EDA是電子設計領域的“剛需”型生產工具，也是半導體行業最上游的“桂冠”。而目前中外EDA行業的發展水平仍具有巨大的“鴻溝”，這對于我國半導體行業整體的向上突破也形成了一定的制約，我們認為本土EDA產業未來的大發展勢在必行。在本文中，我們聚焦EDA的技術本質與應用場景，剖析全球EDA行業的發展歷史與未來趨勢，同時對于我國本土EDA廠商未來的發展與破局之路也進行了探討。

摘要

EDA從何而來，為何而生？ EDA是電子設計領域的研發類工業軟件，主要應用于IC設計、PCB設計等場景。EDA處于半導體產業鏈的最上游，是IC設計的“剛需”，全定制IC、半定制IC，從前端到后端設計的各個環節均需要EDA工具。EDA是典型的高門檻專業軟件，同時由于IC設計的流程較長，產品線的完整度是頭部廠商核心的壁壘。同時EDA廠商為客戶帶來的價值也不僅止步于工具，與先進工藝的結合，與Foundry的配合驗證，以及專業化的服務更是頭部廠商取得差異化競爭優勢的“武器”。

EDA行業發展到了什么階段？全球來看，EDA行業已經發展至成熟期，市場規模超過百億美元，且近年來增速較為平穩。市場集中度較高，接近70%的市場被Synopsys、Cadence、Mentor Graphics“三巨頭”所占據，我們認為強大的研發實力、與先進工藝的結合、完整的產品線構筑起了EDA行業“三巨頭”的核心競爭壁壘。回顧國內，雖然當前中國EDA行業尚未迎來“爆發”，然而隨著本土IC設計產業高速發展，我們認為產業對于EDA工具的需求量將持續上升。但目前90%以上的國內市場仍被海外“三巨頭”所占據，本土EDA廠商的競爭力仍相對薄弱。

中國本土EDA廠商如何破局？從整體上看，本土EDA廠商主要能夠提供的是部分環節的點工具，在產品完整度、集成度與整體服務能力上仍然差距較大。在高端市場，中國本土頭部Fabless基本完全依賴于國外巨頭工具;而在長尾市場，盜版問題影響下留給本土EDA廠商的市場較為有限。相比海外巨頭，本土EDA廠商在向上突破的過程中，缺人才、缺產品、缺工藝是最為突出的三大難關，但我們認為上面這三大難題并非無解。從長期的維度來看，隨著我國在全球半導體產業鏈中扮演的角色愈發重要，我們相信我國本土的EDA力量未來也終將真正站上世界舞臺。

風險

技術研發進度不及預期;研發投入超預期;國際局勢變化。

正文

EDA從何而來，為何而生？

EDA：電子設計領域的“剛需”型生產工具

EDA是應用于電子領域的研發設計類軟件。EDA的涵義為電子設計自動化，從功能上看屬于廣義的CAD/CAE軟件在電子設計領域的分支，在電子行業以計算機輔助設計取代手工版圖設計。而EDA也是一個較為廣泛的概念，應用在包括IC設計（數字IC、模擬IC、FPGA）、PCB設計、以及其他電子面板設計（比如FPD設計）等場景的設計工具均可歸為EDA的范疇，而其中IC設計是其中技術門檻最高，市場需求最大的領域。

EDA處于半導體產業鏈的最上游。IC設計是芯片制作流程的前置環節，是將集成電路系統、邏輯與性能的設計需求轉化為具體的物理版圖的過程，主要包括前端設計（規格制定、詳細設計、HDI編碼、前仿真驗證、邏輯綜合、靜態時序分析）和后端設計（可測性設計、布局規劃、CTS、布線）等多個環節，而這其中的各個環節均需要EDA工具的應用，所以EDA也被認為是半導體產業鏈的基礎之一。

EDA的應用已經成為IC設計領域的剛需。隨著半導體行業的發展，IC設計的復雜程度指數級上升，當今的IC設計公司（Design House）已不可能完全離開EDA工具，而單憑手工完成版圖的設計;同時EDA的應用也能夠幫助IC設計人員有效提升設計的效率及準確度，進而節約大量設計費用（UCSD教授Andrew Kahng認為，當前消費級SoC在EDA工具的幫助下，設計費用約為4，000萬美元費用;而如果不使用EDA工具，其設計費用將高達77億美元）。

EDA是典型的高門檻專業軟件。大部分的EDA軟件都運行于LINUX系統而非Windows系統，其原因為大多數工程及科技軟件原先都是在UNIX平臺上首先開發和使用的，并且LINUX作為多用戶分布式系統更加適合于EDA這樣的專業科技軟件;EDA的價格也較為高昂，通常整套工具的價格可高達數十萬美元，但我們認為這與其能夠為IC設計公司創造的價值相比已經算是“不值一提”。

