电子行业-EDA深度报告：半导体赋能基石，国产突围势在必行

EDA用于IC自动化辅助设计，是集成电路的赋能基石。EDA（电子设计自动化Electronic designautomation）是指利用计算机辅助来完成超大规模集成电路芯片的功能设计、综合、验证、物理设计（包括布局、布线、版图、设计规则检查等）等流程的软件工具。EDA是集成电路产业链最上游、最高端的产业，驱动着芯片设计、制造和终端应用的发展。利用EDA工具，设计人员可以从概念、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，优化芯片制造工艺，驱动芯片产业链下游环节发展。 全球EDA行业呈现寡头垄断趋势。随着半导体行业的迅速发展，全球芯片设计、制造中对EDA工具需求加大，EDA市场规模逐年递增。根据SEMI的数据，2020年全球EDA市场规模为114.67亿美元。同比增速为11.63%，2015-2020年复合增速为7.74%。经过30余年的发展整合，全球EDA行业呈现较为明显的寡头垄断特征，根据赛迪智库数据，2020年行业前三大巨头新思科技（Synopsys）、铿腾电子（Cadence）与西门子EDA占据全球约77.7%的市场份额。我国自主EDA软件虽然发展较早，但由于受到西方禁运等因素影响，国产EDA发展历程曲折而缓慢，厂商市场占比仍然较小。 国产EDA工具市占率较低，点工具成为未来突破口。1994年之前，巴黎统筹委员会对我国实行禁运，禁止向中国销售先进电子CAD软件，国外EDA工具无法进入中国，在此背景下，中国开始自主研发EDA工具，1988年开始研发EDA熊猫系统，1991年开发出原型，1993年正式问世。1994年“巴统”解散，国外EDA公司迅速进入中国市场，此时国内企业纷纷购买国外EDA企业的技术与工具，国产EDA面临新的困境。2008年，国家“核高基”重大科技专项正式进入实施阶段，EDA领域得到国家支持，诞生出了华大九天、概伦电子等企业。目前，国产EDA软件在产品工艺、技术分析等细分领域具有优势，相关功能已与国际成熟产品接近，个别点工具功能强大，已经拥有多项EDA软件技术、工具和特定领域的全流程设计。 国产EDA公司突围势在必行。国产EDA公司开展差异化竞争，全面突围势在必行。我国市场上主要EDA软件供应商包括概伦电子、华大九天、广立微、芯愿景等。这些企业虽然在全流程产品上和海外巨头有差距，但在不同领域各有所长，开展差异化竞争：（1）概伦电子在器件建模和电路仿真两大集成电路制造和设计的关键环节具备国际竞争力。（2）华大九天是国内的EDA龙头企业，提供数模混合/全定制IC设计、平板（FPD）全流程设计及高端SoC数字后端优化方向的EDA解决方案。（3）广立微电子拥有全流程平台，用于高效测试芯片自动设计、高速电学测试和智能数据分析。（4）芯愿景六大EDA软件产品已经覆盖IC分析服务和设计服务全流程，相关产品具备与其他EDA软件的高兼容性和互操作性。 投资建议：大陆半导体产业发展势必将推动大陆EDA产业发展，建议关注概伦电子、华大九天、广立微、芯愿景等优质EDA公司。 风险提示：技术创新风险；市场竞争加剧风险；高端人才流失风险。 重点公司盈利预测、估值与评级 1EDA用于IC自动化辅助设计，是集成电路赋能基石 1.1EDA是集成电路行业的基石 EDA处于集成电路产业上游，为IC设计、制造等提供自动化辅助设计服务。EDA（电子设计自动化Electronic designautomation）是指利用计算机辅助来完成超大规模集成电路芯片的功能设计、综合、验证、物理设计（包括布局、布线、版图、设计规则检查等）等流程的软件工具。EDA是集成电路产业链最上游、最高端的产业，驱动着芯片设计、制造和终端应用的发展。利用EDA工具，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，优化芯片制造工艺，驱动芯片产业链下游环节发展。 