东吴计算机深度报告【深思美国EDA强盛之路,坐看国产EDA星火燎原】

（以下内容从东吴证券《东吴计算机深度报告【深思美国EDA强盛之路,坐看国产EDA星火燎原】》研报附件原文摘录）
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EDA是“半导体皇冠上的明珠” 1.1. EDA是用于IC设计生产的工业软件 EDA是用来辅助超大规模集成电路设计生产的工业软件。EDA全称是电子设计自动化（Electronic DesignAutomation），是指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。随着芯片设计的复杂程度不断提升，基于先进工艺节点的集成电路规模可达到数十亿个半导体器件，不借助EDA已经无法完成芯片设计。EDA与产业链结合愈加紧密，已经成为提高设计效率、加速技术进步的关键推手。 EDA几乎涉及集成电路的各个方面。在设计生产流程方面，EDA被应用在芯片系统的设计、制造、封装、测试全流程，涉及给芯片设计公司使用的设计类软件和给晶圆厂使用的晶圆制造软件等。从电子系统层级上看，EDA包括芯片、多芯片模块和印制电路（PCB）板多个层级。 EDA杠杆效应、经济效应显著。根据ESD Alliance和WSTS数据，2020年全球EDA市场规模仅为115亿美元，却撬动着4404亿美元市场规模的半导体行业。一旦EDA这一产业链基础出现问题，整个集成电路产业都会受到重大影响，EDA行业也是最容易被外国“卡脖子”的关键领域。此外，EDA对于节省芯片设计成本有着举足轻重的作用。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4,000万美元，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。以新思科技（Synopsys）2021年8月推出的EDA设计平台DSO.ai为例，通过引入人工智能，芯片设计中不需要去完整模拟无数次可能的布局，可以让芯片设计在研发成本上减半，研发时间甚至也可以从24个月减少到2周。 1.2. EDA的分类 针对不同种类芯片，EDA有不同的工具。集成电路芯片（Integrated Circuit Chip，简称IC）从结构上可以分为数字IC、模拟IC和数模混合IC。数字IC指用于传递、加工、处理数字信号（0或1的非连续信号）的IC。模拟IC指处理连续性的光、声音、速度、温度等自然模拟信号的IC。数模混合IC指同时包含模拟电路部分和数字电路部分的IC。数模混合IC中通常模拟电路是核心，数字电路用来控制模拟电路实现特定的算法。在IC设计部分，EDA软件主要有模拟IC和数字IC的两大类设计软件。 从设计步骤上芯片设计分为前端设计和后端设计。前端设计和后端设计并没有统一严格的界限，根据具体公司和产品会略有不同。一般来讲用设计的电路实现想法就是前端设计；将设计的电路制造出来，在工艺上实现想法就是后端设计。这就好比修盖房屋，建筑设计图就属于前端设计，设计出房子的外部造型和内部结构；建筑施工图属于后端设计，细化到建筑施工的步骤、方法和材料的用量、选择。 从设计维度上芯片设计可以分为五个层级。设计类EDA工具根据设计方法学的不同，按照设计层级自上而下，可进一步细分为行为级、系统级、RTL级、门级、晶体管级EDA工具。各层级EDA工具的仿真和验证精度依次提升、速度依次降低，其拟实现的目标和应用场景也有所不同。例如高层级的系统和行为级仿真和验证主要适用于产品设计早期的原型验证，评估产品原型的性能和功能；最底层的晶体管级仿真和验证则主要决定了最终产品的性能和良率。针对于大规模集成电路，设计方法往往从系统和行为级设计开始，逐层设计、仿真、验证和实现，并输出可以交付制造的晶体管级版图信息。 数字芯片和模拟芯片设计流程有很大不同。数字IC设计主要在抽象级别上完成，不需要关注门/晶体管级放置和路由的细节，对设计人员经验要求相对较低。模拟IC设计通常涉及每个电路的个性化特点，甚至涉及每个晶体管的大小和细节，设计和验证更为复杂，对设计人员经验要求更高。 从设计自动化程度上芯片设计又可以分为全定制、半定制设计，全定制主要用于模拟芯片，半定制用于数字芯片。全定制设计是指基于晶体管级，所有器件和互连版图都用手工生成的方法。这种设计的很多工作要由人工完成，不便于直接利用现存电路的成果，设计周期较长，成本也高。全定制设计多用于模拟IC和数模混合IC。半定制设计是基于门阵列和标准单元的，按用户所需功能，把成熟的、已优化的单元连接起来。半定制设计成本低、周期短、芯片利用率低，适合于小批量、速度快的生产，多用于数字IC。 正因为数字芯片在抽象级别上完成，且对自动化程度要求更高，因此数字IC类EDA工具的技术门槛更高。 数字芯片设计流程中涉及到的环节如下： 系统架构设计。首先要明确芯片规格，包括芯片需要达到的具体功能和性能方面的要求，给出一个列表。然后，芯片架构师会根据芯片规格要求，给出设计解决方案和具体的实现架构，划分功能模块，将不同的功能模块交给不同的小组来完成。 HDL编码。使用硬件描述语言（VHDL、Verilog HDL等）将模块功能以代码来描述实现，形成RTL（寄存器传输级）代码。 仿真验证。仿真验证就是检验代码编写设计的正确性，检验标准就是预先设定好的芯片规格。如有不满足的地方，需要修改直至满足。 逻辑综合。逻辑综合就是把设计实现的HDL代码翻译成门级网表（Netlist）。综合会设定约束条件，如面积、时序等目标参数。综合完成之后需要再次仿真验证（称为后仿真，之前的仿真称为前仿真）。 加入DFT（Design for test），可测性设计。加入DFT的目的就是在设计的时候就考虑将来的测试。DFT的常见方法就是在设计中插入扫描链，将非扫描单元（如寄存器）变为扫描单元。 