EDA的發展歷經三個階段，從通用走向專業，從工具走向平臺：

初級階段（1970-1980年）：以通用CAD輔助電子設計。隨著通用的CAD軟件在機械設計等領域投入使用，電子設計人員也開始嘗試以CAD代替手工制圖，將PCB 設計過程中高重復性的繁雜勞動如布圖布線工作用二維平面圖形編輯與分析的 CAD 工具代替。彼時的EDA實際上是機械CAD的附屬工具，而Applicon、CALMA等CAD廠商是當時EDA行業的主宰。

發展階段（1980-1990年）：專業EDA工具開始出現。半導體設計的要求逐漸提高，對于EDA工具的要求從基礎的CAD設計延伸至CAE仿真，電路仿真程序SPICE的推出標志著專業的EDA設計工具的誕生，而Mentor Graphics，Daisy等公司也以軟硬件結合的方式實現了EDA的初步商業化;此后Synopsys、Cadence等當今的EDA巨頭也相繼登上舞臺，并以純軟件的方式重塑了行業的商業模式。

成熟階段（1990年至今）：技術基本成熟，EDA走向平臺化。高制程芯片的發展進一步加劇了IC至多流程各環節的復雜度以及環節內部驗證的工作量，對于EDA技術提出了更高的要求。以高級語言描述、系統級仿真和綜合技術為特征的 EDA 技術基本成熟，同時產品形態上也從最初的點工具，進化為全流程工具以及設計平臺，頭部廠商均推出了大規模、平臺級的EDA系統。

EDA持續發展的背后是摩爾定律的推動，優勝劣汰下行業的集中化趨勢并不可逆。設計是制造的前置環節，因此EDA軟件需要隨著芯片制程工藝的進步，而進行持續的不斷地更新迭代，為半導體產業不斷提供設計下一代芯片的方法和工具，這對EDA廠商的研發實力提出了非常高的要，只有頭部公司能夠持續跟上行業的發展速度。這也導致了經過幾十年的優勝劣汰后，如今的EDA行業已經呈現出高集中度的態勢，大部分份額均被頭部的三家公司占據。

應用場景：EDA對IC設計實現全流程環節的覆蓋

各類型的IC設計均離不開EDA的應用。從功能上看，芯片可分為通用IC（CPU、DRAM）和專用IC（ASIC）;從結構上看，其又可以分為數字IC（CPU、GPU、邏輯電路）、模擬IC （運算放大器、基準電壓源等）和數模混合IC。為了滿足不同功能和不同結構IC的設計需求，IC設計從實現方法上大致可以主要分為全定制和半定制設計：

全定制IC設計：基于晶體管級，所有器件和互連版圖均按規定的功能、性能要求，對電路的結構布局、布線均進行專門的最優化設計，通常用來設計模擬電路及數模混合電路，比較適合大批量生產、要求集成度高、速度快、面積小、功耗低的通用IC或ASIC。全定制IC設計更加依賴于設計人員本身對于電路的理解，EDA工具在其中主要起到輔助的作用。

半定制IC設計：基于門陣列（gate-array）、標準單元、可編程元器件等一定規格的功能塊的半定制設計，一般用來設計數字電路，大部分數字大規模電路都使用半定制流程設計（數字SoC設計）。半定制設計的標準化程度相對更高，EDA工具的參與度相對更高，對于設計人員對于電路理解的要求相對更低。

EDA工具對全定制和半定制IC設計的各個環節均實現了覆蓋。全定制和半定制IC設計需要不同類型的EDA工具，全定制IC設計主要包括電路原理圖設計、電路仿真、掩膜設計、版圖驗證、流片等環節。而半定制IC設計在流程上更為細致化、標準化，主要可劃分為前端設計（從規格制定到生成門級網表）和后端設計（布局布線、版圖生成）。目前針對全定制和半定制IC設計的各個環節均已經有成熟的EDA公司，其中半定制IC設計相對而言更為依賴于EDA，同時主要采用半定制設計的數字IC在全球半導體市場也占有更高的份額，因此下文中我們主要會聚焦在半定制數字IC設計領域的EDA應用。

半定制數字IC設計中的EDA應用詳解

半定制IC設計可大致分為前端設計和后端設計環節：

前端設計：又稱邏輯設計，主要和電路邏輯的實現相關，使用HDL語言描述電路，并進行仿真驗證、綜合和時序分析，最后轉換成門級網表，包括規格制定、詳細設計、HDL編碼、邏輯仿真驗證、邏輯綜合等環節。