图1：EDA位于集成电路产业链上游支撑位 EDA杠杆效应较大，是集成电路产业乃至全球数字经济的基石。从市场规模来看，根据SEMI的数据，2020年全球EDA行业市场规模为114.67亿美元，支撑着年产值几百亿美元的IC设备行业、年产值几千亿美元的IC制造行业、年产值几万亿美元的电子产业、以及年产值几十万亿美元的数字经济。EDA是这条倒金字塔型产业链的基石，是集成电路、电子信息、乃至全球数字经济的赋能者。 图2：半导体产业链倒金字塔结构 EDA可以降低芯片设计风险、减少试错成本。由于芯片产品一经制造就无法更改，其设计的复杂度和高昂的制造和研发费用决定了需要通过EDA进行虚拟的设计、模拟和仿真，EDA工具在此过程中可用于：1）降低设计风险。芯片设计本身具有风险，需要大量验证流程和工作，EDA能够将复杂物理问题用量化模型高度精确表述，在虚拟软件中模拟电路过程，再现芯片开发过程中的各种效应，从而发现潜在设计缺陷和风险；2）减少试错成本。EDA能够确保在逻辑功能正确的前提下，模拟和分析得出特定半导体工艺在各种条件下性能、功耗、成本等的最优解，解决多目标约束问题，减少试错成本；3）验证模型一致性，确保多个设计环节中芯片保持逻辑功能一致。 EDA工具技术的进步和应用一直以来是推动芯片设计成本保持在合理范围的重要方式，根据加州大学圣迭戈分校Andrew Kahng教授在2013年的推测，2011年设计一款消费级应用处理器芯片的成本约4000万美元，如果不考虑1993年至2009年的EDA技术进步，相关设计成本可能高达77亿美元，EDA技术进步让设计效率提升近200倍。 图3：EDA技术进步与芯片设计成本关系 1.2EDA应用于集成电路各个环节 EDA工具可分类为：IC设计软件、电子电路设计与仿真工具、PCB设计软件、PLD设计工具等。1）IC设计软件涵盖了设计输入、逻辑综合、布局布线、物理验证、模拟电路仿真器等子工具，Synopsys、Cadence、Mentor Graphics为全球主要的IC软件供应商；2）电子电路设计与仿真工具主要是帮助设计人员通过模拟电路设计进行分析和改进优化，现有主流工具包括SPICE、EWB等；3）PCB设计软件用于画板级电路图、布局布线和仿真，主流软件包括Protel、Cadence PSD等；4）PLD设计工具是一种由用户根据需要自行构造逻辑功能的数字集成电路，主要厂商有ALTERA和Xilinx。 表1：EDA工具分类 根据所设计的集成电路类型不同，EDA主要分为数字电路设计的EDA工具和模拟电路设计的EDA工具。另外，平板显示电路的设计环节也需要相应的平板显示电路设计EDA工具支撑。 集成电路制造环节不仅需要工艺中涉及工艺开发、良率优化的EDA工具，也需要模拟设计和数字设计相关的EDA工具辅助，EDA架起了设计和制造沟通的桥梁。 图4：集成电路设计和制造流程、关键环节及相应EDA支撑关系 （1）数字电路设计 传统的数字芯片设计方法是自底向上的，即首先确定构成系统的最底层的电路模块或元件的结构和功能，然后根据主系统的功能要求，将它们组合成更大的功能块，使它们的结构和功能满足高层系统的要求。从绘制硅片版图开始，由版图级、门级、RTL级、行为级、功能级，直至系统级的设计，自底向上的设计方法导致任何一级出现错误都必须从头开始。 EDA的出现和快速发展使得自顶向下的设计方法成为可能。自顶向下的设计方法即先定义系统最高逻辑层次的功能模块，而后根据顶层模块的需求来定义子模块，然后逐层继续分解，最终达到底层物理设计。设计过程包括从自然语言说明到VHDL的系统行为描述，从模块分解、RTL模型建立、门级电路生成到物理布线实现底层电路，抽象级别由高到低。 图5：数字芯片设计全流程 表2：数字电路设计基本步骤 （2）模拟电路设计 模拟芯片主要包括电源管理芯片和信号链芯片，模拟芯片设计流程主要包括行结构设计、版图设计、功能和物理验证，这一流程包括原理图编辑、电路仿真、版图编辑、物理验证、寄生参数提取、可靠性分析等环节。