全球半导体制造类EDA行业白皮书

弗 若 斯 特 沙 利 文2 0 2 4年1 0月 摘要：EDA工具成半导体行业关键，虚拟晶圆厂迎来发展机遇 ➢半导体制造类EDA市场发展现状： 全球半导体行业预计随着下游需求的复苏而实现反弹，中国市场受地缘政治及新兴科技的推动，其增速将高于全球。EDA行业是集成电路和全球数字经济的坚实基础，科技革命正推动半导体产业和EDA工具朝着智能化和高效率的方向发展，其作为半导体产业链的关键上游环节，为芯片设计提供电路设计、功能验证、布局布线等核心步骤的支持，同时在晶圆制造过程中提升芯片的制造良率。 ➢半导体制造类EDA市场痛点： 中美两国的半导体脱钩使科技领域的合作愈发困难，这种情况对中国的半导体制造厂企业产生了巨大的影响，迫使它们必须迅速发展自主技术。随着半导体工艺节点的愈加缩小，以实现更高的集成度，制造工艺的复杂性显著增加，对设备精度和生产技术提出了更高要求。 ➢半导体制造类EDA市场发展趋势： 随着晶体管技术节点尺寸越来越小，开发更小尺寸半导体的工艺成本呈指数增长，利用数字孪生技术可以极大的降低设计和流程优化的试错成本，让试错成本几乎为零。未来建立虚拟晶圆厂，晶圆厂全流程推进数字孪生，已成为行业发展共识。通过虚拟晶圆厂，制造商可以进行各种仿真和优化，以改进工艺参数、减少缺陷率、提高产能和降低成本。 目录 目录 研究方法 •供给端一手资料 ✓行业领先玩家动态跟踪✓专家网络实时跟访✓上游厂商一线访谈 •需求端一手资料 ✓下游典型玩家实时调研✓下游玩家初步访谈✓下游玩家深度访谈✓下游玩家焦点小组访谈 •行业层面二手资料 ✓行业报告、白皮书资源✓企业年报及公开报道数据库✓政府及行业协会发布数据库 •根据项目需求，采用定量结合定性的方式进行多层次多维度的市场研究 •定量研究用于形成对客户需求、关键决策因素、使用行为习惯的基本假设，并在大样本的支持下进行量化分析•定性研究用于对量化研究得到的初步结论进行测试，并在这个基础上进行深挖，以找出现有客户群体的显性和隐形特征，以及潜在客户群体的痛点和诉求•最终在定性和定量工具的帮助，结合沙利文对客户群体所在市场的理解，沙利文团队将会给出对应的市场观点 名词解释 ◆EDA：即电子设计自动化（ElectronicDesignAutomation），利用计算机辅助，来完成超大规模集成电路片的设计、制造、封测的大型工业软件。 ◆IRDS：国际设备和系统路线图（International Roadmap for Devices and Systems），它是半导体行业中用于指导电子设备和系统未来发展的预测性文件。IRDS是ITRS（InternationalTechnologyRoadmapforSemiconductors，国际半导体技术路线图）的继承者，其目标是识别与设备、系统及其相关技术有关的关键趋势，生成一个15年的路线图，确定通用设备和系统的需要、挑战、潜在解决方案和创新机会，并通过协作活动如IEEE会议和路线图研讨会等，鼓励全球范围内的相关活动。 ◆IC设计/芯片设计：包括电路功能设计、结构设计、电路设计及仿真、版图设计和验证，以及后续处理过程等流程的集成电路设计过程。 ◆工艺制程：指集成电路内电路的线宽；线宽越小，工艺制程越先进，精度越高。 ◆仿真：使用数学模型来对电子电路的真实行为进行模拟的工程方法。 ◆TCAD：计算机辅助设计工具（TechnologyComputerAidedDesign），用于半导体工艺和器件模拟。它广泛应用于集成电路设计和模拟领域，帮助工程师模拟和分析半导体器件的物理特性和电路性能。TCAD工具可以模拟工艺流程、器件结构以及电学行为，进而预测器件在不同条件下的性能表现。 ◆OPC：光学邻近校正（OpticalProximityCorrection），是一种在半导体器件生产过程中使用的光刻增强技术。OPC的主要作用是修正由于光学衍射效应导致的图形畸变，以确保在晶圆上生产的电路图案与原始设计保持一致。 ◆PDK：工艺设计套件（ProcessDesignKit）是为集成电路设计而提供的完整工艺文件集合，包含了版图图层、器件仿真模型、版图验证规则、可变参数单元等信息是沟通设计公司、品圆制造厂与EDA公司的桥梁。 ◆DFM：可制造性设计（DesignforManufacturability），是半导体行业中一种重要的设计理念和方法。DFM的核心目标是在芯片设计阶段就考虑和优化生产工艺的可行性，以提高芯片的制造良率、可靠性和成本效益。 ◆MDP：掩膜数据准备（MaskDataPreparation），是半导体制造过程中的一个关键步骤，它涉及到将设计图形转换成可用于掩膜制造的数据格式。MDP流程包括数据格式转换、数据优化、掩膜规则检查（MaskRuleChecking,MRC）、邻近效应修正（ProximityEffectCorrection,PEC）、工作台处理、层操作和数据尺寸调整等步骤，以确保数据满足掩膜制造的精度和质量要求。 ◆Fabless：无晶圆厂的集成电路企业经营模式，采用该模式的厂商仅进行芯片的设计、研发、应用和销售，而将晶圆制造、封装和测试外包给专业的晶圆制造、封装和测试厂商。 ◆Foundry：晶圆代工厂专注于晶圆代工领域，代工厂商承接芯片设计企业委外订单，并形成规模效应，此类企业投资规模较大，维持生产线正常运作的经营成本较高；OSAT（OutsourcedSemiconductorAssemblyandTesting，外包半导体封装和测试）则专注于封装测试环节。 ◆模拟集成电路：处理连续性模抑信号的集成电路芯片；模拟信号是指用电参数（电流/电压）来模拟其他自然物理量形成的连续性电信号。 ◆数字集成电路：基于数字逻辑设计和运行的，用于处理数字信号（0/1）的集成电路。 ◆数字孪生（DigitalTwins）：将物理实体与其数字表示相结合的概念。它是通过创建虚拟模型来模拟、分析和优化物理实体的行为和性能。 ◆虚拟晶圆厂：基于计算机模拟和数字孪生技术的概念，用于模拟和优化半导体晶圆制造过程。它是将实际晶圆制造工厂的物理实体和操作转化为数字模型的虚拟表示。 03.全球及中国虚拟晶圆厂发展现状及趋势 全球半导体行业预计随着下游需求的复苏而实现反弹，中国市场受自主创新及新兴科技的推动，其增速将高于全球 关键洞察 •全球市场看，2019-2023年，市场 规 模 从4110亿 美 元 增 长 至5184.5亿美元。2020年因疫情的爆发，影响了消费大国的购买力，进而影响了半导体产业的营收表现。受通货膨胀和终端市场需求疲软，2023年全球半导体市场经历下滑，但年底市场迎来反弹，2024年 市场将 强势反弹，预计2024年有望达到5764.5亿美元，2024-2028年年复合增速预估为10.2%。 •面对全球市场的波动和地缘政治的紧张局势，中国半导体行业的需求持续增长，促使中国加快自主创新和国产替代的步伐。同时，随着物联网、人工智能等新兴技术的发展，进一步推动半导体行业的发展。预计到2028年，中国半 导 体 市 场 的 规 模 有 望 增 至2990.3亿美元，预计年均复合增长率将达到14.9%，显示出强劲的增长势头和市场潜力。 EDA行业是集成电路和全球数字经济的坚实基础，科技革命正推动半导体产业和EDA工具朝着智能化和高效率的方向发展 关键洞察 关键洞察 vEDA技术因其强大的杠杆作用，被视为集成电路产业乃至全球数字经济的基石。据SEMI数据统计，2022年全球EDA软件行业市场规模约为134.47亿美元，支撑着数千亿美元的半导体产业以及数万亿美元的数字经济。作为芯片设计不可或缺的工具，EDA技术成为半导体产业链中的关键赋能者。 v科技革命正驱动半导体产业以及EDA工具向智能化、高效化发展。技术的蓬勃发展，如智能设备、人工智能、数据中心、物联网（IoT）和自动驾驶汽车，正激发对高性能半导体的日益增长的需求。