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摩尔定律逼近物理极限:半导体产业整体衰退,EDA却能逆势增长

EDA软件是芯片设计和生产的必备工具,利用EDA工具,芯片的电路设计、性能分析、设计出IC版图的整个过程都可以由计算机自动处理完成。EDA是集成电路领域内市场规模很小(目前总量70亿美元左右),但又是非常重要的板块。

随着大规模集成电路、计算机和电子系统设计技术的不断发展,EDA技术发挥的作用正以惊人的速度上升,它可以使产品的开发周期大大缩短,且性能和价格比得到很大程度的提高。

EDA技术和工具的重要性,从其近两年的市场发展趋势也可见一斑。来自电子系统设计(ESD)联盟的数据显示,2019年第一季度,全球EDA营收达到26亿美元,同比增长了16.3%。EDA软件和IP销售额的4个季度移动平均值(将最近4个季度与其之前的4个季度进行比较)增加了6.1%。

ESD联盟追踪的所有领域,包括计算机辅助工程、IC物理层设计与验证、PCB与多芯片模块,以及半导体IP等,与去年第一季度相比均增长了10%。日本以外的地区都呈现出了逐年增长的态势,具体如下图所示。

图源:电子系统设计(ESD)联盟

对于这样的市场状况,来自市场研究机构Pedestal Research的研究总监Balch表示,EDA在半导体产业整体衰退的情况下,逆势增长,展现出了强大的活力。EDA有一个特点,那就是这些工具和服务的销售增长通常落后于芯片的销售增长情况。Balch说,纵观整个半导体产业发展史,EDA的营收数字从来没有出现过大幅波动,发展相当稳健。Balch预期:全球EDA产业发展可能会在今年底或2020年初开始放缓。但她预测在未来5年,EDA工具和服务的营收仍将呈逐年增长的态势。

EDA发展新趋势

来自Research and Markets的数据显示,全球EDA市场在2018年估值约为63.2亿美元,预计到2024年将达到94.9亿美元,在预测期间(2019~2024)的复合年增长率为7.8%。而在半导体制造工艺技术前进步伐明显放缓的情况下,EDA工具为集成电路行业提供了越来越重要的发展支撑。EDA设计工具使IC设计过程能够以设计成本实现,从而使生态系统能够以盈利的方式运营。

基于半导体行业的发展态势,以及EDA的特点,Research and Markets认为未来几年EDA行业将呈现以下4大发展趋势。

1、后摩尔定律时代的产业发展动力

摩尔定律认为集成电路中的晶体管数量每18~24个月增加两倍。然而,近年来,科学家越来越相信基本的物理限制正在使得摩尔定律失效。与此同时,对具有复杂设计的先进电子设备的需求不断增长,以及在提高集成电路性能的同时减小尺寸的需求,正促使IC制造商增加研发投资并采用EDA工具。因此,与其它行业相比,集成电路对EDA工具的需求预计会很高。

随着摩尔定律逐渐走向物理极限,以及全球系统厂商纷纷踏入IC设计领域,拥有特定领域(Domain Specific)的芯片结构及程式语言设计能力与知识将是企业在未来持续获利的关键。对此,明导国际(Mentor Graphics)全球副总裁暨亚太区总裁彭启煌指出,从智能手机、家电,到汽车、飞机及各类机械设备,当今的工业电子产品对复杂的嵌入式电子系统的应用都在持续增加,而EDA工具客户也不再局限于传统半导体芯片设计公司,而是转变成横跨不同产业的系统供应商。因此,EDA工具在协助客户达成及时上市时间、复杂设计、验证及模拟流程,同时满足市场对产品功能与功耗的要求方面,将发挥更重要的作用。

2、EDA市场高度分散,AI是重点

汽车,物联网,人工智能和虚拟/增强现实领域的新机遇使得整个集成电路生产周期各阶段的半导体公司都能受益,收入也有相当大的增长。尽管芯片性能显著提高,但单位销售价格相对平稳。该行业的主要参与者包括Mentor Graphics,Synopsys,IBM。其中Synopsys特别看重人工智能,并宣布了重点投资方案,以解决前沿设计的极端复杂问题。具体操作包括扩展Synopsys设计平台,加快TTR,实现自动化的新水平,并在数字和定制设计中设置新的质量结果(QoR)标准。

上周末,在第二届中国研究生创“芯”大赛高峰论坛期间,新思科技中国董事长兼全球副总裁葛群表示,以AI芯片为例,我们的算力能满足最新的AI要求。身处芯片行业,我们知道这次革命比工业革命更迅速、规模更大且更深远。以芯片为基础,AI、无人驾驶和新零售将变得更加的场景化和具像化。