后端設計：又稱物理設計，主要和工藝相結合，將門級網表轉換成IC設計版圖（gds文件，進行驗證后輸出以進行下一步的IC制造工作，主要包括可測性測試、布局規劃、時鐘樹綜合、布局布線、版圖生成、物理仿真驗證等環節。

半定制數字IC設計的流程較長，各環節均需應用專門的EDA工具。在下面中，我們展示了半定制數字IC前端設計以及后端設計的全流程環節以及需要使用的主流EDA工具。總體上看，數字IC設計具有較長的環節鏈路，IC設計公司通常需要配置整套的EDA工具以滿足其使用需求。

商業模式：軟件工具為基礎產品，但價值遠不止于工具

EDA廠商的商業模式主要是以EDA軟件授權結合IP授權：

EDA軟件授權：EDA廠商會將自身開發的各類工具、軟件包（上面提到的各個環節的工具大多數都會被整合在軟件包中形成整體解決方案），以軟件授權的方式進行售賣，大部分合約均是以2-3年的期間授權的模式，小部分合約為永久授權。下游客戶方面則以中大型IDM、Fabless企業為主。

IP授權：EDA廠商也會直接向客戶提供芯片IP授權，分為軟IP（RTL編碼功能塊）、固IP（完成邏輯綜合后的門級網表）、硬IP（掩膜版圖）。EDA廠商主要提供的是軟IP和固IP，常見的做法是將軟IP集成至EDA軟件中;收費方式則包括單次授權費（License）和持續的版稅費（Royalty）兩種。大部分的Fabless/IDM都會采購一些IP核以提升芯片開發的效率。

EDA廠商為客戶提供的價值遠不僅僅是設計工具：

其一，結合先進工藝，與Foundry的驗證配合。由于EDA最終輸出的版圖都是會交給Foundry來進行代工，因此EDA工具與先進的工藝密不可分（尤其是后端工具），EDA廠商需要向Fabless客戶證明通過自身的產品設計出的版圖能夠通過Foundry的驗證，并投入量產;而Fabless僅有購買那些得到了驗證的EDA工具，才能夠具備取得頭部Foundry代工配額的可能性。

其二，專業的服務，甚至是技術上的直接支持。EDA廠商為客戶提供工具的同時，也會向其輸出專業化的咨詢、培訓服務，甚至是直接參與到IC的設計。同時由于EDA廠商本身對于IC設計、工藝技術已經積累了較為深刻的理解，因此客戶對于廠商所提供的專業服務往往具有較大的需求，甚至更希望得到在技術知識方面的支持。

頭部EDA廠商在與工藝的結合和專業服務這兩方面優勢明顯。在工藝層面，Synopsys、Cadence等頭部公司通過在行業中多年的耕耘，一方面積累了深厚的Fabless/IDM客戶基礎，另一方面也已經與頭部的Foundry建立了深入的合作關系，對先進工藝具有深入的理解;在服務層面，這些頭部企業內的員工往往也都是半導體領域的頂尖人才，具備直接向客戶輸出技術服務的能力。我們認為頭部的EDA公司不僅在產品工具層面領先，其在工藝和服務上的壁壘更為穩固。

EDA行業發展到了什么階段？

全球EDA行業已處成熟期，增速平穩、龍頭寡占

全球市場規模超百億美元，增速相對平穩波動較小。根據ESD Alliance的數據，2019年全球EDA行業市場規模已達到105億美元，2015-2019年CAGR為8%;相比于全球半導體行業整體而言，EDA行業的增速相對平穩且波動性較小，2019年全球EDA行業的價值量約相當于全球半導體產業規模（市場銷售額）的2.5%。

全球EDA市場幾乎被“三巨頭”所占據。2019年，全球EDA行業的三大龍頭廠商Synopsys、Cadence、Mentor Graphics的市占率之和接近70%，這三家頭部廠商具備對于半定制、全定制IC設計全鏈路的覆蓋能力，有能力為客戶提供整套的IC設計工具;而一些成長中的企業則大多以點工具切入特定環節，以取得一定的市場份額。

EDA廠商在IP授權市場的話語權也在提升。近年來EDA巨頭的IP授權業務快速發展，EDA廠商以軟IP嵌入EDA軟件的銷售方式受到了客戶的歡迎。2019年，Synopsys、Cadence已經成為僅次于ARM的全球第二、第三大芯片IP授權公司。