静态时序分析（Static TimingAnalysis，STA）。STA是验证的一个步骤，检查电路的建立时间和保持时间是否违例。当一个寄存器出现两个时序违例时，将无法正常工作。 形式验证。形式验证从功能上（STA是时序上）对综合后的网表进行验证。典型的形式验证方法是等价性检查方法，以功能验证后的HDL设计为参考，对比综合后的网表功能，检查两者功能是否等价，确保逻辑综合步骤未改变原先HDL描述的电路功能。 前端设计的流程结果是得到了芯片的门级网表（用门级电器元件描述电路元件相互之间连接关系的文件）。 后端设计： 布局规划（Floor plan）。布局规划就是放置芯片的宏单元模块，在总体上确定各种功能电路的摆放位置。宏单元模块有IP模块、RAM、I/O引脚等。 时钟树综合（ClockTree Synthesis，CTS）。时钟树综合就是时钟的布线。时钟信号在数字芯片中具有指挥作用，相当于人的心脏。设计中需要布线使得从同一个时钟源发出的时钟信号尽可能同时到达各个寄存器。 布线（Place &Route）。这里的布线就指的是普通电信号的布线。平时常说的制程加工工艺就是这里的金属布线可以达到的最小宽度，从微观上看就是MOS管的沟道长度。 寄生参数提取。由于导线本身存在电阻，相邻导线之间的互感、耦合电容会在芯片内部产生信号噪音、串扰和反射，这些干扰的值，称之为寄生参数。需要提取寄生参数进行再次的分析验证，分析信号是否完整。 版图物理验证。对完成布线的物理版图进行功能和时序上的验证。主要的验证项目有LVS（Layout Vs Schematic），将版图与逻辑综合后的门级电路图进行对比验证；DRC（Design Rule Checking），设计规则检验，检查连线间距，连线宽度是否满足工艺要求；ERC（Electrical Rule Checking），电子规则检验，检查短路和开路等电气问题。 后端设计的结果是得出可以让晶圆厂用来加工的物理版图（GDS II格式）。 模拟芯片设计流程： 定义设计规格：定义电路的功能，设计的性能、功耗和面积（即成本）目标。 电路设计：不同于数字电路设计是RTL级的设计，模拟芯片是根据需求，设计晶体管级的模拟电路结构。 电路仿真（前仿真）。这一步采用模拟芯片设计专有的SPICE仿真工具对设计的电路进行仿真。 模拟电路前端设计的结果是得出晶体管级的网表（用晶体管级电器元件描述电路元件相互之间连接关系的文件）。 版图设计。按照设计规则，绘制电路图对应的版图几何图形。版图不仅反映了电路图的连接关系和各种元器件规格，也反映了芯片的制造过程和工艺。 版图验证。版图设计完之后，要进行一系列检验确定版图是能够准确反映设计功能并且无错的。主要验证版图的工艺规则、电气规则以及版图电路图一致性检查等。 后仿真。后仿真需要输入包含原始信息和寄生信息的网表，是最接近真实电路的网表文件。 后端设计的结果是得出可以让晶圆厂用来加工的物理版图（GDS II格式）。 按照集成电路产业链划分，集成电路EDA工具可以分为制造类EDA工具、设计类EDA工具及封测类EDA工具。器件建模及仿真类工具属于制造类EDA工具，晶圆厂借助器件建模及仿真、良率分析等制造类EDA工具来协助其工艺平台开发。设计类EDA工具则是基于晶圆厂或代工厂提供的PDK或IP及标准单元库为芯片设计厂商提供设计服务，芯片设计厂商采用设计类EDA工具完成芯片的设计。封装类EDA工具主要是提供封装方案设计及仿真的功能，从而帮助芯片设计企业完成一颗芯片全生命周期的设计服务。 1.3. EDA的历史：从CAD到EDA 第一阶段：计算机辅助设计（CAD）时代。在集成电路应用的早期阶段，集成电路集成度较低，设计、布线等工作由设计人员手工完成。20世纪70年代中期开始，随着芯片集成度的提高，设计人员开始尝试将整个设计工程自动化，使用计算机辅助设计（CAD）进行晶体管级版图设计、PCB布局布线、设计规则检查、门级电路模拟和测试等流程。 第二阶段：计算机辅助工程（CAED）时代。1980年卡弗尔·米德和琳·康维发表的论文《超大规模集成电路系统导论》提出了通过编程语言来进行芯片设计，是电子设计自动化发展的重要标志。EDA工具也在这个时期开始走向商业化，全球EDA技术领导厂商新思科技（Synopsys）、楷登电子（Cadence）、西门子EDA（2017年收购的Mentor Graphics）分别于1986年、1988年和1981年在美国成立。 第三阶段：电子设计自动化（EDA）时代。20世纪90年代以后芯片集成度的不断提高和可编程逻辑器件的广泛应用给EDA技术提出了更高的要求，也促进了EDA设计工具的普及和发展，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。 第四阶段：现代EDA时代。21世纪以来，EDA工具快速发展，并已贯穿集成电路设计、制造、封测的全部环节。对于上亿乃至上百亿个晶体管规模的芯片设计，EDA工具保证了各阶段、各层次设计过程的准确性，降低了设计成本、缩短了设计周期、提高了设计效率，是集成电路产业产能、性能进步的源头，EDA工具的发展加速了集成电路产业的技术革新。同时伴随着智能手机、4G/5G、物联网等技术的发展，射频EDA软件迎来了发展的黄金阶段。 1.4. EDA的未来：与先进技术结合 后摩尔时代技术演进驱动EDA技术应用延伸拓展。后摩尔时代的集成电路技术演进方向主要包括延续摩尔定律、扩展摩尔定律以及超越摩尔定律三类，主要发展目标涵盖了建立在摩尔定律基础上的生产工艺特征尺寸的进一步微缩、以增加系统集成的多重功能为目标的芯片功能多样化发展，以及通过三维封装、系统级封装等方式实现器件功能的融合和产品的多样化。其中，面向延续摩尔定律方向，单芯片的集成规模呈现爆发性增长，为EDA工具的设计效率提出了更高的要求。面向扩展摩尔定律方向，伴随逻辑、模拟、存储等功能被叠加到同一芯片，EDA工具需具备对复杂功能设计的更强支撑能力。