模的可编程逻辑器件不断推出，系统级、行为级硬件描述语言区域更加高效和简单。进入新世纪后，微电子技术获得了突飞猛进的发展，集成几千万乃至上亿的晶体管只需一个芯片。以高级语言描述、系统级仿真和综合技术为特点的EDA工具就此出现，此后EDA技术获得了极大的突破发展。
（三）EDA市场规模
1. 全球EDA市场规模
随着EDA行业的发展，相关软件产品逐渐增多，再加上全球芯片制造对EDA产品的需求加大，使得EDA行业市场规模不断提高，但整体增速不高。据统计，2018年全球EDA行业市场规模为97.04亿美元，较2017年同比增长4.30%。预计2019年年收入为105亿美元，同比增长8.25%。
图2：全球EDA市场规模图
来源：前瞻产业研究院、高禾投资研究中心
2. 中国EDA市场规模
过去十年，中国大陆半导体产业呈现出上升趋势。正在与其他地区的半导体产业竞争。其中大陆的竞争主力军为Fabless企业，中国大陆的Fabless公司已经占全球的四分之一。如此多的Fabless公司，且市场占有率和活跃度很高，就给了EDA工具和服务足够的发展空间。这也是我国未来几年不断发展和壮大国内EDA产业的基础。
按照2020年11月10日的汇率，中国2018年EDA行业市场规模为33.14亿元，仅占全球的5.15%左右。2017年中国EDA市场增速较高，为11.63%，之后两年增速有所下降，为4.17%、8%。随着不断意识到国产替代的重要性，未来中国EDA市场规模将迎来新一轮的增长。
图3：中国EDA市场规模图
来源：前瞻经济学人、高禾投资研究中心
（四）EDA产业链分析
图4：EDA产业链图
来源：芯愿景招股说明书、高禾投资研究中心
图5：EDA软件和IC设计以及代工厂铁三角图
来源：高禾投资研究中心
1. 上游
EDA行业的上游是高端技术人才、实验设备以及IC代工。根据芯愿景招股说明书，上游所需要的实验设备有聚焦离子束显微镜、场发射扫描电子显微镜、电感耦合等离子体刻蚀系统。主要涉及的企业是卡尔蔡司、东方科仪等。IC代工主要涉及企业是华润上华。
2. 中游
产业链中游主体为EDA软件企业。国内EDA软件企业多，但大部分公司规模较小。目前规模较大的有芯愿景、华大九天、杭州广立微、苏州芯禾；规模较小的有北京博达微、武汉九同方等等。
3. 下游
产业链下游的主体主要是IC设计企业。IC设计是指以集成电路、超大规模集成电路为目标的设计流程。涉及的企业主要有北京电子科技集团、中国航天科技集团、纳思达股份等等。
二、EDA行业驱动因素分析
（一）新兴市场需求带动产业发展
EDA行业的发展方向、繁荣程度与其下游产业需求紧密相关。本世纪以来，PC、平板电脑、智能手机等终端产品市场需求旺盛，产品更新换代不断加快，这带动了我国EDA的跨越式发展。未来，随着新技术/产业的发展成熟，IC产品下游应用领域的扩展，我国IC设计业整体市场活力将进一步释放。同时，为应对竞争压力，定制高性能、低功耗IC产品，终端系统厂商或网络服务商加入IC设计业，自建IC设计团队或依托设计服务企业进行产品研发、设计及定制。上述因素为IC分析服务及设计服务业务创造了持续的市场需求。
（二）产品向自主、安全、可控方向发展
IC产品应用于经济社会的众多产业，是典型的国家战略性产业；要保证国家信息系统的安全性和独立性，IC产品底层技术架构必须实现自主、安全和可控。目前，计算机、通信设备等电子系统的国产换代基本完成，IC产品的进口替代趋势显现。
近年来，美国对我国部分产业实行IC产品出口管制和技术封锁，凸显了双方IC产业发展水平的差距。此后，事关国民经济和国家安全的重要产业中，尤其在国家单位或涉军项目中，客户对自主创新形成的核心IP和IC底层构架的需求迫切。随着相关产业自给率的提升，产品不断向安全、可控方向演化，IC进口替代需求持续旺盛，这将带动国内IC全产业发展。
（三）国家政策利好，推动行业发展
