EDA行业研究框架分析师钱劲宇执业证书编号：S02105220500042022.08证券研究报告 一.EDA：半导体工业皇冠上的明珠 EDA：半导体工业皇冠上的明珠EDA是电子设计自动化的简称，是电子设计与制造技术发展中的核心。EDA技术以计算机为工具，采用硬件描述语言的表达方式，对数据库、计算数学、图论、图形学及拓扑逻辑、优化理论等进行科学、有效的融合，是用于辅助完成超大规模集成电路芯片设计、制造、封装、测试整个流程的计算机软件。如果说半导体是工业皇冠，那么EDA无疑是皇冠上的明珠。资料来源：前瞻产业研究院，华福证券研究所图表：EDA产业链上下游 EDA：芯片产业链的最上游芯片是数字经济的基石。IC设计是芯片产业的上游。EDA软件和IP核研发则位于IC设计的最上游。资料来源：行查查研究中心，华福证券研究所图表：集成电路产业链 EDA：数字经济的基石2020 年整个EDA 的市场规模仅为115亿美元，在整个集成电路产业中占比很小，和以互联网为代表的信息技术服务产业相比更是九牛一毛。但是EDA产业是电子设计产业的最上游，也是整个电子信息产业的基石之一。一家集成电路企业如果没有EDA工具，会陷入巧妇难为无米之炊的境地。如果抽调这颗小小的基石，整个半导体行业都将崩塌。资料来源：制造界，Semi、中国半导体行业协会、概伦电子招股说明书，华福证券研究所图表：EDA是数字经济的基石 EDA：芯片产业不可或缺的一环EDA工具的发展创新极大程度提高了芯片设计效率，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。资料来源：赛迪研究院、ResearchGate，华福证券研究所0.290.380.510.71.061.742.985.42012345665402822161075设计制造成本（亿美元）制程制程工艺提升带来设计和制造成本不断提高设计制造成本（亿美元）图表：制程提升带来成本的指数级上升 EDA的分类：模拟、数字、晶圆、封测、系统按照设计对象的不同，可将EDA 工具分为模拟设计类、数字设计类、晶圆制造类、封装类、系统类五大类资料来源：概伦电子招股书，华福证券研究所图表：EDA工具的分类 模拟芯片设计中的EDA模拟设计类EDA工具用于模拟芯片设计环节。包括电路设计、电路仿真、版图设计、物理验证、寄生参数提取、射频设计解决方案等。华大九天拥有模拟芯片全流程EDA工具开发能力。资料来源：各公司官网，华福证券研究所模拟芯片设计主流EDA工具CadenceSynopsysMentor华大九天版图设计与编辑ComposerCustom CompilerCustom IC Aether SE电路仿真工具SpectureCustom CompilerCustom IC ALPS版图物理实现Virtuoso LakerCustom IC Aether SE物理验证DraculaAstro CalibreArgus寄生参数提取DraculaStar-RC CalibreRCExplorer后仿真Specture Custom CompilerCustom IC ALPS Sign-offSpecture Star-RCCalibrePolas图表：模拟芯片EDA各工具参与者 数字芯片设计中的EDA数字设计类EDA工具用于数字芯片设计环节，包括功能和指标定义、架构设计、RTL 编辑、功能仿真、逻辑综合、静态时序仿真（STA）、形式验证等工具。资料来源：各公司官网，华福证券研究所数字芯片设计主流EDA工具设计流程步骤CadenceSynopsysMentor华大九天数字前端RTL/门级仿真XceliumVCS Modelsim逻辑综合GenusDesign CompilerOasys-RTL 逻辑/形式验证Conformal FormalityQuesta 时序分析STATempusPrimeTimeVelocity Xtime 数字后端DFT Modus DFT TestMAX DFT Tessent 全定制P&RInnovus IC CompilerAprisa Sign-off寄生参数提取Quantus StarRC时序验证Tempus PrimeTime 物理验证PegasusIC ValidatorCalibreQualib 功耗分析Voltus PrimePowerPowerPro Xtop图表：数字芯片EDA各工具参与者 晶圆制造中的EDA晶圆制造类EDA工具是晶圆厂在工艺平台开发和晶圆生产阶段应用的工具，协助晶圆厂完成半导体器件和制造工艺的设计，包括工艺与器件仿真工具（TCAD）、器件建模工具、工艺设计套件工具（PDK）、计算光刻工具、掩膜版校准工具和良率分析工具等资料来源：《概伦电子对证监会问询函的回复》，华福证券研究所设计流程门类供应商半导体制造工艺设计TCAD新思科技、SILVACO器件建模器件建模及验证工具概伦电子、是德科技PDK生成和验证PDK铿腾电子、新思科技、西门子、概伦电子、华大九天集成电路制造环节OPC西门子、ASML、新思科技、东方晶源MDP西门子、新思科技DFM西门子良率控制PDF Solutions、广立微图表：制造类EDA各工具参与者 二.行业分析 EDA简史：从技术积累到格局重构技术积累期（1964-1978）：这段时间积累了很多EDA的基础性成果，包括：电路仿真、逻辑仿真与测试、MOS时序仿真、PCB版图系统（PCBlayoutsystems）、布线（wirerouting），以及规则阵列（regulararrays）。此时的EDA工具大多依附在机械CAD供应商下，比如Applicon、Calma、ComputerVision等等。此时的EDA工具大多存在一个问题，那就是软硬件绑定下工具的严重定制化（在他们的商业模式中，软件是硬件的附属品），移植难度极大。