面向超越摩尔定律方向，新工艺、新材料、新器件等的应用要求EDA工具的发展在仿真、验证等关键环节实现方法学的创新。 后摩尔时代系统设计是EDA技术变化方向。在原有摩尔定律定义下，芯片性能提升主要来自工艺和架构，但工艺制程提升接近极限，摩尔定律显著放缓。在此背景下，汽车、人工智能等领域的大型公司都开始定制自己的片上新系统，将其认定为自己差异化竞争的关键因素。因此，对于EDA厂商来说，把定位从芯片设计转换到基于软硬件协同的系统级设计是未来重要发展方向。 AI和云技术促使EDA更加智能化和自动化。AI智能化的目标是从现有的EDA使用过程中大幅减少芯片架构探索、设计、布局布线等重复性、低创造性工作的人力占比，利用AI算法进行自动架构探索、设计生成和物理设计。随着芯片设计复杂度的提升，数据量和计算量直线上升，云技术的使用使得EDA软件能够具有弹性计算、安全储存、快速更新等功能，从而满足大数据量和计算量下的更高使用要求。 平台化和服务化。现有EDA是“工具和IP集合包”，未来有望发展为EDA平台，EDA平台化将更加方便设计、制造、测试、封装上下游产业链相互沟通，共享资源。同时EDA平台有望链接不同的设计、制造等厂商的横向链接，促进生态建设。虽然智能化不断提升，但仍需要人工支持提供服务，服务平台的构建可以提供专业的咨询和设计服务以及相关定制服务，从而满足个性化的需求。 2. 全球EDA市场寡头垄断，国产EDA市场快速增长 2.1. 全球EDA市场平稳发展，三大巨头垄断 2020年全球EDA市场规模为115亿美元，已经进入平稳发展期。根据ESD Alliance数据，2020年全球EDA市场规模为115亿美元，2010-2020年10年复合增速为8%。根据Verified Market Research数据，2028年全球EDA市场规模有望达到215.6亿美元，2020-2028年8年复合增速为8.21%。总体来看，全球EDA市场增速已经较为平稳。 数字IC为EDA市场主要构成部分。从下游芯片市场情况来看，数字芯片占据大部分市场份额，根据WSTS数据，2020年数字芯片市场规模达到3055.68亿美元，占整体集成电路市场的84.59%。受下游需求的影响，数字IC构成了EDA市场的主要部分，根据ESD Alliance数据，2019年数字全流程EDA业务规模达到36.04亿美元，占总体市场的52.8%。 全球EDA企业按照业务水平可以大致分为三个梯队。第一梯队由Synopsys、Cadence、Siemens EDA三家国际知名EDA企业组成。该类企业业务遍布全球，科研实力雄厚，有全流程EDA产品，在部分领域处于领先地位，2020年收入规模达到10-40亿美元。第二梯队以ANSYS、Silvaco、Aldec Inc.、华大九天等为代表，该类企业拥有特定领域全流程EDA产品，在局部领域技术较为领先，2020年收入规模处于0.5-5亿美元区间。第三梯队以Altium、Concept Engineering、概伦电子、广立微、思尔芯、DownStream Technologies等为代表，该类企业在EDA上的布局主要以点工具为主，缺少EDA特定领域全流程产品，2020年收入规模低于0.5亿美元。 三大巨头垄断全球EDA市场。根据ESD Alliance和前瞻产业研究院数据，新思科技（Synopsys）、楷登电子（Cadence）与西门子EDA（2016年收购的Mentor Graphics）三大寡头2020年全球EDA市场营收份额占比约为70%。三大巨头是全球仅有的拥有设计全流程EDA工具解决方案的企业，其他企业缺少布局设计全流程工具技术的实力。 其中，Synopsys(新思科技，美国)一直致力于复杂芯片系统(SoCs)的开发。Synopsys的逻辑综合工具DC(design compiler)和时序分析工具PT(Prime Time)在全球EDA市场认可度较高。Cadence(楷登电子科技，美国)产品涵盖了电子设计的整个流程。全球知名半导体与电子系统公司均将Cadence软件作为其全球设计的标准。Mentor Graphics(明导国际，2016年被德国西门子收购)工具虽没有前两家全面，但在某些领域，如PCB（印刷电路板）设计工具等方面有可圈可点的独到之处。 全球EDA第一厂商Synopsys（新思科技)。新思科技成立于1986年，在2008年成为全球营收排名第一的EDA软件厂商。2020年新思科技营收为36.85亿美元，归母净利润为6.63亿美元，2020年在全球EDA市场的营收份额为32%。新思科技产品线最为全面，是全球唯一一家覆盖了从硅的生产制造、芯片测试、到设计全流程的EDA公司，公司产品优势体现在数字前端、数字后端和验证测试等环节。 曾经的霸主Cadence（楷登电子）。Cadence在1988年由SDA与ECAD两家公司兼并而成，Cadence通过一系列收并购，在1992年成为EDA行业营收第一名的霸主，但在2008年被Synopsys超越，2020年营收为26.83亿美元，归母净利润为5.91亿美元。Cadence的优势在于模拟和混合信号的定制化电路和版图设计。 Mentor Graphics(明导国际，2016年被德国西门子收购)。Mentor Graphics于1981年成立，20世纪90年代遇到经营困境，产品研发落后于行业竞争对手，大量长期客户流失，难以与其他两家公司竞争，直到1994年公司组织结构大调整后，才重新崛起。Mentor Graphics2016年被西门子收购，不再单独披露相关财务数据，2016年营收为12.82亿美元，归母净利润为1.55亿美元。Mentor Graphics在物理验证和PCB领域优势明显。 2.2. 中国EDA市场增长迅速，国产化率极低 与国际市场相比，中国EDA市场规模增速更快。