行业快速发展，国产替代前景可期

计算机行业-EDA专题报告 行业快速发展，国产替代前景可期 西南证券研究发展中心计算机研究团队 2022年8月 核心观点 EDA是集成电路设计的基石 EDA是集成电路设计、仿真、生产的关键工具，是电子设计自动化的重要环节，是集成电路产业链最上游、最高端和最核心的产业。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，我国集成电路市场的需求量稳步提升，带动EDA需求增加，行业进入高速发展期。2020年中国EDA市场规模约93.1亿元，预计2022年将达115.6亿元，2017-2022年CAGR为12.5%，远高于全球EDA市场增速。 多重因素推动国内市场发展，国产替代前景广阔 EDA市场目前由国外厂商占据主导，新思科技、楷登电子、西门子EDA三家厂商合计占据全球EDA市场约70%的份额，具有明显优势。海外龙头厂商成立时间早，在政策支持下快速发展，通过多次并购完善产品线布局，已覆盖芯片设计全部环节，并持续投入高额研发费用构筑行业壁垒，在主攻领域加速发展，同时积极与晶圆厂和高校合作，进行技术打磨和人才储备。 国内集成电路市场规模快速增长，EDA需求持续增加，在政策积极推动下，国产替代成为必然趋势，国内厂商近年来加速成长，在产品布局、工艺制程、研发投入、生态建设方面取得显著成果，华大九天作为国内EDA领先厂商，不断丰富产品布局，积极推动产业链延伸，增加研发投入，持续打磨技术工艺，同时积极构建国内EDA生态，在多领域形成优势，从而不断扩大市场份额，加速国产替代。 主要标的：华大九天、概伦电子、广立微等。 风险提示：宏观经济承压、行业竞争加剧、政策支持力度不及预期、下游需求不及预期、国产替代不及预期、客户合作不及预期、研发项目 不及预期、市场拓展不及预期等风险。 1 目录 1EDA——集成电路设计的基石 2市场规模快速增长，海外厂商份额领先 3海外龙头多年积淀，高筑行业壁垒 4国内厂商迎来机遇，华大九天引领发展 5EDA厂商梳理 2 1.1.1EDA简介 EDA技术（ElectronicDesignAutomation）：即电子设计自动化，是由计算机辅助测试发展而来、以CAD(计算机辅助设计)为建构基础逐渐完善的一种计算机辅助设计系统。设计者以大型可编辑逻辑器件为主要设计载体，在EDA软件平台上，通过硬件描述语言VHDL进行设计，融合了各种计算机技术、电子技术、信息技术和智能技术，实现了电子产品自动化设计。 EDA的起源：在上世纪六七十年代，当时的集成电路大多都是用手工来完成的，因为实际的晶体管数量并不多，电路线也很 简单，并不容易出现错误。但是当线路的数量达到上百或者上千以后，电路图复杂程度加深，这时的人工效率将变得很低，错误率增加也导致成本急剧增加，因而更加高效低成本的EDA技术开始在集成电路的设计中被大规模的应用。 EDA的定位：从定位上来说，EDA的核心功能就是为集成电路的设计、生产提供自动化辅助设计能力。实现电子设计自动化，需要融合图形学、计算数学、微电子学、拓扑逻辑学、材料学、人工智能等众多前沿技术，有极高的行业门槛。发展至今，EDA已是集成电路产业链最上游、最高端和最核心的产业。 EDA的地位：与庞大的芯片设计、制造、应用行业相比，EDA市场规模并不大。2020年全球EDA市场规模仅为115亿美元， 但却支撑着4404亿美元规模的半导体行业，数十万亿美元规模的数字经济。 EDA有着“芯片之母”称号，同时作为电子产品设计的“基石”和半导体行业的“七寸”，其所涉及的芯片IC设计、布线、验证和仿真等方面，都直接决定着产业竞争力。 资料来源：《电子设计自动化EDA在电子电路中的应用研究》，西南证券整理3 集设计、仿真和测试于一体 1.1.2EDA技术的特点 软件硬化，硬件软化 软件硬化 硬件软化 即将一些软件实现的功能集成到硬件电路中去。 指将硬件的功能由软件去实现，屏蔽掉一些复杂的硬件设计过程。 直接实现的硬件电路的运行速率要大于软件控制的运行速率，因而软件硬件化能够 在计算机演进的过程中，硬件软件化是非常有意义的，因为硬件设计复杂，想提高 大大提升系统的运行速率，这就为设计高效算法的人提供了另外一种提升系统效率 硬件的性能，如果在硬件层之上，就会容易许多。因此，对一些设计较为简单的硬 的途径。 件电路，可以通过效率较高的软件对其进行控制，尽管目标系统是硬件，但整个设 EDA的软件硬化则是说用软件方式设计的系统到硬件系统的转换是由EDA开发软件自 计和修改过程如同完成软件设计一样方便和高效。 动完成。 一体化平台硬件实物图 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。 资料来源：《电子设计自动化EDA在电子电路中的应用研究》，西南证券整理4 1.1.2EDA技术的特点 自顶向下(top-down)的设计方法 VerilogTop-Down设计 •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。 资料来源：《电子设计自动化EDA在电子电路中的应用研究》，西南证券整理5 在系统可现场编程，在线升级 1.1.2EDA技术的特点 在编程试验系统DICE-EH208型多功能EDA箱 CPLD是ComplexPLD的简称，一种较PLD（可编程逻辑器件）更为复杂的逻辑元件。