此外,将AI引入EDA工具也是至关重要的。AI算法可以帮助客户设计达到最优化的PPA目标,开发性能更高的终端产品。具备AI特性的EDA工具可以帮助客户设计出更好的芯片,并快速推向市场。

3、汽车行业对EDA需求强烈

Gartner预估,2020年全球联网设备将达260亿台,市场规模1.9万亿美元,其中,智能汽车将是最大宗的应用,未来单台车上所装载的电子零件占比将突破50%。对此,瑞昱半导体资深处长吴奇峰从EDA工具使用者的角度剖析,先进驾驶辅助系统(ADAS)需通过稳定、高带宽的网路串连感测器、仪表板、方向盘,并将数据传送至车载处理器进行即时运算,这些对创新和高端IC的需求与日俱增,设计复杂度以及对可靠性的要求也更胜以往。

因此,所有主要的EDA供应商都在忙着为汽车客户扩展他们的制程组合,以满足汽车客户越来越多且越来越高的要求。另外,汽车行业还有一个特点,那就是许多设备不需要最先进的制程,因此,EDA工具和服务的重要性就愈发突出了。

再者,由于对安全性和性能的要求不断提高,设计的虚拟验证已成为芯片制造的必然部分。验证过程涉及在各种温度和压力条件下测试电气和电子部件。该测试可确保设备故障不会导致任何不幸事故。汽车行业日益增加的复杂性正在影响整个行业对EDA工具的需求。

4、EDA工具和服务云化

当下,EDA供应商已经开始在线提供他们的工具和软件。全球互联网普及率的提高使潜在客户可以轻松地在线访问这些工具,并使用它们来设计和制造芯片。这样,由于降低了TCO和基础设施成本以适应这些工具,公司的资本支出减少了。这也有助于改善SCM,因为经销商和分销商的总数大大减少了。

因此,云端软件和服务是未来的趋势,它有两个好处:首先,软件按照服务的时间长短收费,对客户来说,可以节省EDA的购买费用,比如客户整个开发阶段为12个月,其中前端开发8个月,后端4个月,那么可以购买8个月的前端设计EDA软件和4个月后端EDA软件云服务,相比原来需要购买1年的完整前后端设计EDA软件许可,可以大大节省费用;其次,对于EDA供应商来说,提供EDA云服务也能降低软件盗版的发生概率。

从按照软件使用付费转为按照服务质量进行付费。云端服务的最大阻碍就在于EDA行业的高度垄断,大的EDA公司应该是不太愿意采用这种方式。另外,有利就有弊,数据安全仍然是云服务的突出问题,公有云无法满足客户对数据安全的要求,这方面还需要进一步完善。

中国的希望

目前,EDA行业高度垄断,前3家EDA公司(Synopsys、Cadence及Mentor)垄断了中国本土芯片设计95%以上的市场。

然而,我国IC产业发展迅速,而且国内芯片公司起点高,也采用了很多最新的制程工艺,比如16nm、12nm和7nm。新工艺和新芯片应用方向给现有EDA行业和芯片设计流程带来了新的挑战,也给中小EDA公司带来了很多新的机会,比如全芯片并行门级仿真,复杂电路的快速ECO收敛,先进工艺库的稳定性审查领域,EDA大厂在这些方面尚无成熟的解决方案,而中小EDA公司已经提供了相关解决方案。

目前,国内的EDA厂商有:华大九天、芯禾科技、广立微、九同方微、博达微、概伦电子、创联智软等,这些厂商中,大部分以点工具为主,缺乏全面支撑产业发展的能力,存在产品不全、与先进工艺结合存在不足等问题。

在我国本土的EDA厂商当中,华大九天、芯禾科技、广立微被称为“中国EDA三剑客”,它们各有优势,其中,华大九天是中国规模最大、技术最强的EDA企业。

图源:前瞻产业研究院

过去十年,中国大陆半导体产业呈现出上升趋势。正在与台湾地区的半导体产业竞争。其中大陆的竞争主力军为Fabless企业,中国大陆的Fabless公司已经占全球的四分之一。

台湾地区的Fabless市场在全球市场中处于第二的位置,从2010年开始一直保持稳定态势,像Realtek,MediaTek和Novatek这样的公司,都是世界排名前20位的Fabless企业。

有着如此多的Fabless公司,且市场占有率和活跃度很高,就给了EDA工具和服务足够的发展空间。这也是我国未来几年不断发展和壮大国内EDA业的基础。

如前文所述,全球EDA业呈现出了四大发展新趋势,而中国的IC设计业欣欣向荣,处在这个发展阶段,对于我国本土的EDA产业来说,既是机遇,也是挑战。机遇在于广阔的市场,以及赶上产业变革,会有后发优势的可能;而挑战在于,如果抓不住这一发展窗口期,恐怕还是躲不过半导体产业“大者恒大”的规律,很难从国际EDA巨头那里抢得市场份额。


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