根据赛迪智库数据，2018年，我国EDA市场总销售额为44.9亿元，而到2020年我国EDA市场销售额已经达到66.2亿元，2年复合增速为21.42%，远高于全球市场营收规模2018-2020年2年9%的复合增速。 中国EDA市场国产化率极低，三大巨头仍然垄断。虽然中国EDA市场营收规模增速远高于全球增速，但由于我国EDA厂商起步较晚，在产品性能与生态协同方面均处于劣势，国内市场份额大多为国外厂商所占据。根据赛迪智库和前瞻产业研究院数据，2020年国际EDA三大巨头Synopsys，Cadence和Siemens EDA在我国合计营收规模市场份额占比为78%，国产厂商占比不到15%，国产化率极低，国产替代空间广阔。 2.3. IP业务是EDA新增长极 计算机辅助工程（CAE）和IP为EDA市场业务主要构成部分。EDA市场业务主要可以细分为计算机辅助工程（CAE）、IC物理设计及验证、PCB与多芯片模块以及半导体IP核等。根据ESD Alliance数据，从细分领域看，EDA各细分领域营收占比基本保持稳定，2020年占据市场规模较大的部分为CAE与IP，两者合计占比达到近67%。其中CAE（Computer Aided Engineering）主要包括电子系统级设计及综合验证、设计输入、逻辑验证、模拟和混合信号模拟器、形式验证、时序/仿真分析以及测试/测试自动化设计。IP（Intellectual Property Core）是芯片设计图中具有独立功能电路模块的成熟设计。设计师可以把成熟的IP模块设计应用于多个复杂的芯片的电路设计图中，能避免复杂和重复的设计工作，缩短设计周期，提高芯片设计的成功率。IP业务从2010年开始在EDA市场营收占比开始不断增长，到2020年已经达到35.22%，成为了营收占比最大的业务领域。 IP已经成为海外EDA公司的重要收入。Synopsys和Cadence的IP收入占总营收比重逐年增长，尤其是Synopsys，2020年，Synopsys的IP收入占总营收比重已经达到33%。Synopsys对于IP业务的布局，更加稳固了其在EDA市场全球领先的地位。三大巨头中的Mentor Graphics对于IP的定位不同，于2004年就选择退出IP市场，也一定程度上导致了最终被Siemens收购的结局。 3. 从美国EDA强盛之路看EDA产业发展规律 3.1. 政府支持是基石 美国国家科学基金每年提供大量资金支持。美国国家科学基金（NSF）主要负责促进突破性的发现，据IEEE数据，美国国家科学基金（NSF）在1984年至2015年间共支持了1190个与EDA强相关的研究课题，每年投资额大约在800万美元到1200万美元。 半导体研究联盟促进企业集中技术创新。除NSF外，半导体研究联盟（SRC）也为美国EDA行业的发展提供了帮助。SRC是世界领先的大学半导体和相关技术研究联盟，是推动美国半导体共性技术发展的关键性力量。其行业合作伙伴包括应用材料公司AM、格罗方德GLOBALFOUNDRIES、IBM、英特尔公司、美光科技公司、雷神公司、德州仪器公司和联合技术公司。SRC在整合行业资源、专注于共性的“竞争前”领域起到了关键作用，各家EDA企业通过SRC将研究资金聚集起来集中力量进行产业共性技术创新。 NSF与SRC相互合作帮助企业渡过初期难关。NSF资助的EDA研究项目主要为刚刚起步、较为初期的阶段，在项目技术成熟度逐渐提高后，SRC成为了接棒者，继续给予支持。EDA是技术密集型行业，前期需要大量的研发投入，商业回报较小，需要像NSF、SRC这样的政府机构给予支持。 美国DARPA实行ERI计划为EDA企业持续赋能。为迎接后摩尔定律的挑战，美国国防高级研究计划局（DAPRA）于2017年启动电子复兴计划（ERI），在随后2018-2023年内投资约15亿美元，旨在解决半导体技术的发展瓶颈，2020年美国两党两院建议追加20亿美元用于ERI计划。ERI计划主要聚焦于三个重点方向：材料和集成、架构和设计，其中设计部分可以拆分为IDEA与POSH两部分。2018年7月，美国首届“ERI”峰会召开，会议选出了ERI第一批入围扶持项目。其中，Cadence获得了IDEA项目2410万美元的补贴，该项目致力于创建一个“无需人工参与”的芯片布局规划生成器。Synopsys获得了POSH项目610万美元的补贴，该项目旨在用开源的方式，实现复杂SoC的低成本设计。 注重大学研究，建立大学研究中心网络，为大学提供充足资金支持。2013年，SRC公布了STARnet计划，与美国国防部高级研究计划局（DARPA）投资的大学研究中心网络，跨越24个州的42所大学，计划在2013-2018年向六个大学研究中心投资1.94亿美元，重点研究下一代微电子技术。STARnet计划所研究的技术可能至少在未来10-15年内都不会具有商业可行性，但成员们将能够对产生的IP进行再授权。STARnet计划是对“焦点中心研究计划(FCRP)”的延续。2008年，全国共有5个FCRP中心，其中GSRC和C2S2中心与EDA项目直接相关，来自这两个中心的与EDA相关的资金估计在400万美元到500万美元之间。同时在2018年DARPA发布的ERI第一批资助名单中，IDEA与POSH计划提供给各入围大学共计约6000万美元。 3.2. 人才、技术和生态是EDA行业的核心竞争要素 人才是EDA发展的核心。EDA软件涉及半导体、数学、芯片设计三方面知识，需要掌握这三方面知识的复合人才。根据新思科技中国区副总经理陈志昌先生所言，培养一个EDA人才不容易，从高校课题研究到能够真正实践从业，往往需要十年的时间。根据第23届中国集成电路制造年会披露数据，全球EDA行业从业人数仅有4万人左右，因此EDA人才培养体系十分重要。 以新思科技为例，新思科技注重人才培养，其人才培养战略包括新思科技大学课程体系、新思科技大学计划以及积极参与国家人才战略等方面。