近年来，我国政府陆续出台了大批鼓励性、支持性政策法规，投入了大量社会资源，为整个产业的升级和发展营造了良好的政策和制度环境。相关政策性文件的推出，从发展战略及路径、资金储备、税收优惠、知识产权保护、地方专项扶持等多方面，进一步明确了集成电路产业集中、技术进步和市场发展的方向。特别是知识产权保护方面，我国制度环境不断完善、社会维权意识普遍提高，围绕IC产品的知识产权保护力度将持续增强，从而推动产业健康有序发展。
三、EDA行业制约因素分析
（一）高端人才紧缺，行业技术壁垒待突破
IC产业下辖各行业多为技术密集型行业，对人才的专业知识储备、研发能力和项目管理执行经验有较高要求。近年来，我国对IC产业给予了政策上的鼓励和支持。但由于产业整体起步较晚，前沿技术与发达国家存在差距，业内仍紧缺高端人才，这在一定程度上制约了产业发展。
（二）国外“三巨头”垄断市场，国产企业市场份额小
国外“三巨头”垄断了EDA市场，国产企业市场份额小。三大EDA企业占全球市场的份额超过60%，在中国市场的占有率为95%。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%；MentorGraphics在被收购之前也能保持超过10%的市场占有率。
（三）企业竞争力不强，缺乏技术积累以及资金投入
行业内企业竞争力不强，长期技术积累不够，资金投入与国外龙头存在差距。EDA行业是技术密集型企业，不仅需要高端人才，还需要长期的技术积累以及研发投入。国内企业主要是以不断地并购来提高行业集中度，“造不如买”是行业目前的理念，这将导致企业在技术层面上竞争力不够，这将在一定程度上制约行业的发展。
四、EDA行业政策因素分析
集成电路产业是信息技术产业的核心，是支撑经济社会发展和保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业。近年来，我国政府陆续出台了大批鼓励性、支持性政策法规，投入了大量社会资源，为整个产业的升级和发展营造了良好的政策环境。
表1：EDA行业政策汇总表
来源：芯愿景招股说明书、高禾投资研究中心
五、EDA行业发展趋势分析
（一）EDA发展需要专注于技术创新
先进的技术是EDA公司的生命线，必须持续投入内部研发，以创新想法及新颖技术配合半导体工艺及设计领域的要求开发最新的产品满足市场需求。今后EDA产品技术创新的重点将会在系统级验证及DFM两大领域。随着半导体工艺迈入纳米时代及设计复杂度的快速提升，设计公司面临许多设计挑战，包括时序收敛、信号完整性、可制造性设计（DFM）及低功耗设计，设计公司被迫寻找新的EDA设计工具以提升生产率，进而应付当今市场的激烈竞争。根据Dataquest的资料显示，在65nm及90nm以下的IC设计，产品的成品率是影响设计及最终产品竞争力的最大因素，DFM工具因而受到高度重视。
（二）人工智能进入芯片设计领域
随着人工智能的进一步发展，人工智能开始进入芯片设计领域。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。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。国际巨头之一的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。国产企业新思科技也在利用人工智能加速时序验证。
（三）信息产业“智能化”
社会的“智能化”是以高效和“省心”为目标，给工业软件EDA带来的挑战是空前的。首先是工业软件EDA服务面的扩展，它将服务人工智能（AI）的图像识别、语音和文字处理、智能制造和机器人等各行各业（规范、协议和标准）的自有知识产权（IP）的建立；其次是工业软件EDA将实现这些IP算法到一个特定域或者是一通用域的结构化的转换和高效的调度，这都涉及到设计方法学创新和设计智能化的需求对工业软件EDA的深层次的要求。
