看點：三大寡頭壟斷的EDA行業，國內公司如何實現自主可控？

EDA(電子設計自動化)是晶片之母，是晶片產業皇冠上的明珠：EDA軟體工具涵蓋了IC設計、布線、驗證和仿真等所有方面。EDA是集成電路設計必需、也是最重要的軟體工具，EDA產業是IC設計最上遊、最高端的產業。

國內EDA產業發展從上世紀八十年代中後期開始，本土EDA企業有華大九天、芯禾科技、廣立微電子、博達微科技、概倫電子、藍海微科技、奧卡思微電等七家。這些企業雖然產品不夠齊全、集成度不夠高，但在點工具上取得了一定的成就。其中，華大九天是全球唯一的能夠提供全流程FPD設計解決方案的供應商，獲得了大部分知名面板廠的市場份額。

本期的智能內參，我們推薦東興證券公司的研究報告《電子設計軟體EDA專題報告》，詳解最新海內外EAD行業現狀和國內EDA產業的國產替代趨勢。如果想收藏本文的報告，可以在智東西（公眾號：zhidxcom）回復關鍵字「nc459」獲取。

本期內參來源：東興證券

原標題：

《電子設計軟體EDA專題報告》

作者：王健輝 葉盛 陳宇哲

EDA全景概述：IC設計全流程

何謂EDA？EDA是電子設計自動化（Electronic Design Automation）的簡稱，是從計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）、計算機輔助測試（CAT）和計算機輔助工程（CAE）概念發展而來。

▲EDA歷史沿革

IC產業鏈：晶片產業鏈包括設計、制造、封裝、測試、銷售，晶片核心實力重心在晶片設計，而晶片設計離不開晶片設計軟體EDA，EDA可謂是晶片產業鏈「任督二脈」。

晶片設計流程：晶片設計可分為前端和後端，前端主要負責邏輯實現，後端跟工藝緊密結合。

▲晶片產業鏈各流程主要企業

▲晶片設計和生產流程圖

EDA是廣義CAD的一種，是細分的行業軟體。利用EDA工具，電子設計師可以從概念、算法、協議等開始設計電子系統，完成電子產品從電路設計、性能分析到設計出IC國界或PCB國界的整個過程。

▲EDA分類

國內EDA產業發展從上世紀八十年代中後期開始，國產首套EDA貓熊系統於1986年開始研發並於1993年問世。之後的國內EDA發展曲折而緩慢，因各種因素影響，國產EDA產業沒有取得實質成功，但近十年發展中，華大九天、芯禾科技、廣立微、博達微等幾個企業從國產EDA陣型中展露生機。

EDA是集成電路產業領域內 「小而精」的環節，產值較小但又極其重要。數據顯示，2018年整個EDA的市場規模僅為97.15億美元，2014-2018年復合增長率在6.89%左右，相對於幾千億美金的集成電路產業來說不值一提，但如果缺少了這個產品，全球所有的晶片設計公司都得停擺。

在2017年，IP核的交易已經超越了EDA工具和服務本身，成為EDA產業交易規模最大的一部分。

▲2014-2018年全球EDA市場規模（百萬美元）

▲ 2017年與2018年全球EDA市場規模（百萬美元）

EDA三巨頭：Synopsys、Cadence、Mentor Graphics

EDA三巨頭：EDA市場份額占據前三位的Synopsys、Cadence和被西門子收購的Mentor Graphics。

三大EDA企業占全球市場的份額超過60%。其中，Synopsys是全球最大的EDA企業，2018年的市場份額已達到32.1%；Cadence僅次於Synopsys，2018年市場占有率為22.0%；Mentor Graphics在被收購之前也能保持超過10%的市場占有率。在2017年中國工業軟體企業排行榜中，Synopsys排名35位，Cadence和Mentor Graphics分列第47、48位。