新思科技开发了一套集成电路设计全套教程，包括131门本科及研究生课程、24门训练课程、37门讲座及实验，适用于集成电路相关专业的大学本科和硕士研究生。从EDA人才培养成果上看，仅2019-2020年这一年时间内，已有30000人参与到了新思科技人才项目当中，20所国内高校与新思科技建立了人才培养相关合作。 持续研发是EDA发展的动力。EDA软件是算法密集型的大型工业软件系统，EDA开发需要涉及到计算机、物理、数学等多方面知识。芯片设计更迭速度不断加快，EDA软件公司需要不断加大研发投入，确保自己技术领先。同时，EDA巨头们正是凭借大量的知识产权保持领先地位。全球三大巨头垄断的格局在2000年后就较为稳定，2010-2020年三大巨头营收年复合增速都接近10%，但仍然保持着30%-40%的研发费用率，个别年份超过40%。2020年，Synopsys和Cadence的研发费用分别高达13亿和10亿美元，几乎是2020年中国EDA市场销售规模的两倍。 产业链协同是EDA发展的保障。芯片设计的先进工艺是由晶圆厂、设计公司和EDA软件厂商共同推进的成果。晶圆厂从材料、化学、工艺过程等制造步骤来寻求工艺突破；EDA公司借助晶圆厂的测试数据和工艺细节文件来改进EDA软件；芯片设计公司使用新的EDA模型进行设计、试生产，反馈到晶圆厂和EDA公司改善制造工艺和软件模型。晶圆厂、EDA软件公司、设计公司相辅相成，互相合作，共同推进技术进步。 其中，PDK（Process Design Kit）是沟通IC设计公司、代工厂与EDA厂商的桥梁。具体来说，PDK是一组描述半导体工艺细节的文件，供芯片设计EDA工具使用。客户会在投产前使用晶圆厂的PDK，确保晶圆厂能够基于客户的设计生产芯片，保证芯片的预期功能和性能。PDK包含了反映制造工艺基本的元素：晶体管、接触孔、互连线等，包括设计规则文件、电学规则文件、版图层次定义文件、SPICE仿真模型、器件版图和期间定制参数。完善的产业链使得客户的PDK可以给予EDA厂商充分反馈，使厂商根据PDK改进产品以满足客户需求。获得更全、更新的PDK也往往成为头部EDA厂商的比较优势。 3.3. 并购是EDA厂商扩张的重要手段 并购是EDA企业成长的最佳选择。全球三大巨头的成长史就是一部并购史，其中全球EDA巨头Synopsys自1986年成立至2021年4月，共完成112起收并购案。并购在EDA行业如此兴盛的原因有：1）行业小细分领域繁多。根据ESD Alliance和WSTS数据，2020年全球EDA行业市场规模只有115亿美元，相比于下游半导体行业4404亿美元的市场规模，是一个“小行业”，但由于EDA软件要服务于芯片设计生产的整个产业链，EDA的技术流程很长，需要种类繁多的点工具相互配合形成工具链，同时，客户希望EDA厂商能够提供整体解决方案。2）技术更新迭代速度快。在摩尔定律的驱动下，芯片更新换代速度很快，新技术不断涌现，作为上游设计软件的EDA厂商每年也要投入大量的研发资金来适应技术的革新上，但还是会有很多创业公司创造出全新的点工具。行业小细分领域繁多，客户又希望EDA厂商提供完整解决方案，于是EDA厂商在不断想办法补全自己产业链。但技术的快速迭代，行业内不断有小公司带着创新点工具出现，行业小导致自研技术去取代这些公司成本较高，并购是最佳选择。 Cadence通过并购成为一代霸主。Cadence于1989年收购Verilog是其最为重要的一次并购，通过这次并购Cadence成功解决了复杂度带来的芯片性能验证问题，也标志着EDA从设计领域，拓展进入了软件模拟和硬件仿真领域，设计与仿真能够通过使用同一家公司的不同套软件来完成。2001年Cadence收购Silicon Perspective，将IC布局工具和SI分析工具收入囊中，为下一代布局布线做技术储备；2002年收购Simplex，补足寄生参数提取和分析方面的能力；同年收购IBM硬件仿真业务，真正占领硬件仿真高地。 Synopsys通过并购超越Cadence，铸就全球EDA龙头地位。纵观Synopsys的发展历史，不仅通过大量的并购完善了公司业务，实现了全流程覆盖，同时也通过数次关键并购从而直接在与剩余两大巨头的竞争中脱颖而出，成为全球EDA龙头。根据芯思想数据，2002年，Synopsys以8.3亿美元收购与Cadence结束专利诉讼的Avanti，从而成为EDA历史上第一家可以提供顶级前后端完整IC设计方案的领先EDA工具商。这场收购改变了传统上“Synopsys占前端，Cadence占后端”的格局，让Synopsys在进入到后摩尔定律时代之前完成基石技术的布局。 4. 国产EDA星星之火可以燎原 4.1. 从中外对比看国产EDA现状 海外EDA产品矩阵更全。从EDA产品矩阵的完整度来看，根据我们测算，EDA工具链大约有40个细分领域，国内厂商尚未如国际三大家一样实现EDA全流程、全细分领域的覆盖。截至2021年12月，国产EDA龙头华大九天，也仅能够实现模拟芯片设计和平板设计全流程覆盖，覆盖率约为40%，其他国产EDA厂商产品多为点工具，尚不能为客户提供特定领域全流程产品服务。 海外EDA产品支持的工艺更先进。从EDA产品的技术先进性看，国际三大巨头产品能支持的最先进工艺已经达到2nm，而国内厂商仅有部分产品支持较先进的工艺制程。如华大九天的模拟设计全流程工具中，仅有一款电路仿真工具支持5nm制程，其余仅支持28nm制程，思尔芯的EDA产品仅支持10nm制程。 IP已经成为海外EDA公司的重要收入，但国产EDA公司尚未大规模布局。EDA三巨头中的Synopsys和Cadence同样也是IP市场的巨头，Synopsys和Cadence IP市场营收规模占有率为全球第二和第三，仅次于ARM。相比之下，国产EDA厂商大多还在研制EDA工具，未布局IP产品。随着集成电路产业的不断发展，IP的作用会愈发显著，国内外的EDA公司在IP的发展上已经产生了较大差距。 