电子设计软件EDA(一):分析美国三大EDA企业

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EDA

全景概述

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EDA软件分类

EDA是广义CAD的一种,是细分的行业软件。利用EDA工具,电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统,完成电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程。

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EDA发展及产业情况

01 发展

EDA是电子设计自动化(Electronic Design Automation)的简称,是从计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助测试(CAT)和计算机辅助工程(CAE)概念发展而来。

20 世纪 70 年代早期阶段(CAD 阶段),人们开始用计算机辅助进行IC版图编辑、PCB布局布线,取代了手工操作。相继出现了许多二维 CAD、三维 SAD 软件。

20世纪 80年代发展阶段(CAE阶段),人们开始对相关软件进行进一步的开发,在把不同CDA工具合成一种系统的基础上,完善了电路功能设计和结构设计,并且通过电气连接网络表将两者结合在一起,实现了工程设计。CAE的主要功能是:原理图输入,逻辑仿真,电路分析,自动布局布线,PCB 后分析。EDA 技术在此时期逐渐发展成半导体芯片的设计,已经能生产出可编程半导体芯片。IC设计的 EDA 工具真正起步于80年代,1983年诞生了第一台工作站平台 apollo.

20 世纪 90年代成熟阶段(EDA阶段),在 20世纪90 年代以后,微电子技术获得了突飞猛进的发展,集成几千万乃至上亿的晶体管只需一个芯片。以高级语言描述、系统级仿真和综合技术为特点的 EDA 工具就此出现,此后EDA技术获得了极大的突破发展。

之后的国内EDA发展曲折而缓慢,因各种因素影响,国产EDA产业没有取得实质成功,但近十年发展中,华大九天、芯禾科技、广立微、博达微等几个企业从国产EDA阵型中展露生机。

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02 产业情况

EDA是集成电路产业领域内 “小而精”的环节,产值较小但又极其重要。数据显示,2018年整个EDA的市场规模仅为97.15亿美元,2014-2018年复合增长率在6.89%左右,相对于几千亿美金的集成电路产业来说不值一提,但如果缺少了这个产品,全球所有的芯片设计公司都得停摆。

在2017年,IP核的交易已经超越了EDA工具和服务本身,成为EDA产业交易规模最大的一部分。
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(2014-2018年全球EDA市场规模(百万美元))

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(2017年与2018年全球EDA市场规模(百万美元))

EDA

分析EDA三大企业

EDA三巨头:EDA市场份额占据前三位的Synopsys、Cadence和被西门子收购的Mentor Graphics。

三大EDA企业占全球市场的份额超过60%。其中,Synopsys是全球最大的EDA企业,2018年的市场份额已达到32.1%;Cadence仅次于Synopsys,2018年市场占有率为22.0%;Mentor Graphics在被收购之前也能保持超过10%的市场占有率。在2017年中国工业软件企业排行榜中,Synopsys排名35位,Cadence和Mentor Graphics分列第47、48位。

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(2014-2018年EDA三巨头公司收入所占份额)

Synopsys

01

Synopsys(新思科技)成立于1986年,由Aart de Geus带领通用电气工程师团队创立,在2008年成为全球排名第一的EDA软件工具领导厂商,为全球电子市场提供技术先进的集成电路设计与验证平台。

Synopsys在EDA行业的市场占有率约30%,它的逻辑综合工具DC和时序分析工具PT在全球EDA市场几乎一统江山。
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(2010-2019年Synopsys营业收入及增速情况)
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(2010-2019年Synopsys净利润及增速情况)

Synopsys是EDA三大巨头之首。占据统治地位的产品为逻辑综合工具DC(design compiler),时序分析工具PT(prime time)。Synopsys提供的产品与服务主要分为四类:EDA、IP、制造解决方案、专业服务与其他,其中EDA产品占Synopsys总收入中的一半以上。

Synopsys的EDA和IP客户通常是半导体和电子系统公司。除此之外,Synopsys还为包括电子、金融服务、媒体、汽车、医药、能源和工业等不同行业客户提供软件安全解决方案。Intel是Synopsys最大客户,2016-2018三年公司总营业额中分别有15.9%、17.9%、15.4%来自Intel。除此之外,公司没有占总收入份额超过10%的客户。

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(2017-2019年Synopsys各类产品或服务营收占比情况)

**Cadence
**

02

Cadence(铿腾电子)是EDA行业销售排名第二的公司,在1988年由SDA与ECAD两家公司兼并而成,Cadence通过不断扩展、兼并、收购,到1992年已占据EDA行业龙头地位,但到2008年被Synopsys超越。

Cadence产品涵盖了电子设计的整个流程,包括系统级设计、功能验证、集成电路综合及布局布线、IC物理验证、模拟混合信号及射频集成电路设计、全定制集成电路设计、PCCE设计和硬件仿真建模等。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。Cadence的Virtuso工具历经27年不衰,成为业内传奇。

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(2010-2019年Cadence营业收入及增速情况)

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(2010-2019年Cadence净利润及增速情况)

Cadence将主营业务分为五类,分别是验证、数字设计、模拟、PCB、IP,其中前三项的地位更为重要,占主营业务收入的份额在75%左右。

Cadence为EDA业界第二厂商,工具集中在模拟电路,PCB电路,FPGA工具。Cadence也有一套完整的ASIC设计工具,但在与Synosys竞争中处下风。但在全定制设计中Virtuso仍然非常强大,Cadence之所以稳居第二,决定于其强大的模拟电路设计工具。

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(2018年Cadence各细分领域占营业额的比重)

Mentor Graphics

03

Mentor Graphics(明导国际,2016年被德国西门子收购)1981年成立,90年代遇到经营困境,软件的研发严重落后于进度,大量长期客户流失。直到94年公司组织结构大调整后,才重新崛起。