▲2014-2018年EDA三巨頭公司收入所占份額

▲EDA三巨頭基本情況

Synopsys（新思科技）成立於1986年，由Aart de Geus帶領奇異公司工程師團隊創立，在2008年景為全球排名第一的EDA軟體工具領導廠商，為全球電子市場提供技術先進的集成電路設計與驗證平臺。

Synopsys在EDA行業的市場占有率約30%，它的邏輯綜合工具DC和時序分析工具PT在全球EDA市場幾乎一統江山。

▲2010-2019年Synopsys營業收入及增速情況

▲2010-2019年Synopsys淨利潤及增速情況

Cadence（鏗騰電子）是EDA行業銷售排名第二的公司，在1988年由SDA與ECAD兩家公司兼並而成，Cadence通過不斷擴展、兼並、收購，到1992年已占據EDA行業龍頭地位，但到2008年被Synopsys超越。

Cadence產品涵蓋了電子設計的整個流程，包括系統級設計、功能驗證、集成電路綜合及布局布線、IC物理驗證、模擬混合信號及射頻集成電路設計、全定制集成電路設計、PCCE設計和硬件仿真建模等。全球知名半導體與電子系統公司均將Cadence軟體作為其全球設計的標準。Cadence的Virtuso工具歷經27年不衰，成為業內傳奇。

▲2010-2019年Cadence營業收入及增速情況

▲2010-2019年Cadence淨利潤及增速情況

Mentor Graphics（明導國際，2016年被德國西門子收購）1981年景立，90年代遇到經營困境，軟體的研發嚴重落後於進度，大量長期客戶流失。直到94年公司組織結構大調整後，才重新崛起。

Mentor Graphics是一家EDA軟體和硬件公司，也是電路板解決方案的市場領導者，主要提供電子設計自動化先進系統電腦軟體與模擬硬件系統。Mento的工具雖沒有前兩家全面，沒有涵蓋整個晶片設計和生產環節，但在有些領域，如PCB（印刷電路板）設計工具等方面有相對獨到之處。

▲2010-2016年Mentor營業收入及增速情況

▲2010-2016年Mentor淨利潤及增速情況

EDA公司提供給IC公司的一般都是全套工具，因此EDA集成度高的公司產品更有優勢。三巨頭基本都能提供全套的晶片設計EAD解決方案。

Synopsys最全面，它的優勢在於數字前端、數字後端和PT signoff。模擬前端的XA，數字前端的VCS，後端的sign-off tool，還有口碑極好的PT、DC和ICC功能都很強大。Synopsys有壟斷市場90%的TCAD器件仿真和壟斷50%的DFM工藝仿真，這是其在EDA產業競爭中的一把利器。

Cadence的強項在於模擬或混合信號的定制化電路和國界設計，功能很強大，PCB相對也較強，但是Signoff的工具偏弱。

Mentor Graphic在後端布局布線這塊比較強，在PCB上也很有優勢，它的優勢是Calibre signoff和DFT，但Mentor Graphic在集成度上難以與前兩家抗衡。

此外，除了賣license以外，EDA企業還可以提供IP授權（硬核和軟核），這個對於很多中小規模的設計公司是很有吸引力的。授權的IP通常有memory，Serdes和Power management之類的研發成本或門檻相對較高的硬核。

目前Synopsys企業的IP業務全球排名第二；

Cadence的IP業務銷售額也在逐年增加；

Mentor在IP業務上和Synopsys與Cadence幾乎沒有競爭力。

▲晶片設計部分流程使用的三巨頭工具

Synopsys提供的產品與服務主要分為四類：EDA、IP、制造解決方案、專業服務與其他，其中EDA產品占Synopsys總收入中的一半以上。

▲Synopsys產品分類

Synopsys是EDA三大巨頭之首。占據統治地位的產品為邏輯綜合工具DC(design compiler)，時序分析工具PT(prime time)。

Synopsys的EDA和IP客戶通常是半導體和電子系統公司。除此之外，Synopsys還為包括電子、金融服務、媒體、汽車、醫藥、能源和工業等不同行業客戶提供軟體安全解決方案。