全球EDA行業當前呈現出的供需態勢

供給端：龍頭廠商主推整體解決方案，Synopsys、Cadence、Mentor Graphics這三家EDA行業的龍頭公司對于全定制、半定制IC設計的各個環節基本都有相應的EDA工具進行覆蓋，其更傾向于將多個工具“打包”作為整體解決方案向客戶銷售（“全家桶”模式）。后期之秀以點工具切入市場，成長中的EDA廠商雖然暫無覆蓋全設計鏈路的能力，但也能夠針對某些環節推出具有特色的點工具產品，切入部分細分市場。

需求端：頭部客戶自主性較強，服務要求較高。雖然EDA廠商偏向于提供整體的解決方案，但對于頂尖的Fabless/IDM而言，其會更偏向于根據自身的需求而“博采眾長”，對于不同的環節采購最適合自身的EDA工具，而非完全購買一家廠商的產品;而這些頭部Fabless/IDM自身也具有較強的IT能力，會偏向于自主進行研發平臺的搭建并將點工具進行組合，同時也會自研一些EDA工具。而中腰部客戶則對整體解決方案的接受度更高，同時對于EDA廠商直接提供IP授權的需求量更大。

全球EDA行業的“三巨頭”如何鑄就？

“三巨頭”對EDA行業的“統治”已持續了近三十年。Synopsys（SNPS.US）、Cadence（CADE.US）、Mentor Graphics三家公司均起步于上世紀80年代，Cadence在上世紀90年代便開始領軍EDA行業，但后由于一些內部問題，逐步被Synopsys縮小差距;而Synopsys更在2001年完成對Avanti的收購，在2008年正式超越Cadence成為行業第一;Mentor Graphics在產品深度和營收規模上相比前兩大龍頭均有所差距，后于2016年被西門子以45億美元的價格整體收購。

從產品和技術特點來看，三家公司各有所長：

Synopsys：產品全面性領先，Synopsys從前端設計起家，后通過并購Avanti擴展到后端設計，在綜合實力上較為領先。目前旗下公司的幾款核心工具（VCS、Design Complier、IC Complier）大多都為自研且經歷了幾十年的市場考驗，在口碑和可靠性上優于其他兩家競爭對手。

Cadence：強項在于后端設計，Cadence在的數字IC后端設計領域積淀深厚，同時在模擬電路和數模混合電路的全定制設計領域（Virtuoso平臺）具有優勢。但近年來公司在產品線的擴充方面主要依賴于外部收購，同時在復雜時間序列的收斂等細分環節還存在短板。

Mentor Graphics：強項在于后端的布局布線，但在產品線的完整性和集成度上相比前兩大巨頭有所差距，有部分細分環節未能進行覆蓋;但公司在PCB設計領域具有一定的優勢。

EDA行業“三巨頭”的競爭壁壘主要來自于三個層面

其一，強大的研發實力。三大EDA巨頭均十分重視在研發端的投入，歷年的研發費用均達到數億美元，研發費用率長年保持在30%以上，甚至超過40%。以Synopsys為例，其在全球的15，000名員工中，有近7，000人是研發人員，基本上可以說EDA“三巨頭“已經匯聚了全球EDA行業最頂尖的人才。

“三巨頭”對于教育市場高度重視，通過產研合作提前鎖定人才。三大龍頭公司均與全世界的頂級理工科院校建立了深度合作關系，從源頭上鎖定全球EDA領域的“新鮮血液”。以在中國為例，Synopsys目前已經和國內70多年頂尖高校達成了合作，Cadence在國內也在積極推進“大學計劃”，通過成立聯合培訓中心、研發中心、實驗室等形式，提前進入校園網羅優秀的人才。

其二，與先進工藝的結合。在上文中我們已經強調，與工藝的結合是EDA廠商的核心價值之一。EDA公司需要基于Foundry的先進制程芯片工藝來進行新一代設計工具的研發，同時也需要取得Foundry的工藝技術認證，以“證明”自身產品的可用性。“三巨頭”與臺積電、三星等頭部Foundry均建立了深度合作關系，能夠在第一時間推出支持最先進工藝的工具并取得認證。

“三巨頭”在對先進制程工藝的支持上已取得明顯優勢。頭部廠商通過與Foundry建立深度的合作關系，能夠在早期便參與到Foundry工藝的研發過程中，進而能自然地在支持7nm/5nm/3nm的新一代EDA工具的研發上占得先機。以Synopsys為例，其在臺積電7nm工藝開發的早期就已進行參與，提早推動基于臺積電新工藝的EDA/IP的開發，因此能夠在臺積電的7nm工藝設計完成后的幾周內便推出基于該工藝的EDA工具。相比之下，其余中小EDA企業大多難以與具有先進制程工藝的頭部Foundry建立直接合作，在高端EDA市場基本不具有競爭力。