Mentor Graphics是一家EDA软件和硬件公司,也是电路板解决方案的市场领导者,主要提供电子设计自动化先进系统电脑软件与模拟硬件系统。Mento的工具虽没有前两家全面,没有涵盖整个芯片设计和生产环节,但在有些领域,如PCB(印刷电路板)设计工具等方面有相对独到之处。

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(2010-2016年Mentor营业收入及增速情况)

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(2010-2016年Mentor净利润及增速情况)

Mentor公司为业界第三,虽然排行第三,但体量比前两家要小不少。

 Mentor在EDA厂商中始终占有一席之地的原因是其点工具做得非常好,比如Mentor的PCB设计工具,全面而且信号分析准确。比如ASIC流程中的Calibre在版图LVS,DRC中占有率超出其他两家,比如DFT工具DFTAdvisor在DFT工具中绝对占据优势地位。由于Synopys的销售策略,在DC销售时免费搭DFT compiler,对DFTAdvisor造成一定的市场冲击。

Mentor平台并非像前两家一样大而全,虽然点工具做的很精致,但在Synopsys、Cadence的竞争压力下,发展空间日渐狭小。

三大企业总体比较

04

EDA公司提供给IC公司的一般都是全套工具,因此EDA集成度高的公司产品更有优势。三巨头基本都能提供全套的芯片设计EAD解决方案。

  • Synopsys最全面,它的优势在于数字前端、数字后端和PT signoff。模拟前端的XA,数字前端的VCS,后端的sign-off tool,还有口碑极好的PT、DC和ICC功能都很强大。Synopsys有垄断市场90%的TCAD器件仿真和垄断50%的DFM工艺仿真,这是其在EDA产业竞争中的一把利器。
  • Cadence的强项在于模拟或混合信号的定制化电路和版图设计,功能很强大,PCB相对也较强,但是Signoff的工具偏弱。
  • Mentor Graphic在后端布局布线这块比较强,在PCB上也很有优势,它的优势是Calibre signoff和DFT,但Mentor Graphic在集成度上难以与前两家抗衡。

此外,除了卖license以外,EDA企业还可以提供IP授权(硬核和软核),这个对于很多中小规模的设计公司是很有吸引力的。授权的IP通常有memory,Serdes和Power management之类的研发成本或门槛相对较高的硬核。

  1. 目前Synopsys企业的IP业务全球排名第二;
  2. Cadence的IP业务销售额也在逐年增加;
  3. Mentor在IP业务上和Synopsys与Cadence几乎没有竞争力。

EDA

三大企业成功因素及未来展望

成功因素

01 高额的研发投入

Synopsys和Cadence一直重视新技术的开发,每年投入大比例资金用于研发,研发费用是公司最大的营运开支。尤其是Cadence公司,近两年研发支出占总营收的比例超过40%。
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(2010-2019年Synopsys与Cadence研发投入(百万美元)及占营业额的比重)

02 外延频繁并购

自1986年成立以来,Synopsys通过发起几十余项并购交易,不断寻找那些已经被市场证明成功的产品及其企业,通过滚动并购操作达到了扩大业务规模、进行技术整合的目的。

2002年,Synopsys以8.3亿美元收购与Cadence结束专利诉讼的Avanti公司,使得Synopsys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工具供应商,并在2008年超越Cadence成为全球最大的EDA工具厂商。

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(Synopsys部分重要收购情况)

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(Cadence部分重要收购情况)

Mentor Graphics自成立开始,就关注各细分市场的的佼佼者,一步步收购了多家在某些细分领域技术上数一数二的中小型EDA公司,从而实现了企业稳步发展成长的目的。

2016年11月14日西门子和Mentor Graphics(明导国际)联合发表声明,德国西门子将以每股37.25美元的价格收购美国EDA公司Mentor Graphics,总收购价格为45亿美元,价溢价21%。在收购Mentor后,西门子将增强在电子系统的设计、测试和仿真领域的软硬件实力。

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(Mentor Graphics部分重要收购情况)

03 政策扶持

美国在半导体产业发展中发挥着巨大的作用。目前,集成电路在摩尔定律的驱动下,面临物理和经济极限;拐点临近,电子技术的进步将进入下一创新阶段。在这种背景下,美国又一次走在了世界前列,推出了一项为期5年、总值15亿美元的电子复兴计划(ERI),用以支持芯片技术的开发。美国国会也增加了对ERI的投入,每年额外注资1.5亿美元。

DARPA推出ERI项目扶持芯片发展:2018年7月23-25日,DARPA为ERI计划召开了首次年度峰会,在会上,DARPA公布了2017年9月首批启动的6大项目合作研究团队,旨在扶持和培养在材料与集成、电路设计和系统架构三方面的创新性研究。

未来展望

随着IC设计复杂度的提升,新工艺的发展,EDA行业有非常大的发展空间,目前产业两大发展方向:云计算+EDA、人工智能+EDA。目前Cadence领先。

云计算+EDA

云技术的应用主要有三大优点:

  1. 快速部署可提高工程效率并加速项目完成;
  2. 通过灵活的解决方案和大规模可扩展的云就绪工具实现无痛采用;
  3. 经过验证的解决方案据有很好的安全性,被许多客户信赖和使用。

人工智能+EDA

芯片敏捷设计是未来发展的一个主要方向,深度学习等算法能够提高EDA软件的自主程度,提高IC设计效率,缩短芯片研发周期。

据Cadence的报告显示,机器学习在EDA的应用可以分为四个方面:数据快速提取模型;布局中的热点检测;布局和线路;电路仿真模型。Cadence致力于研究将机器学习应用在Virtuoso平台上,并参与了ERI中智能设计芯片项目。新思科技也在利用人工智能加速时序验证。

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END

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