半导体EDA行业专题研究-EDA半导体行业的“七寸”

半导体EDA行业专题研究：EDA，半导体行业的“七寸”1.EDA是半导体工业软件皇冠上的明珠1.1.EDA提供自动化辅助设计，是CAD在集成电路领域的分支EDA为集成电路的设计、生产等提供自动化辅助设计能力。EDA

（Electronicdesignautomation），即电子设计自动化，是指以计算机为工具，融合图形学、计算数学、微电子学、拓扑逻辑学、材料学及人工智能等技术，自动完成集成电路的设计、综合、验证、物理设计等一系列流程。逐步扩大的集成电路规模以及日益复杂的芯片设计推动了EDA工具的出现，使EDA成为IC设计中不可或缺的工具。从CAD到EDA，EDA工具的发展经历了三个阶段：1）计算机辅助设计（CAD）阶段。产业初期，集成电路集成度较低（几百到上千个晶体管，设计复杂度也较低。设计人员可以通过手工操作完成电路图的输入、布局和布线。20世纪70年代中期开始，随着集成电路工艺制程的发展，集成电路中的晶体管数量不断增加，更高的集成度提高了芯片设计的复杂程度。此时，可编程逻辑设计技术的出现使芯片设计自动化成为可能，芯片设计人员开始使用计算机辅助设计（CAD）进行集成电路版图编辑、PCB布局布线，相继出现了许多二维CAD、三维系统分析与设计（SAD）软件。2）计算机辅助工程（CAED）阶段。20世纪80年代，集成电路的进一步发展对芯片设计提出了更高的要求，芯片设计复杂性大大增加，设计师依靠手工难以完成相关工作。此时，该领域内出现了使用编程语言进行芯片设计的思路，设计师开始通过编程语言设计、验证电路，然后利用逻辑综合工具得到底层物理设计。利用CAE软件，设计师可以对设计上存在的错误做出提前的预判，可以在产品投入生产之前预知产品功能和性能。到了80年代后期，EDA工具已经可以进行设计描述、综合与优化和设计结果验证。3）电子设计自动化（EDA）阶段。20世纪90年代以后，在摩尔定律的大框架下，半导体开始走入大规模集成电路时代，基于先进工艺节点的集成电路规模可达到数十亿个晶体管，芯片集成度越来越高，芯片设计也日益复杂。传统的手工设计、CAD和CAED软件难以满足中大型集成电路设计中复杂而专业性的新需求，以高级语言描述、系统及仿真和综合技术为特点的EDA软件应运而生。相较于CAD和CAED，EDA软件设计更加精细，保证了芯片设计各个阶段、各个环节的准确性，缩短了设计周期、降低了设计成本。21世纪以来，EDA工具快速发展，如今已贯穿集成电路设计、制造、封测的全部环节。1.2.EDA是集成电路产业的基石EDA杠杆效应显著，是数千亿美元规模的集成电路行业的重要支撑。根据SEMI的数据，2020年EDA行业的全球市场规模超过100亿美元，却撬动着年产值超过4000亿美元的集成电路行业。相较于制造芯片的设备、生产线、原材料等动辄数亿美元的花销，EDA工具在集成电路企业的采购总额中占比较小。但是，作为贯穿集成电路设计、制造、封装、测试等产业链各个环节的基础工具，EDA是集成电路产业的咽喉，将直接影响产品的性能和量产率。一旦EDA这一产业链基础出现问题，整个集成电路产业乃至上层运行的数字经济产业都会受到重大影响。伴随着芯片制程工艺的提升，EDA对集成电路产业的影响日益突出。随着集成电路行业的快速发展，芯片持续向集成化、微小化演进，集成电路设计和制造的复杂性日益增加，研发和制造成本也逐渐攀升。因工艺水平或芯片设计失误而导致的制造失败将给集成电路企业带巨大损失。1.3.EDA产品线繁多，应用于集成电路各个领域根据设计产品的不同，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、系统类等五大类。其中系统类又可以细分为PCB、平板显示设计工具、系统仿真及原型验证和CPLD/FPGA设计工具等。1）模拟设计类。模拟设计类EDA工具主要是用于模拟芯片设计环节的工具，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产品线。模拟电路的设计从设计原理图开始，设计师需要根据模拟电路需要实现的功能要求、设计规范等设计合适的电路结构。然后，用电路仿真工具来模拟电路的功能、性能等，并根据仿真的结果不断优化电路设计。完成电路仿真后，设计师通过版图设计工具将每个器件放置到合适位置，并用图形将各个器件进行正确的连接。之后进行物理验证以确保版图与原理图一致并且符合晶圆制造的要求。完成物理验证后，设计师还需对版图进行寄生参数提取，并通过后仿真来验证电路实际工作的各项功能和性能。最后，设计师需要进行压降和电流密度等可靠性分析，确保电路工作性能不被影响。2）数字设计类。数字设计类EDA工具主要是用于数字芯片设计环节中的工具，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。数字前端设计流程从架构设计开始，设计师根据对芯片功能和性能参数的要求给出设计方案和架构，划分芯片的功能模块。然后，通过硬件语言（HDL，如Verilog）对芯片功能进行描述编码。之后，利用仿真工具进行逻辑仿真，检验设计代码的正确性。经过仿真验证后，通过逻辑综合将设计代码映射到电路结构，输出描述数字电路结构的电路网表文件，并进行静态时序分析和形式验证，以检验电路的功能在设计转换和优化的过程中保持不变。数字后端设计流程通过布局布线工具将电路网表中使用到的各种单元和IP在版图上进行合理摆放、连接，形成布局布线后的电路网表和版图。之后，设计师需要对版图进行寄生参数提取，分析信号是否完整，并进行物理验证，确认设计不存在功能和物理规则上的问题。最后进行版图集成，形成最终交付晶圆代工厂生产的版图。3）晶圆制造类。晶圆制造类EDA工具主要是晶圆厂在工艺平台开发和晶圆生产阶段应用的工具，主要协助晶圆厂完成半导体器件和制造工艺的设计，建立半导体器件的模型并通过PDK或建立IP和标准单元库等方式提供给集成电路设计企业。晶圆制造类工具包括晶圆制造类工具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。4）封装类。封装类EDA工具主要是用于芯片封装环节的工具，包括封装设计、封装仿真以及信号完整性/电源完整性分析（SI/PI）工具。封装是指把芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，并用绝缘的塑料或陶瓷材料打包的过程。封装不仅实现了内部芯片与外部电路的连接，也起着安装、固定、密封、保护芯片及增强电热性能等方面的作用。5）系统类。系统类EDA工具又可细分为PCB设计工具、平板显示设计工具、系统仿真工具和CPLD/FPGA等可编程器件上的电子系统设计工具。其中，PCB设计工具主要用于摆放元器件并将元器件的线连接起来，包括原理图编辑、版图设计、布局布线、SI/PI仿真、EMC/EMI仿真等工具；平板显示设计工具主要是应用于面板的研发、生产和制造的工具；