其三，完備的產品線。“三巨頭”的產品基本上實現了對全定制、半定制IC設計的全流程覆蓋，尤其是Synopsys和Cadence，在多個設計環節的工具上均處于行業領先，其所提供的“全家桶”型工具包產品也已占據了相當可觀的市場份額（尤其在中腰部市場）。而以提供點工具為主的中小廠商則更多地是在“夾縫中求生存”。

“三巨頭”通過持續的收并購補齊產品矩陣。IC設計的流程復雜、環節眾多，針對不同環節的EDA工具在技術方向上均有一定的差異，即使如Synopsys、Cadence這樣的龍頭廠商也難以單憑自身的研發力量覆蓋全部工具的開發工作。回顧其發展歷史，EDA行業的龍頭廠商均是通過持續的收并購拓展補強自身的產品線，形成完整的EDA工具包與技術平臺。

中國有望成為全球EDA行業的又一極

中國EDA行業尚未迎來“爆發”。根據前瞻產業研究院數據，2019年中國EDA行業市場規模為5.4億美元，2016-2019年CAGR為7.9%，在全球EDA市場中占比較小，且增速也基本處于同一水平，市場潛力仍有較大的釋放空間。

本土IC設計產業高速發展，對EDA工具的需求量將持續上升。根據中國半導體行業協會的數據，2019年我國IC設計產業銷售規模已經突破3，000億元，全國的IC設計企業數量已達到1，780家。即使在國際局勢的變化下，華為海思等頭部Fabless受到一定的沖擊，但我們認為中國本土IC設計產業整體仍處于快速發展階段，本土Fabless對于EDA的需求將持續提升。

中國EDA市場主要被“三巨頭”占據，本土廠商差距較大。上世紀90年代海外EDA行業的“三巨頭”入華，三家企業均對中國市場高度重視并持續投入，在數年內就基本占據了大部分的市場份額。時至今日，90%以上的中國EDA市場被“三巨頭”所占據，本土EDA廠商僅能夠在部分細分領域取得一定的市場份額。

中國本土EDA廠商的崛起具有必要性和必然性。過去數年國際局勢發生了較大的變化，EDA已經成為了制約我國半導體行業進一步發展的難題之一，我國政府也在過去數年陸續出臺相關政策，鼓勵本土EDA行業的發展。而從另一種角度看，海外EDA龍頭的“停供”實際上也為本土EDA產業的發展騰出了空間，華為海思等頭部Fabless近年來也在加大對于本土EDA廠商的支持力度。從長期的視角來看，我們對于中國本土EDA行業的發展較為樂觀。

中國本土EDA廠商如何破局？

中國本土EDA行業的“家底”盤點

中國本土EDA行業曾有著輝煌的過去。中國本土EDA行業起步于上世紀90年代， 1993年中國第一個自研EDA系統“熊貓”面世，國內單位踴躍使用，短時間內熊貓EDA便在近20家設計公司投入使用，完成近200個芯片品種，當時中國與世界領先水平的差距并沒有那么大;但之后數年，海外EDA巨頭陸續入華，并憑借更為完善的產品，更為成熟的商業策略迅速擠占本土EDA廠商的生存空間，“熊貓”EDA也被迫出海“求生”，中外EDA產業的差距也逐步被拉開。

中國本土EDA行業目前有哪些主要力量？總體上看，目前中國EDA行業主要有兩股主要力量：一股是主要由中國本土培養的EDA人才組建的企業，華大九天是其中的代表，其繼承了“熊貓”EDA的衣缽，也是本土EDA廠商的旗幟;另一股則主要是由在Cadence、Synopsys工作過的“海歸”人才建立的公司，包括概倫電子、芯禾科技、博達微、芯華章等。

中國本土EDA廠商目前尚不能滿足本土IC設計產業的需求。整體上看，本土EDA廠商目前僅能提供部分環節的點工具，且多是在全定制IC設計領域，在數字IC設計領域的多個關鍵環節缺少相應工具產品;雖然在部分點工具上國產廠商已取得了一些突破，但在產品完整度、集成度與整體服務能力上仍然差距較大。目前在高端市場，中國本土頭部Fabless基本完全依賴于國外巨頭的EDA工具;而在長尾市場，企業使用盜版EDA工具的情況仍然普遍存在，留給本土EDA廠商的市場較為有限，因此部分本土EDA公司的收入反而大多來自于海外市場。

責任編輯：tzh