海外EDA产品先发优势明显，客户粘性较高。从20世纪70年代，软件被用于辅助芯片设计算起，国外EDA产业已经发展近50年，先发优势明显，技术、生态和客户使用习惯均较为完善。另外，2021年先进制程芯片流片费用已经高达数亿元人民币，EDA工具选择关乎流片的成功率，客户更换EDA工具带来的风险极高，当客户使用国产EDA跑出数据与国际巨头EDA工具不一致时，甚至需要国产厂商对结果进行解释。 国内EDA专业人才数量匮乏，且多数任职于外资EDA企业。根据赛迪智库数据，2020年我国EDA行业从业人员数量约为4400人，其中本土EDA企业总人数约2000人。虽然相比2018年的700人有了大幅度的增长，但是相比于海外还是存在较大差距。根据第23届中国集成电路制造年会披露数据，全球EDA行业从业人数在4万人左右，而截至2021年12月，仅Synopsys员工数量就达到了1.5万人以上。 我国EDA储备人才培养体系不够完善。海外EDA培养体系较为成熟，2015年，美国SRC公布了STARnet计划，计划在五年内向六个大学研究中心投资1.94亿美元，其中多个项目直接与EDA相关。Synopsys进入中国以来，已经与清华大学、东南大学、华中科技大学等知名高校合作，为其提供软件支持，成立合作交流中心。我国目前仅有少数院校拥有EDA方向的研究和人才培养计划，国产EDA公司与高校的合作也是刚刚开始，人才培养体系还不够完善。 海外半导体产业链协同更加紧密。EDA软件不是独立发展的，EDA需要与芯片设计厂商和晶圆制造厂共同协作，打磨产品，推进技术的进步。海外半导体产业链齐全，有英伟达、英特尔和AMD等头部芯片设计厂商，也有三星、台积电、格罗方德等大型晶圆制造厂。合作伙伴们本身都是细分赛道的龙头企业，在产业链中扮演关键角色，强强协同下更能提升EDA产品的竞争力。 海外EDA并购土壤肥沃。EDA三大巨头主要通过并购补全自身产业链，并购需要的不仅仅是资金，还有可供并购的优质标的群体。根据crunch base数据，2020年，海外共有600多家（美国200多家），这为巨头并购提供了丰沃的土壤，相比之下国内仅有几十家EDA国产企业，一定程度上也制约了国内EDA产业的发展。 4.2. EDA国产化势在必行 中美科技脱钩，趋势愈演愈烈。美国不仅绕开世界贸易组织，直接对正在崛起的中国施加额外贸易关税，而且在科技领域也针对“中国制造2025”等采取一系列限制措施，华为、中兴通讯等均位列制裁名单。2019年5月16日，美国商务部宣布将华为及70家关联企业列入所谓的“实体清单”。如果没有美国政府的批准，华为将无法向美国企业购买元器件。受此影响，多家国外供应商开始对华为实行“断供”。美国对中国的压力已经由经贸领域全面上升到科技领域，高新技术成为双方争夺的焦点。EDA作为“半导体皇冠上的明珠”，必然受到美国限制，华为目前已经停止了与国际三大巨头的合作，自主研发EDA已经势在必行。 华为四度落子国产EDA企业，重要程度可见一斑。自2020年12月以来，华为旗下哈勃投资已经投资了四家国产EDA公司，包括射频全流程工具提供商九同方微电子、专注于工业设计和仿真的无锡飞谱电子、专注于逻辑综合和物理设计的立芯软件及专注于数字前端形式验证的阿卡思微，均为在各细分点工具领域领先的国内EDA厂商。 4.3. 三十年发展，EDA 国产之火点亮 国产EDA历经三十余年艰难发展，迎来政策和资本支持。EDA的国产之路起于20世纪80年代，20世纪90年代初，中国历史上第一款具有自主知识产权的EDA工具“熊猫”诞生，并获得多个国际大奖。但随后国外EDA厂商进入中国，在“造不如买”思潮下，国产EDA产业陷入了十几年的沉寂。直到2008年国家“核高基”项目将EDA列入其中，国产EDA产业才重新焕发生机。同时，中兴、华为事件使人们意识到关键基础技术的重要性，资本市场也开始关注EDA行业。根据芯思想研究院数据，2020年EDA行业融资次数已经达到16次，远超2010年的1次。 国产EDA行业逐渐壮大，星火已现燎原之势。在国家政策与资本双重支持下，国产EDA厂商数目不断增加。根据芯思想研究院数据，2020年国内已有约49家EDA企业，比如华大九天、芯华章、芯愿景、广立微、概伦电子、思尔芯等，截至2021年12月30日，国内已有4家企业申请IPO，其中，概伦电子已经上市。这些国产EDA厂商从各个细分领域进行技术突破，其中华大九天已经可以提供模拟芯片设计全流程的EDA产品。根据赛迪智库数据，2018-2020年中国EDA市场营收国产化份额逐步由6%提升至11%，国产化步伐逐步加快，星星之火已现燎原之势。 5. 四家典型国产EDA公司引领EDA国产化浪潮 5.1. 华大九天：国产EDA之巅，唯一国家队 传承自“熊猫”，国产EDA龙头。公司创始人参与设计中国第一款具有自主知识产权的EDA工具“熊猫ICCAD系统”，技术功底扎实，行业经验丰富。公司成立于2009年，主要从事EDA工具软件的开发、销售及相关服务。主要产品有模拟电路设计全流程EDA工具系统、数字电路设计EDA工具、平板显示电路设计全流程EDA工具系统和晶圆制造EDA工具等。根据赛迪智库数据，2020年华大九天营收占我国EDA市场约6%的份额，占国产EDA市场营收份额超过50%，居本土EDA企业首位。 营收规模国内最大，高度重视技术研发。华大九天2020年营收4.15亿元，同比增长61%，为国产EDA厂商中规模最大的公司。2020年归母净利润为1.04亿元，同比增长81%。EDA行业为技术密集型行业，华大九天高度重视技术研发，2018-2020年研发费用率维持在40%以上，2020年公司研发人员占比高达67%。截至2021年6月30日，公司已拥有已授权专利145项和已登记软件著作权51项。 唯一国家队，中国电子给予华大九天强产业链支持。