系统仿真工具是主要面向系统级别的仿真工具。按照主要功能划分，可分为IC设计软件、电子电路设计与仿真工具、PCB设计软件、PLD设计工具及其他EDA软件。1）IC设计软件。根据芯片类型不同，可分为数字IC、模拟IC和混合IC。IC设计软件涵盖了不同类型芯片设计全流程的各个环节，为用户提供了从电路到版图、从设计到验证的一站式完整解决方案。IC设计软件主要包括设计输入、设计仿真、逻辑综合、静态时序分析、布局布线、寄生参数提取、物理验证、模拟电路仿真器等工具。市面上的主要产品有Composer、Viewdraw、Verilog—XL、DesignCompile、FPGAExpress、PrimeTime等。2）电子电路设计与仿真工具。利用电子电路设计与仿真工具，设计师可以根据设计好的电路图模拟实际电路的功能、性能等，然后根据仿真的结果不断优化电路设计。市场上主要的电子电路设计与仿真工具包括SPICE/PSPICE、EWB、Matlab、SystemView、MMICAD等。3）PCB设计软件。PCB设计软件是用来画板级电路图、布局布线以及仿真的工具，主要用于摆放元器件并将元器件的线连接起来。PCB设计软件种类很多，包括Protel、OrCAD、Viewlogic、PowerPCB、CadencePSD、ExpeditionPCB、ZukenCadStart等。4）PLD设计工具。PLD是一种由用户根据需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。目前主要有两大类型：CPLD（ComplexPLD）和FPGA

（FieldProgrammableGateArray）。它们的基本设计方法是借助于EDA软件，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，最后用编程器或下载电缆，由目标器件实现。生产PLD的厂家很多，但最有代表性的PLD厂家为ALTERA、Xilinx和Lattice公司，常用的PLD设计软件包括MAX+PLUSII、Vertex—IIPro、ispLSI2000/5000/8000等。2.市场格局高度集中，国内厂商潜力巨大2.1.全球EDA市场规模稳健增长先进工艺的技术迭代和下游领域需求驱动全球EDA市场规模稳定上升。EDA工具应用于集成电路的设计、制造及封测各个环节，其市场需求与集成电路行业的发展紧密相关。近年来，集成电路产业技术迭代较快，日益复杂化的设计及制造要求催生了越来越多的EDA工具需求，推动全球EDA市场发展。根据SEMI统计，2020年全球EDA市场规模为114.67亿美元，同比增长11.63%，实现8年CAGR7.28%，呈稳定上升趋势。根据VerifiedMarketResearch数据，全球EDA市场规模有望于2028年达到215.6亿美元，2020-2028年8年复合增速为8.21%。强强联合与持续开发是全球EDA发展的主要思路。面对当前摩尔定律的困境和集成电路行业的发展特点，全球主流EDA技术发展呈现两种思路：1）与全球领先集成电路企业合作，推动工艺节点向前演进和支持不同工艺平台的创新应用；2）持续挖掘现有工艺节点的潜能，不断进行流程创新以缩短产品上市时间，提升产品竞争力。中国集成电路产业的快速发展为国产EDA提供了巨大的发展空间。近年来，受益于产业政策、产业环境、投资支持、行业需求、人