半导体产业的繁荣与EDA工具的进步相互促进，共同推动整个行业向前发展。 EDA作为半导体产业链的关键上游环节，为芯片设计提供电路设计、功能验证、布局布线等核心步骤的支持，为晶圆制造环节的良率和效率提供了有效保障，并确保在封测环节完成最终的设计验证 半导体制造业面临挑战，制造类EDA技术是关键突破口，TCAD软件作为核心工具较为重要；未来，虚拟晶圆厂将成为推动行业发展的有效策略 制造类EDA是解决半导体制造业困境的关键技术手段缩短产品上市时间：制造类EDA通过优化流程，减少工艺开发设计迭代次数，加快从设计到生产的转换速度； ◼装备和生产在半导体行业面临最大短板✓高端设备和材料依赖进口：高端光刻机（EUV)、高端光刻胶、EDA工具等关键半导体设备和材料国产化率低，高端芯片依赖进口；✓研发投入及创新不足：国际厂商研发投入比例大，而我国投入相对较少；此外摩尔定律要求每18个月晶体管数量翻倍，技术水平面临挑战；✓核心技术缺乏：半导体产业为高度技术密集型行业，核心技术方面存在缺口；✓产业链不完善：我国在半导体产业链在设计和封测方面有所突破，但在材料、设备、软件等上游环节仍存在短板，尤其先进工艺制程方面。 减少试错成本：制造类EDA工具在确保逻辑功能准确性的前提下，利用先进的模拟和分析技术，对特定半导体工艺的性能、功耗和成本进行多维度评估和优化；提高量产良率:通过精确的器件建模和工艺仿真，优化过程中的关键残烛，减少制造缺陷；提升产业竞争力：通过提高设计和生产的效率，降低 研发和生产成本，增强企业的市场竞争力。 2、中美关系对半导体制造业格局产生影响 3、晶圆生产过程中存在挑战 ◼中美两国的脱钩使科技领域的合作愈发困难，这种情况对中国的半导体制造厂企业产生了巨大的影响，迫使中国企业必须迅速自主发展技术，以应对国内IRDS（International Roadmap forDevicesandSystems）技术路线的缺失。✓在集成电路EDA核心领域，传统TCAD软件面临挑战，尤其是在3-14纳米技术节点，需要考虑量子效应等因素。同时，传统的半导体工艺技术在稳定性和标准化程度较高，导致不同晶圆代工厂生产的产品在性能和质量上趋于一致，进而导致市场上出现同质化竞争的现象。✓目前中国正积极投资建设半导体制造工厂，以满足国内外市场对芯片不断增长的需求。面对禁运等外部制约，中国半导体制造业的发展遭遇了技术获取的瓶颈。然而，TCAD软件在这一背景下尤为重要，先进工艺的开发非常依赖TCAD,为企业提供了一个强大的仿真工具，以预测和优化工艺参数，即便在缺乏完整国际路线图（IRDS）指导的情况下，也能加速工艺的研发进程，并有效降低研发成本。✓TCAD不仅是中国半导体制造业应对当前挑战的关键，也是推动产业创新和提升竞争力的突破口。 晶圆生产过程中，工艺开发、良率控制和成本效率问题也是中国半导体制造行业面临的重要挑战。工艺开发需要大量的时间和资源，而良率直接影响了生产效率和成本。 未来，虚拟晶圆厂可能成为解决这些问题的有效手段。虚拟晶圆厂是一种基于计算机仿真的晶圆生产模型，它可以模拟整个晶圆生产过程，预测工艺参数，优化生产流程，从而提高良率，降低成本，加速产品上市。 EDA贯穿于设计、制造、封测等环节，是集成电路行业的基石；受BIS出口管制，中国EDA工具需寻求多元化发展路径 EDA在集成电路流程的支撑关系 EDA概念 ✓电子设计自动化（ElectronicDesignAutomation）:作为集成电路产业的核心赋能工具，通过计算机软件实现对大规模集成电路设计、仿真和验证流程的全面优化，成为该产业的基石性支撑。EDA工具主要分为制造类EDA及设计类EDA。 EDA应用于完整的集成电路全流程 晶圆厂和集成器件制造商(IDM)为行业的核心驱动力，负责集成电路器件及其制造工艺的设计，设计完成后通过工艺设计套件(PDK)或标准单元库等途径，将这些资源提供给集成电路设计企业，以支