六、EDA行业市场竞争格局
（一）全球EDA市场竞争格局
目前，全球EDA软件供应者主要是国际三巨头新思科技（Synopsys）、楷登电子（Cadence）和明导公司（Mentor Graphic），三大EDA企业占全球市场的份额超过60%。2018年，Synopsys全球市场份额领先，占比达到32.1%；Cadence次之，占比为22.0%。
图6：2018年全球EDA市场竞争格局图
来源：ESD Aliance、高禾投资研究中心
从细分领域来看，目前，IP核（SIP）的交易是EDA产业交易规模最大的一部分，占33.61%的市场份额；其次是CAE，占比为32.26%，芯片设计与验证占据21.39%的比重。
图7：2019年全球EDA软件行业细分领域市场份额图
来源：华经情报网、高禾投资研究中心
（二）中国EDA市场竞争格局
由于我国本土EDA软件市场暂且落后，主要市场份额还是集中在海外三大巨头上，分别是美国的Synopsys、美国的Cadence和西门子旗下的Mentor Graphics。2018年我国EDA软件市场份额约为5亿美元，而海外三大巨头的产品在国内占了95%以上的份额。
图8：2018年中国EDA市场竞争格局
来源：高禾投资研究中心
（三）国外主要玩家
1. 新思科技（Synopsys，SNPS.Nasdaq）
（1）公司概况
Synopsys公司总部设在美国加利福尼亚州Mountain View，有超过60家分公司分布在北美、欧洲、亚洲。是为全球集成电路设计提供电子设计自动化软件工具的主导企业。为全球电子市场提供技术先进的IC设计与验证平台，致力于复杂的芯片上系统（SoC）的开发。同时，Synopsys公司还提供知识产权和设计服务，为客户简化设计过程，提高产品上市速度
（2）主要产品
Synopsys主要产品有Astro、DFT、TetraMAX、Vera、VCS、Power Compiler。Astro是Synopsys为超深亚微米IC设计进行设计优化、布局、布线的设计环境。DFT Compiler提供独创的“一遍测试综合”技术和方案。TetraMAX ATPG是业界功能最强、最易于使用的自动测试向量生成工具。Vera验证系统满足了验证的需要，允许高效、智能、高层次的功能验证。VCS是编译型Verilog模拟器，它完全支持OVI标准的VerilogHDL语言、PLI和SDF。Power Compiler提供简便的功耗优化能力，能够自动将设计的功耗最小化，提供综合前的功耗预估能力，让设计者可以更好地规划功耗分布，在短时间内完成低功耗设计。
图9：Synopsys产品图
来源：Synopsys官网、高禾投资研究中心
2. 楷登电子（Cadence，CDNS.NASDAQ）
（1）公司概况
Cadence是一家专门从事电子设计自动化（EDA）的软件公司，由SDASystems和ECAD两家公司于1988年兼并而成。是全球最大的电子设计自动化（Electronic DesignAutomation）、半导体技术解决方案和设计服务供应商。Cadence总部位于美国加州圣何塞（San Jose），在全球各地设有销售办事处、设计及研发中心。
（2）主要产品
Cadence主营业务包括定制与模拟设计、数字化设计、签收、企业级验证、系统开发与验证、封装与PCB设计信号完整性/电源完整性分析、IP、服务等。
2018年7月Cadence正式通过美国国防高级研究计划局（DARPA）筛选，为其电子资产智能设计（IDEA）项目提供支持。IDEA 是 DARPA 电子复兴计划（ERI）六个新项目之一，利用机器学习技术为片上系统（SoC）、系统封装（SiP）和印刷电路板（PCB）打造统一平台，开发完整集成的智能设计流程。ERI 投资将进一步实现自动化的电子设计能力，满足航空航天/国防生态系统和电子行业的商业需求。