Intel是Synopsys最大客戶，2016-2018三年公司總營業額中分別有15.9%、17.9%、15.4%來自Intel。除此之外，公司沒有占總收入份額超過10%的客戶。

▲2017-2019年Synopsys各類產品或服務營收占比情況

Cadence將主營業務分為五類，分別是驗證、數字設計、模擬、PCB、IP，其中前三項的地位更為重要，占主營業務收入的份額在75%左右。

Cadence為EDA業界第二廠商，工具集中在模擬電路，PCB電路，FPGA工具。Cadence也有一套完整的ASIC設計工具，但在與Synosys競爭中處下風。但在全定制設計中Virtuso仍然非常強大，Cadence之所以穩居第二，決定於其強大的模擬電路設計工具。

▲2018年Cadence各細分領域占營業額的比重

▲Cadence主要產品

▲Cadence主要平臺

Mentor公司為業界第三，雖然排行第三，但體量比前兩家要小不少。

Mentor在EDA廠商中始終占有一席之地的原因是其點工具做得非常好，比如Mentor的PCB設計工具，全面而且信號分析準確。比如ASIC流程中的Calibre在國界LVS，DRC中占有率超出其他兩家，比如DFT工具DFTAdvisor在DFT工具中絕對占據優勢地位。由於Synopys的銷售策略，在DC銷售時免費搭DFT compiler，對DFTAdvisor造成一定的市場沖擊。

Mentor平臺並非像前兩家一樣大而全，雖然點工具做的很精致，但在Synopsys、Cadence的競爭壓力下，發展空間日漸狹小。

▲四大EDA公司主要客戶情況

Cadence 於1992年進入中國市場，是三巨頭中在華布局進行最好的；Synopsys僅次於Cadence，於1995年進入中國市場；Mentor中國總部設立於上海金茂大廈，分別在北京和深圳設有銷售辦公室。

EDA三巨頭幾乎在所有細分領域都有產品涉及，而EDA行業入門門檻高，成本彈性大，對性能依賴性強，其他的EDA公司若想突圍十分困難。

▲國內公司所用EDA軟體基本情況

Synopsys和Cadence一直重視新技術的開發，每年投入大比例資金用於研發，研發費用是公司最大的營運開支。尤其是Cadence公司，近兩年研發支出占總營收的比例超過40%。

▲2010-2019年Synopsys與Cadence研發投入（百萬美元）及占營業額的比重

自1986年景立以來，Synopsys通過發起幾十餘項並購交易，不斷尋找那些已經被市場證明成功的產品及其企業，通過滾動並購操作達到了擴大業務規模、進行技術整合的目的。

2002年，Synopsys以8.3億美元收購與Cadence結束專利訴訟的Avanti公司，使得Synopsys成為EDA歷史上第一家可以提供頂級前後端完整IC設計方案的領先EDA工具供應商，並在2008年超越Cadence成為全球最大的EDA工具廠商。

▲Synopsys部分重要收購情況

Mentor Graphics自成立開始，就關註各細分市場的的佼佼者，一步步收購了多家在某些細分領域技術上數一數二的中小型EDA公司，從而實現了企業穩步發展成長的目的。

2016年11月14日西門子和Mentor Graphics(明導國際)聯合發表聲明，德國西門子將以每股37.25美元的價格收購美國EDA公司Mentor Graphics，總收購價格為45億美元，價溢價21%。在收購Mentor後，西門子將增強在電子系統的設計、測試和仿真領域的軟硬件實力。

美國在半導體產業發展中發揮著巨大的作用。目前，集成電路在摩爾定律的驅動下，面臨物理和經濟極限；拐點臨近，電子技術的進步將進入下一創新階段。在這種背景下，美國又一次走在了世界前列，推出了一項為期5年、總值15億美元的電子復興計劃（ERI），用以支持晶片技術的開發。美國國會也增加了對ERI的投入，每年額外註資1.5億美元。