在模拟电路设计的各个环节均需要用到EDA工具，包括原理图编辑工具、版图编辑工具、电路仿真工具、物理验证工具、寄生参数提取工具和可靠性分析工具等。 图6：模拟芯片设计流程 （3）平板显示电路设计 平板显示设计EDA面向面板厂商，FPD设计流程包括电路原理图设计、布图设计、电路仿真、电路布图寄生参数提取、电路设计验证等，类似于模拟集成电路的设计流程，但也有其独特的设计流程和设计方法。与集成电路设计类似，EDA也是平板显示电路设计的基石。 图7：平板显示电路设计流程 （4）晶圆制造 EDA不仅应用于芯片设计环节，也广泛应用于晶圆制造，是连接集成电路设计和制造两个环节的桥梁和纽带。在工艺平台开发阶段，晶圆厂完成半导体器件和制造工艺的设计后，需要借助EDA工具建立器件模型、生成PDK以及IP和标准单元库，此外晶圆制造过程中光刻计算、良率提升也需要借助EDA大数据软件工具。晶圆制造EDA工具包括器件模型提取工具、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工具。 表3：晶圆制造主要EDA工具 1.3摩尔定律推动EDA不断发展 在EDA出现以前，由于当时的集成电路复杂度远不及现在，设计人员必须手工完成集成电路的设计、布线等工作。随着半导体行业的发展，集成电路的复杂程度呈几何式上升。一方面，根据摩尔定律，集成电路上可容纳的晶体管数目约每隔18-24个月便会增加一倍，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，以减少设计偏差、提高流片成功率及节省流片费用。另一方面，集成电路工艺制程不断微缩，晶圆制造、封测EDA工具亦在不断向新材料、新工艺方向演进。 图8：摩尔定律表示集成电路晶体管数量增长趋势 图9：台积电芯片工艺演进图 EDA技术经历了智能化程度不断提高的三个发展阶段： 1）早期CAD阶段。设计人员早期依靠手工完成电路图的输入、布局和布线。20世纪70年代起，中小规模集成电路开始出现，由于传统的手工制图方式效率低、花费大、周期长，设计人员开始借助于计算机完成电路图、PCB的设计，将设计过程中高重复性的繁杂劳动，如布图布线工作用CAD（Computer Assist Design）工具代替，主要功能是交互图形编辑，设计规则检查，解决晶体管级版图设计、PCB布局布线、门级电路模拟测试等。 2）EDA发展阶段。20世纪80年代是EDA技术的发展和完善阶段，即进入到CAE（Computer Assist Engineering Design）阶段。由于集成电路规模的逐步扩大和电子系统的日趋复杂，人们进一步开发设计软件，将各个CAD工具集成为系统，从而加强了电路功能设计和结构设计，该时期的EDA技术已经延伸到半导体芯片的设汁，生产出可编程的半导体芯片。 3）EDA成熟阶段。20世纪90年代以后半导体技术持续飞速发展，单个芯片上可集成的晶体管数量达到上亿个，这给EDA技术提出了更高的要求，出现了以高级语言描述、系统级仿真和综合技术为特征的EDA技术。同时也促进了EDA技术的大发展，各公司相继开发出大规模的EDA软件系统。 图10：EDA发展历程 2全球EDA行业呈现寡头垄断趋势 2.1全球EDA行业市场规模稳步成长 全球EDA市场规模稳步增长。近年来，随着半导体集成电路技术的迅速发展，全球芯片设计、制造中对EDA工具需求加大，EDA市场规模逐年递增。根据SEMI的数据，2020年全球EDA市场规模为114.67亿美元。同比增速为11.62%，2012-2020年复合增速为7.28%。虽然相对于千亿美元以上规模的集成电路产业，EDA市场规模相对较小，但EDA是整个集成电路产业的根基。 图11：全球EDA行业市场规模 CR3占据全球EDA市场77.7%份额，行业垄断特征明显。经过30余年的发展整合，全球EDA行业呈现较为明显的寡头