华大九天第一大股东中国电子信息产业集团有限公司（简称：中国电子，CEC）是中央直接管理的国有重要骨干企业。CEC成功突破高端通用芯片、操作系统等关键核心技术，构建了兼容移动生态、与国际主流架构比肩的安全先进绿色的“PKS”自主计算体系。根据CEC官网数据，截至2020年底，中国电子拥有26家二级企业、15家上市公司、18余万员工，实现全年营业收入2479.2亿元。CEC旗下半导体企业众多，如飞腾、成都华微电子、澜起科技、中国振华等，为华大九天产品的技术迭代和生态建设甚至是收购兼并提供了强有力的产业链支持。第二大股东大基金一期二期对半导体产业链从原材料到封装测试进行了全面投资，能够为华大九天的产品提供全产业链支持。 5.2. 概伦电子：国产DTCO引领者 十年一剑，“DTCO”产品技术世界领先。概伦电子是提供大规模高精度集成电路仿真、高端半导体器件建模、半导体参数测试解决方案的厂商，致力于推动先进工艺开发和高端芯片设计的深度联动。公司成立于2010年，创始人曾任Cadence全球副总裁。历经2010-2020年，公司实现了DTCO（设计工艺协同优化）真正落地的从数据到仿真的创新EDA解决方案，得到了业界的认可。公司于2019年底并购北京博达微科技，增强了业务实力，为公司持续进行并购提供了范本。 概伦电子深耕器件建模及电路仿真领域。公司在器件建模和电路仿真验证两大集成电路制造和设计的关键环节进行重点突破，自主研发了相关EDA核心技术，可有效支撑7nm/5nm/3nm等先进工艺节点下的大规模复杂集成电路的设计和制造，帮助晶圆厂在工艺开发阶段评估优化工艺平台的可靠性和良率等特性，建立精确的器件模型、PDK和标准单元库，并通过快速精准的电路仿真帮助集成电路设计企业有效预测芯片的性能和良率，优化电路设计。 IPO募资致力于打造存储EDA全流程工具。公司自成立起就致力于DTCO方法学的践行，存储器芯片领域企业对性能和良率指标及产品上市时间的要求极高，是公司推广DTCO落地的理想场景。截至2021年12月，公司已在存储器芯片领域取得国际大客户（如三星、SK海力士、美光科技等）认可。公司IPO募资拟投入3.5亿元继续研究开发存储器芯片全流程设计平台及其相关EDA工具，进一步扩大公司在该领域的优势。 营业收入快速增长，制造类EDA工具营收占比最大。概伦电子2020年营收1.37亿元，同比增长110%。公司营收类型分为EDA工具授权、半导体器件特性测试仪器销售以及半导体工程服务。EDA工具授权主要包括制造类EDA工具及设计类EDA工具，其中2020年制造类EDA工具收入占比达43%，设计类EDA工具占比26%。半导体器件特性测试仪器占比逐年增长，2020年占比18%，已成为第三大业务。2020年归母净利润为0.29亿元，扣非净利润于2019年扭亏为盈，2020年扣非净利润为0.21亿元，同比增长91.6%。概伦电子长期注重研发投入，扣除股份支付影响后2018-2020年研发费用率维持在36%以上，2020年公司研发人员占比达到54%。 存储芯片EDA器件建模及电路仿真领域达到国际一流水平，积累大量知名客户。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掌握了具备国际市场竞争力、自主可控的EDA核心技术，形成了核心关键工具，能够支持7nm/5nm/3nm等先进工艺节点和Fin FET、FD-SOI等各类半导体工艺路线，构建了较高的技术壁垒。公司国际竞争力的提升使其在全球范围内已形成较为稳固的市场地位，得到全球领先晶圆厂的广泛使用，包括台积电、三星电子、联电、格芯、中芯国际等全球前十大晶圆代工厂中的九家。 5.3. 广立微：成品率提升领域全流程覆盖，独特的制造类EDA中坚力量 国内领先的集成电路EDA软件与晶圆级电性测试设备供应商。广立微于2003年成立于杭州，创始人曾任PDF Solutions高级工程师，Xilinx INC.资深主任工程师。公司专注于芯片成品率提升和电性测试快速监控技术，主要提供EDA软件、电路IP、WAT测试设备以及与芯片成品率提升技术相结合的全流程解决方案，公司先进的解决方案已成功应用于180nm～4nm工艺技术节点。 营收增速较快，软件技术开发与软件工具授权为主要收入来源。广立微2020年营收1.24亿元，同比增长87.30%。公司营收类型分为软件工具授权、软件技术开发、测试机及配件以及测试服务。2018-2020年软件工具授权与软件技术开发收入占比保持在73%以上。2020年测试机及配件业务占比25%，超过软件工具授权成为第二大业务。2020年归母净利润为0.50亿元，同比增长161.96%。广立微研发费用呈现逐年上升趋势，2020年研发费用率达到33%，2020年公司研发人员占比达到78%。 广立微具备成品率提升领域下的全流程覆盖优势，避开与三大巨头的直接竞争。公司发现了国内集成电路行业在成品率提升领域的市场空白，并较早投身于该领域，经过多年的发展，公司已经在成品率提升领域形成了深度的积累。公司目前已经实现在成品率提升领域的全流程覆盖，产品和服务受到了国内外一线厂商认可，公司客户涵盖了三星电子等IDM厂商，华虹集团、粤芯半导体、合肥晶合、长鑫存储等Foundry厂商以及部分Fabless厂商。此外，公司对标的海外EDA公司主要为Keysight及PDF Solution，避免与三大巨头直接竞争的同时，通过更优秀的本土化服务能力实现国产替代。 目标成为国产制造类EDA中坚力量。广立微战略清晰，未来在进一步提升成品率提升领域产品竞争力的同时，将拓展制造类EDA产品覆盖广度。依托多年的产品研发和技术服务经验，公司与集成电路制造企业紧密合作，在集成电路设计、制造和电性测试等方面积累了深厚的技术和客户基础。未来公司的发展方向将会仍会立足于现有业务向公司擅长的集成电路制造类EDA拓展延伸，同时升级与延伸电性测试设备，为晶圆级高精度测试提供全面解决方案，目标成为国产制造类EDA中坚力量。 