图10：Cadence3D-IC设计解决方案图
来源：Cadence官网、高禾投资研究中心
3. 明导公司（Mentor Graphics，西门子子公司）
（1）公司概况
Mentor Graphics总部位于Wilsonville，Oregon，是电子设计自动化技术的领导产商，它提供完整的软件和硬件设计解决方案，让客户能在短时间内，以最低的成本，在市场上推出功能强大的电子产品。当今电路板与半导体元件变得更加复杂，并随着深亚微米工艺技术在系统单芯片设计深入应用，要把一个具有创意的想法转换成市场上的产品，其中的困难度已大幅增加；为此 Mentor提供了技术创新的产品与完整解决方案，让工程师得以克服他们所面临的设计挑战。
2016年11月，西门子（SIE.FWB）以每股37.25美元的现金价格收购MentorGraphics，按此价格计算，交易价应当为40亿美元左右。
（2）主要产品
它提供完整的软件和硬件设计解决方案，是全球三大EDA大佬之一。Mentor除EDA工具外，还具备非常多助力汽车电子厂商的产品，包括嵌入式软件等。Mentor的策略是在主业即EDA工具方面持续加强自主研发，每年30%的销售收入作为科研经费投入。EDA工具中，硬件仿真器以24%的速率保持超高速率成长。
图10：Mentor Graphics IC设计解决方案图
来源：Mentor Graphics官网、高禾投资研究中心
（四）国内主要玩家
1. 华大九天
（1）公司概况
北京华大九天软件有限公司（简称“华大九天”）成立于2009年，致力于面向半导体行业提供一站式 EDA及相关服务，是目前国内规模最大、技术实力最强的EDA龙头企业。
（2）主要产品
在EDA方面，华大九天可提供模拟/数模混合IC设计全流程解决方案、数字SoC IC设计与优化解决方案、晶圆制造专用EDA工具和平板显示（FPD）设计全流程解决方案，拥有多项全球独创的领先技术。
图11：华大九天产品图
来源：华大九天官网、高禾投资研究中心
2. 芯愿景（拟上市）
（1）公司概况
北京芯愿景软件技术股份有限公司（以下简称“芯愿景”）创立于2002年，是一家以IP核、EDA软件和集成电路分析设计平台为核心的高技术服务公司。向全球客户提供集成电路分析、集成电路设计、集成电路EDA软件授权服务。
（2）主要产品
芯愿景将EDA软件需求定位于IC分析服务和设计服务领域，已逐步形成六大软件产品线、38个软件产品；具备核心技术引领/实现、执行效率保障/提升等核心作用，是各类业务开展中的基础性技术工具，亦可直接授权客户使用。各类EDA软件产品主要使用C++语言编写，源代码总量已超三百万行，兼容Windows操作系统；同时，其二次开发接口可实现设计服务中的“应用级开发”。总体上，相关软件功能丰富、覆盖业务全流程，是芯愿景核心技术的重要组成。
图12：芯愿景集成电路设计优化系统图
来源：芯愿景官网、高禾投资研究中心
（3）核心竞争力
在EDA软件领域，公司跟随摩尔定律及产业先进技术、前沿IC产品的演进路径，不断进行软件优化升级；相关软件产品构成公司各类业务的核心技术基础，以及实现业务全流程优化管理、保持持续较强盈利能力的重要前提。
随着新的研发成果、项目执行经验、工艺技巧及分析结论等不断汇集，公司各类解决方案持续优化、不断完善。这是公司保持核心竞争力最关键因素。
（4）业绩情况
2019年芯愿景营业收入主要为主营业务收入，各期占比均超过90%，其他业务收入为房屋出租相关收入。2017-2019年，营业收入分别为7370.52 万元、11351.19 万元和16038.08 万元，其中主营业务收入分别为6988.22万元、10893.07万元、15525.11万元。呈快速增长趋势。
图13：芯愿景2017-2019年各细分业务经营情况（单位：万元）
来源：芯愿景招股说明书、高禾投资研究中心