成长期（1979-1992）：这段时间整个EDA市场的发展很快，各个工具链都有了很大突破，像我们熟识的EDA三巨头：新思科技、铿腾电子、西门子EDA（前身为明导国际）都是在这段时间里成立的。他们采取纯软（SoftwareOnly）的商业模式。成熟期（1993-2001）：1993年开始，EDA产业链步入成熟阶段，市场上也出现了许多设计方法流派，诸如：全定制设计、半定制设计，ASIC设计、标准单元库、门阵列、可编程逻辑阵列等。随着集成电路产业在摩尔定律的推动下电路设计越加复杂，产业分工也由一开始的IDM（IntegratedDeviceManufacturer，集约化制造商）模式逐步转向垂直分工，即：Fabless（纯芯片设计）+Foundry（晶圆代工）+OSAT（封测代工厂）的产业格局，开始形成IC设计、IC制造和IC封装三大核心板块。格局重构期（2002-至今）：在2001年以前，EDA前二大企业分别为明导国际和铿腾电子。2002年，新思科技以8.3亿美元收购Avant，帮助新思形成了能够并行执行物理综合、时钟树综合、布局、布线、良品率优化和校正等功能的强大ICCompiler，直接衔接了前端和后端工具，使公司一跃成为EDA前二大企业。再往后，2008年，新思科技收购Synplicity，同年超越了铿腾电子，成为全球最大的EDA工具厂商。资料来源：《电路与系统简史》，与非网，华福证券研究所 从三巨头成长史看EDA技术变迁资料来源：根据公开资料整理，华福证券研究所EDA市场规模虽小，但却需要覆盖集成电路从设计到制造的全流程。故三巨头在发展前期均选择了优先发展部分点工具，后逐步布局全流程的发展模式。经过30余年的发展，三巨头均已实现了对全流程的覆盖，并在部分点工具上展现出自身的优势。诸如Synopsys的优势在于数字芯片设计、静态时序验证确认以及SIP提供；Cadence的强项在于模拟或混合信号的定制化电路和版图设计；SimensEDA（原Mentor Graphics）主攻后端验证、可测试性设计和光学临近修正。图表：EDA三巨头的成长史 三巨头的发展史是一部并购史资料来源：36氪，各公司官网，华福证券研究所整理自三巨头研发出自己的点工具以后，其主要的发展方向一方面是巩固自身点工具的领先地位，另一方面则是以该点工具为中心，逐步向其他流程扩展。从这个角度来看，并购就显得尤为重要。自80年代开始，EDA行业就发生了大量的收并购事件。在过去的30年中，EDA行业合计并购次数达到近300次，年并购次数最高达20次左右。从三巨头的历史并购来看，Synopsys/Cadence/Siemens EDA并购次数分别达到90/62/66次。可以说，三巨头的发展史本身就是一部并购史。图表：EDA三巨头的并购史 白马与成长兼备，三巨头具备领先优势资料来源：前瞻产业研究院，智妍咨询，ESD Alliance，华福证券研究所整理在下游需求的强劲驱动以及技术融合行业趋势的影响下，全球EDA市场规模呈现稳定上升趋势。根据SEMI统计，全球EDA市场规模已从2012年的65.36亿美元，提升至2020年的114.67亿美元，CAGR达7.28%。根据华经产业研究院预测，2022年全球EDA行业市场规模将达到136.4亿美元，行业前景明朗。经过几十年的内生外延，EDA行业已形成寡头垄断格局，Synopsys、Cadence和Siemens EDA为行业内的绝对龙头。2015-2020年，全球EDA行业CR3分别为66.48%/63.59%/63.59%/64.10%/64.54%/69.54%，行业集中度极高且有继续提升的趋势。0%2%4%6%8%10%12%14%0204060801001201401602012201320142015201620172018201920202021E2022E市场规模（亿美元，左轴）yoy（%，右轴）60.00%61.00%62.00%63.00%64.00%65.00%66.00%67.00%68.00%69.00%70.00%0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%201520162017201820192020SynopsysCadenceSiemens EDA其他CR3图表：全球EDA市场规模及增速图表：全球EDA市场竞争格局资料来源：概伦电子招股书，SEMI，华经产业研究院，华福证券研究所整理 历经坎坷，我国迎EDA发展黄金期资料来源：芯思想，芯通社，华福证券研究所整理受巴黎统筹委员会对中国实施禁运的影响，自建国以后EDA核心技术一直无法进入中国。1986年，我国开始进行EDA技术的自主研发与攻关，并于20世纪90年代初成功研发出“熊猫ICCAD系统”。然而，1994年巴黎统筹委员会的解散使得国外大量EDA工具进入中国，“造不如买，买不如租”的趋势使得我国EDA发展一度陷入停滞。直到2008年4月国务院常务会议通过国家科技重大专项“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品”实施方案时，本土EDA企业才重新获得了鼓励和扶持，开始涌现出诸如华大九天、概伦电子、广立微电子等优质EDA企业。2020年，国务院印发《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》，首次将EDA写入国家集成电路产业政策中，标志着我国EDA产业正式步入高速发展阶段。图表：我国EDA发展历程 本土EDA企业遍地开花资料来源：根据公开资料整理，华福证券研究所2008年以前，由于缺乏产业发展动能，布局EDA行业的企业数量不多。自2008年开始，随着政策的不断落地，我国EDA企业如雨后春笋般出现。根据观研天下《2021年中国EDA市场分析报告-产业规模现状与发展前景预测》，截至2020年，我国EDA企业数量已达28家。随着国家和地方政府政策支持的逐步落地，我国EDA企业数量将迎来井喷