5.4. 思尔芯：原型验证市场全球排名第二 国产原型验证龙头，业务聚焦数字芯片前端验证。公司于2004年成立，2018年整体并入国微集团。作为业内知名的EDA解决方案专家，思尔芯业务聚焦于数字芯片的前端验证，主要为国内外客户提供原型验证系统和验证云服务等解决方案。思尔芯是中国原型验证领域龙头。公司原型验证解决方案已被2020年世界前十五大半导体企业中的六家、中国前十大集成电路设计企业中的七家公司所使用。根据CSIA统计，2020年公司在中国原型验证市场中销售额排名第一，在世界原型验证市场中销售额排名第二。 业绩2020年扭亏为盈，原型验证系统为最主要收入来源。思尔芯2020年营收1.33亿元，同比增长85.45%。公司营收类型分为原型验证系统和验证云服务。原型验证系统主要包括逻辑系统、逻辑模块以及软件和外置应用库等。其中2020年逻辑系统主营业务收入占比达56%，逻辑模块主营业务收入占比26%。2020年公司扭亏为盈，归母净利润为0.10亿元。思尔芯研发费用呈现逐年快速上升趋势，2020年研发费用为2,219.37万元，同比增长170%，2020年公司研发人员占比达到53%。 致力于成为数字芯片设计全流程EDA提供商。数字芯片EDA的技术门槛和重要性远高于模拟芯片EDA，目前中国本土仅有极少量企业涉足数字芯片EDA工具。公司是国内少数具备数字集成电路EDA工具能力的企业之一，填补了我国数字芯片设计环节缺少自主可控原型验证工具的空白。公司未来将以原型验证工具为起点，通过内涵式增长与外延式并购，成为业内领先的数字芯片设计全流程EDA提供商。思尔芯将IPO募集资金中的4.5亿元用于高性能数字芯片验证平台项目，巩固了公司在原型验证领域的技术领先，打开了数字芯片前端验证的第一道工具入口，为公司实现全流程数字EDA工具链建设的目标打下基础。 6. 投资建议 EDA是现代芯片设计必不可少的工具，是最容易被“卡脖子”的关键工业软件。一旦EDA这一产业链基础出现问题，整个集成电路产业都会受到重大影响。2018-2020年中国EDA市场营收规模增速远高于全球同期增速，但国产化率较低，主要是由于国产EDA厂商起步较晚，中国EDA厂商存在人员短缺、生态不全、技术落后等问题。但随着国家对工业软件尤其是EDA的重视程度日益提高、资本市场对EDA支持力度不断加大，国产EDA厂商有望迎来快速发展，2018-2020年国产化率稳步提升。根据芯思想研究院数据，2020年国内EDA企业已达49家，截至2021年12月30日，国内已有4家企业申请IPO，其中，概伦电子已经上市，行业逐渐壮大。 EDA工具链较长，相比于已完成全领域覆盖的三大巨头，国产EDA刚刚起步，分别从不同领域切入，主要提供部分领域全流程或者点工具产品，未来替代空间广阔。建议关注产品各有特色、正在逐步替代海外产品的已经申请IPO的四家EDA公司：华大九天、概伦电子（已上市）、广立微、思尔芯。 7. 风险提示 政策支持力度不及预期。EDA行业前期研发投入大，商业回报较小，需要相关政策扶持，如果后续政策支持力度不及预期，可能会影响国产EDA行业发展。 技术研发进度不及预期。EDA是技术密集型行业，涉及计算机、数学、物理多领域知识，国产EDA与海外差距较大，如果国产EDA厂商技术研发进度不及预期，将会影响国产EDA发展速度。 生态建设不及预期。EDA软件的发展需要芯片设计厂商和晶圆厂的使用的反馈，国内集成电路生态相对于国外较为薄弱，可能会影响国产EDA行业的发展。 注：如无特殊注明，本文相关数据的货币单位均为人民币，美元使用2021年12月30日的汇率6.37元人民币/美元。 吴声计事免责声明 微信号:hbdwjsj 联系人 首席证券分析师： 王紫敬 wangzj@dwzq.com.cn 执业资格证书号码：S0600521080005 公众订阅号（微信号：吴声计事）由东吴证券研究所计算机团队设立，系本研究团队研究成果发布的唯一订阅号。 本公众号所载的信息仅面向专业投资机构，仅供在新媒体背景下研究观点的及时交流。 本订阅号不是东吴证券研究所计算机团队研究报告的发布平台，所载内容均来自于东吴证券研究所已正式发布的研究报告或对已发布报告进行的跟踪与解读，如需了解详细的报告内容或研究信息，请具体参见东吴证券研究所已发布的完整报告。 本订阅号所载内容不构成对具体证券在具体价位、具体时点、具体市场表现的判断或投资建议，不能够等同于指导具体投资的操作性意见。本订阅号所载内容仅供参考之用，接收人不应单纯依靠本资料的信息而取代自身的独立判断，应自主做出投资决策并自行承担风险。东吴证券研究所及本研究团队不对任何因使用本订阅号所载任何内容所引致或可能引致的损失承担任何责任。 本订阅号对所载内容保留一切法律权利。订阅人对本订阅号发布的所有内容（包括文字、图片、影像等）未经书面许可，禁止复制、转载；经授权进行复制、转载的，需注明出处为“东吴证券研究所”，且不得对本订阅号所截内容进行任何有悖原意的引用、删节或修改。 公司投资评级 买入: 预期未来6个月个股涨跌幅相对大盘在15%以上； 增持:预期未来6个月个股涨跌幅相对大盘介于5%与15%之间； 中性:预期未来 6个月个股涨跌幅相对大盘介于-5%与5%之间； 减持:预期未来 6个月个股涨跌幅相对大盘介于-15%与-5%之间； 卖出:预期未来 6个月个股涨跌幅相对大盘在-15%以下。 行业投资评级 增持：预期未来6个月内，行业指数相对强于大盘5%以上； 中性： 预期未来6个月内，行业指数相对大盘-5%与5%； 减持：预期未来6个月内，行业指数相对弱于大盘5%以上。 东吴证券研究所 苏州工业园区星阳街5号邮政编码：215021 传真：（0512）62938527 公司网址：http://www.dwzq.com.cn

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