DARPA推出ERI項目扶持晶片發展：2018年7月23-25日，DARPA為ERI計劃召開了首次年度峰會，在會上，DARPA公布了2017年9月首批啟動的6大項目合作研究團隊，旨在扶持和培養在材料與集成、電路設計和系統架構三方面的創新性研究。

▲DARPA公布的ERI六大項目

▲ DARPA對Cadence與Synopsys的補助情況

隨著IC設計龐雜度的提升，新工藝的發展，EDA行業有非常大的發展空間，目前產業兩大發展方向：雲計算+EDA、人工智慧+EDA。目前Cadence領先。

雲技術的應用主要有三大優點：1、 快速部署可提高工程效率並加速項目完成；2、 快速部署可提高工程效率並加速項目完成；3、 快速部署可提高工程效率並加速項目完成；

▲Cadence提供的雲服務

人工智慧+EDA ：晶片敏捷設計是未來發展的一個主要方向，深度學習等算法能夠提高EDA軟體的自主程度，提高IC設計效率，縮短晶片研發周期。

據Cadence的報告顯示，機器學習在EDA的應用可以分為四個方面：數據快速提取模型；布局中的熱點檢測；布局和線路；電路仿真模型。Cadence致力於研究將機器學習應用在Virtuoso平臺上，並參與了ERI中智能設計晶片項目。新思科技也在利用人工智慧加速時序驗證。

▲Virtuoso平臺智能框架

國內EDA產業

國內EDA產業發展歷史：上世紀八十年代中後期，國內開始投入EDA產業研發。1993年國產首套EDA貓熊系統問世。之後的國內EDA發展曲折而緩慢。

多個EDA廠商萌芽，因各種因素影響，國產EDA產業沒有取得實質性成功。在2008年，國內從事EDA研究領域湧現了華大電子、華天中匯、芯願景、愛克賽利、聖景微、技業思、廣立微和訊美等公司。

之後十年發展，華大九天、芯願景、芯禾科技、廣立微、博達微等幾個企業從國產EDA陣型中展露生機。

▲我國EDA企業成立時間

國內EDA企業難以提供全流程產品，但在部分細分領域具有優勢，個別點工具功能強大。

▲我國EDA企業產品情況

目前國內EDA企業面對的第一個短板就是產品不夠全，尤其在數字電路方面。SOC設計主流程的EDA工具數量中，來自Synopsys與Cadence公司的占有大部分，尤其是時序和功耗檢查以及定制設計兩步，完全由上述兩家壟斷，國產EDA在許多工具上仍有缺失。

▲SOC設計主流程的EDA工具數量

傳統EDA公司在數據端，收集數據測試上通常沒有布局，而本土EDA企業的優勢定位在於：在良率優化端，廣立微電子的軟體和測試機；在數據端，博達微的快速參數測試方案；在仿真輸入端，中國公司具有很強的主導性；在仿真端，華大九天和概倫電子實力強勁；在後端，芯禾具有完整的解決方案和競爭力。

雖然在局部形成了突破，但在像物理驗證、綜合實力方面離主流差距還是很大，國內EDA廠商還「沒有能力全面支撐產業發展」，總體上還是很難離開三大巨頭公司的平臺。

以華大九天為例，單獨評估集成電路產業所需的EDA工具，華大九天已有的產品線占集成電路所需工具的三分之一左右，另外還有三分之二目前是空白。

國內EDA研發崛起策略：1、 目標定位整套EDA工具，國內各廠多樣化合作，在研發上加大投入，積極擴展待開發領域，滿足下遊設計和制造領域的多樣化需求；2、 在現有從數據到模型再到仿真的一個完整閉環,並在機器學習、算法、數據挖掘上國內技術和國外並無太大差距的基礎上，可以利用數據驅動設計繞開傳統大公司的限制，這是實現本土EDA崛起又一策略。