用户可以根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。FPGA即现场可编程门阵列，它是在CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。作为一种半定制电路，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。具有更高的配置逻辑灵活性和更快的执行指令速度。 编程是把系统设计的程序化数据按一定格式装入一个或多个可编程逻辑器件的编程存储单元，定义内部模块的逻辑功能以及它们的相互连接关系。早期的可编程逻辑器件的编程需要将芯片从印制板上拆下，然后把它插在专用的编程器上进行。 目前EDA技术广泛采用的在系统可编程技术则能够克服此缺点。可编程逻辑器件具有为设计者提供系统内可编程，以及将器件插在系统或电路板内仍然可以对其进行编程和再编程的能力。目前CPLD/FPGA芯片作为可编程器件，都可为设计者提供这两种能力，使得系统内硬件的功能可以像软件一样被编程配置，这就为设计者进行电子系统设计和开发提供了可实现的最新手段，EDA技术为样机设计、电路板调试、系统制造和系统升级带来了革命性的变化。 资料来源：CSDN，西南证券整理6 1.1.2EDA技术的特点 设计工作标准化，模块可移置共享 近几年来，芯片复杂程度越高，对EDA的依赖也越高。设计语言、EDA的底层技术及其接口的标准化，能很好地对涉及结果进行交换、共享及重用。EDA设计工作的重要设计语言——硬件描述语言HDL已经逐步标准化。VHDL在1987年被IEEE采纳为硬件描述语言标准，同时也是军事标准(454)和ANSI（美国国家标准学会）标准，VerilogHDL在1995年成为IEEE标准。 VHDL VerilogHDL 来源 美国组织开发 从一个普通的民间公司的私有财产转化而来 难易程度 设计不是很直观，相对要难一点，需要有Ada编程基础，一般认为至少要半年以上的专业培训才能掌握 推出已有20年，拥有广泛的设计群体，成熟的资源也比VHDL丰富；容易掌握，只要有C语言的编程基础，通过比较短的时间经过一些实际的操作，可以在2、3个月内掌握这种设计技术 优势领域 在系统级抽象方面，VHDL比VerilogHDL表现更好 作为一种结构化和过程性的语言，其语法结构非常适合于算法级和RTL级的模型设计。作为一种结构化的语言又非常适合于门级和开关级的模型设计 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。 以上五类技术特点使得EDA技术代表了当今数字系统设计技术的最新发展方向。 资料来源：CSDN，西南证券整理7 1.1.3EDA技术的原理 EDA技术依靠功能强大的电子计算机，在EDA工具软件平台上，对以硬件描述语言HDL为系统逻辑描述手段完成的设计文件，自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、仿真，直至下载到可编程逻辑器件CPLD/FPGA或专用集成电路ASIC芯片中，实现既定的电子电路设计功能。EDA技术使得电子电路设计者的工作仅限于利用硬件描述语言和EDA软件平台来完成对系统硬件功能的实现，极大地提高了设计效率，减少设计周期，节省设计成本。 EDA 设计流程 设计准备： 指设计者在进行设计之前，依据任务要求，确定系统所要完成的功能及复杂程度，器件资源的利用、成本等所要做的准备工作，如进行方案论证、系统设计和器件选择等。 资料来源：《EDA技术与应用》，西南证券整理8 AHDL 左正弦加权/右低通滤波输出波形 设计输入： 1.1.3EDA技术的原理 将设计的系统或电路以开发软件要求的某种形式表示出来，并送入计算机的过程。设计输入形式包括： 1.原理图或图形输入方式 这是一种最直接的设计输入方式，它使用软件系统提供的元器件库及各种符号和连线画出原理图，形成原理图输入文件。 2.硬件描述语言输入方式 硬件描述语言有普通硬件描述语言和行为描述语言，它们用文本方式描述设计和输入。普通硬件描述语言有AHDL、CUFL等，它们支持逻辑方程、真值表、状态机等逻辑表达方式。 行为描述语言是目前常用的高层硬件描述语言，有VHDL和VerilogHDL等，它们具有很强的逻辑描述和仿真功能，可实现与工艺无关的编程与设计，可以使设计者在系统设计、逻辑验证阶段便确立方案的可行性，而且输入效率高，在不同的设计输入库之间转换也非常方便。运用VHDL、VerilogHDL硬件描述语言进行设计已是当前的趋势。 3.波形输入方式 波形输入主要用于建立和编辑波形设计文件以及输入仿真向量和功能测试向量。波形设计输入适合用于时序逻辑和有重复性的逻辑函数，系统软件可以根据用户定义的输入/输出波形自动生成逻辑关系。波形编辑功能允许设计者对波形进行拷贝、剪切、粘贴、重复与伸展。 资料来源：《EDA技术与应用》，西南证券整理9 1.1.3EDA技术的原理 器件编程： 编程是指将设计处理中产生的编程数据文件通过软件放到具体的可编程逻辑器件中去。对CPLD器件来说是将JED文件下载（DownLoad）到C