▲本土EDA企業的定位與策略

國內EDA產業短板之二：人才短缺、投入不足。人數上， 我國約有1500人的EDA軟體開發工程師，但在本土EDA公司和研究單位工作的工程師只有300人左右，其他大部分都是在三大巨頭工作。而放大到全球，對比於Synopsys 7000多的研發人員（當中有5000多從事EDA的研發），這個差距更是明顯。研發投入上， 國產EDA與三巨頭相比也差距明顯。據半導體行業觀察資料顯示，本土EDA企業龍頭華大九天，過去十年間所投研發資金也只有幾個億，而Synopsys2018近一年的研發投入約為10.8億美元，Cadence 2018年的研發投入約為8.7億美元。

國內EDA產業短板之三：市場培育較難，市場拓展周期較長。目前，EDA市場被三巨頭壟斷，國產EDA生存環境十分狹小，即使能夠研發出全套的EDA工具，在短期內也難以與三巨頭企業的產品抗衡。國產EDA缺乏市場，反作用於EDA的研發，造成惡性循環。目前國際環境存在不確定性，美國對中國高新技術產業的限制仍在繼續，這給我國的IC產業帶來了巨大挑戰，但同時也面臨著新的機遇。國產EDA公司化危為機，市場生態迎頭趕上，是實現國產化替代、產業自主可控的重要一步。

國內EDA產業短板之四：缺乏與先進工藝的結合。 EDA是設計和工藝對接的紐帶，而國內EDA廠商與先進工藝結合比較弱。

一方面，三大EDA公司有天然優勢，在新工藝開發階段與全球領先的晶圓制造廠進行全方位合作，因此對工藝理解很到位。國內EDA廠商只能在工藝開發完以後拿到部分數據，無法接觸到先進工藝的核心部分，難以針對先進工藝設計、改良EDA軟體，造成與三巨頭的客觀差距。

另一方面，國內在PDK方面不足，對國產EDA發展不利。EDA工具與工藝結合的重要支撐是工藝設計套件（PDK），PDK開發非常龐雜，需要較大投入，目前國內EDA廠商都比較缺乏PDK基礎，這與中國整個半導體生態不夠成熟直接相幹，需要半導體行業整體的進步。

解決與國產EDA與先進工藝方面結合缺失的問題，既需要國內晶圓廠提高自身的制造技術，又需要EDA企業加強和國際先進晶圓廠的合作。打造本土EDA全方位競爭力，需要產業鏈各界的共同努力。

IC產業鏈概覽

半導體行業包括集成電路、敏感器件、光電子器件、分立元件等，其中集成電路占比超過80%，集成電路又分為IC設計、晶圓制造及加工、封測三個環節，EDA為集成電路的上遊支撐行業。

半導體晶片企業按照運作模式的差別，可分為IDM企業、IC設計企業（Fabless）、晶圓制造代工企業（Foundry）、封裝測試企業（Package&Testing House）。

▲IC產業鏈

▲ 2004-2018我國集成電路銷售額情況

EDA產業基礎：EDA的發展需要合適的產業鏈環境，要想磨合工藝套件， EDA軟體、IC設計公司和代工廠就必須一起打磨，構成鐵三角關係成為關鍵。

2009年前後，IC設計公司和代工廠限制本土EDA發展：1、 中國本土的IC設計公司數量少且規模小，根本沒有很好的市場環境來孕育EDA業務；2、 IC設計公司對使用國產軟體存在疑慮，頭部數百家IC設計企業優先考慮國外軟體，而更多的IC設計企業利潤微薄，幾乎不考慮購買EDA軟體的問題；3、 缺少代工廠的支持。

截至2019年，中國有全球頭部的IC設計公司，中國有全球最多的代工廠，2019年中國大陸光晶圓廠達到86座。同時還有全球最大的半導體消費市場，達到了60%。形成良好的制造和消費格局，給予國產EDA軟體足夠重視，三家聯手，有望破局。

▲EDA軟體、IC設計公司和代工廠鐵三角關係

1、IDM模式

早期的集成電路以IDM模式為主，也稱為垂直集成模式。特點：集晶片設計、晶片制造、晶片封裝和測試等多個產業鏈環節於一身，目前全球半導體前20大廠商中大部分為IDM廠商，包括三星、TI、英特爾等公司。優點：垂直集成模式相比於垂直分工模式來說，設計、制造等環節能夠協同優化，有助於充分挖掘技術潛力，盡可能地擴大產能、降低成本，有條件率先實驗並推行新的半導體技術。缺點：IDM對企業要求更大：公司規模龐大重資產，管理成本、運營費用較高，風險更大；公司需要不斷的提升工藝制程技術，研發投入高，中國本土IDM公司相對國外IDM巨頭處於起步階段。

▲部分本土IDM上市公司2019年經營情況（單位：億元）

2、Fabless模式

隨著集成電路制程節點的縮小，制造技術難度成倍增加，能跟隨工藝發展的制造廠商越來越少，Fabless模式應運而生。Fabless模式下，IC設計企業隻負責晶片的電路設計與銷售，將生產、測試、封裝等環節外包，主要企業包括聯發科、博通等。

優點：Fabless模式大大降低了IC行業的進入門檻，初始投資規模小，創業難度相對較低，充分體現了專業化分工的優勢，因此被大部分集成電路設計企業採用，目前國內IC設計公司大多數都採用了Fabless模式。由於Fabless公司有相對輕資產的發展屬性，中國本土Fabless公司相對本土IDM公司已經發展到具有一定技術和市場領先性。

缺點：Fabless與IDM相比無法實現工藝協同優化，難以完成指標嚴苛的設計；與Foundry相比需要承擔各種市場風險，一旦失誤可能市場損失嚴重。

▲本土Fabless上市公司2019年經營情況（單位：億元）

▲本土Fabless上市公司2019年經營情況（單位：億元）

3、Foundry模式

Foundry模式專註代工生產，隻負責制造、封裝或測試的其中一個環節，不負責晶片設計，可以同時為多家設計公司提供服務。晶圓制造及加工是晶片制造的核心工藝，此處的設備投資非常龐大，能占到全部設備投資的70%以上。封測就是封裝+測試，目的是把做好的集成電路放到保護殼中，防止損壞、腐蝕。

優點：Foundry模式不承擔由於市場調研不準、產品設計缺陷等決策風險，能夠發揮規模優勢。缺點：投資規模較大，維持生產線正常運作費用較高；需要持續投入維持工藝水平，一旦落後追趕難度較大。現狀：雖然是重資產類型公司，但是由於晶片產業鏈不可獲取的實現環節，因此，國內近年在此領域也是通過各種形式加大投入建設力度，已經湧現出具有一定競爭力的本土廠商。

智東西認為， EDA是IC硏發的拳頭，更是資訊產業重要的「工業軟體」，我國雖然EDA的研發 起步不晚，但如今國內EDA市場仍然被國外三大廠家所壟斷。半導體技術發展至今，工藝越來越龐雜、分工越來越細化，EDA軟體早已不是一個單純的軟體，而是包含多種「點工具」的軟體工具鏈。如今，三大巨頭廠商的EDA軟體幾乎覆蓋了半導體產業需要用到的所有工具，軟體也並沒有與主流技術脫節，想取而代之十分困難。此外，EDA軟體制作門檻極高。因為EDA軟體有著極其龐雜的分類，不像我們常用的辦公軟體，輕易就能實現「復制」，就如同「WPS」與 「Office」一樣。而從當下來看，發展國內的EDA產業，不能直接和國外三大產商競爭全流程EDA工具進行競爭，只能另辟蹊徑。

（本帳號系網易新聞·網易號「各有態度」簽約帳號）