产业临距离丨第七期：推动集成电路进步：EDA工具的演化历程及市场分析

EDA被誉为“芯片之母”，是电子设计的基石产业。集成电路设计主要分为模拟电路设计和数字电路设计。模拟电路设计涉及到的是连续信号的处理，这要求设计师有深厚的物理和电子学知识基础，因为他们需要处理的是模拟世界中的各种变量和条件。模拟EDA工具通常用于模拟电路的设计、仿真和分析，以确保电路能够正确处理模拟信号。

数字电路设计则是基于逻辑电平处理信息，这些逻辑电平代表了二进制中的0和1。数字设计更多关注于逻辑功能的实现、数据处理和信息传输。数字EDA工具侧重于逻辑综合、时序分析、功耗分析和验证等方面，以确保数字电路能够高效、可靠地执行预定的数字操作。

随着技术的发展，EDA不仅仅局限于传统的数字或模拟电路设计，还扩展到了混合信号设计（同时包括数字和模拟电路）、射频设计、MEMS（微机电系统）设计等领域。EDA工具的不断进步，如采用更先进的算法和模型，云计算和大数据技术的应用，以及人工智能技术的融入，都在推动着电子设计自动化向更高效、更智能的方向发展。



EDA（电子设计自动化）的发展历程反映了集成电路设计领域技术进步的脚步，以及设计复杂性管理方法的演化。从早期的手工设计到计算机辅助设计（CAD），再到计算机辅助工程（CAED），最终发展为今天的高度自动化的EDA工具，这一过程不仅展示了技术的进步，也突显了设计需求的不断提升和解决方案的创新。

1970年代

计算机辅助设计（CAD）阶段

特点：集成电路设计人员开始利用计算机进行电路图的输入、布局和布线，这是EDA最初的形式。

背景：随着集成电路工艺的进步，集成度提高，手工设计变得越来越困难。

技术：出现了许多二维CAD、三维系统分析与设计（SAD）软件，标志着电子设计自动化的初步尝试。

1980年代

计算机辅助工程（CAED）阶段

特点：芯片设计复杂性的增加导致设计师开始通过编程语言设计和验证电路，然后利用逻辑综合工具转化为底层物理设计。

进展：CAE软件允许设计师对潜在的设计错误进行提前预测，优化设计流程。

成果：到80年代后期，EDA工具已能够进行设计描述、综合与优化和设计结果验证，大大提高了设计效率和准确性。

1990年代以后

电子设计自动化（EDA）阶段

变革：随着半导体行业进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数十亿个晶体管，传统CAD和CAED软件已不能满足新的设计需求。

特点：EDA工具以高级语言描述、系统及仿真和综合技术为特点，涵盖集成电路设计的全流程。

成就：EDA软件的使用大大缩短了设计周期、降低了设计成本，并提高了设计的准确性和可靠性。

21世纪以来

快速发展阶段

发展：EDA工具不断进化，引入了更先进的算法、云计算、大数据分析和人工智能技术，以应对日益增长的设计复杂性和市场需求。

影响：EDA工具的发展不仅推动了微电子技术的进步，也促进了相关行业的创新，比如5G、物联网（IoT）、自动驾驶汽车和智能设备等领域的发展。

总的来说，EDA的发展历程是电子工业技术进步和市场需求演化的直接反映，它持续地推动着集成电路设计的界限，使得更加复杂和功能强大的电子设备成为可能。



01. 数字电路设计

数字电路设计领域的发展显著受益于从传统的自底向上方法向自顶向下设计方法的转变，这一变化由电子设计自动化（EDA）技术的进步所驱动。在自底向上的方法中，设计师从最基本的电路元件出发，逐步构建出更大的功能模块，直到形成完整的系统。尽管这种方法在早期设计中被广泛采用，但它的主要缺陷是对于任何顶层设计的修改都可能导致整个设计过程的重新开始。

随着EDA工具的快速发展，自顶向下的设计方法成为可能并逐渐流行。这种方法以系统的最高逻辑层次作为起点，通过高级硬件描述语言（如VHDL或Verilog）对系统功能进行描述，然后将顶层模块分解成更小的子模块，直至达到底层物理设计，实现了从抽象描述到物理实现的顺畅转换。自顶向下的方法不仅加快了设计周期，减少了返工风险，还提高了设计的灵活性和可管理性。通过这种方法，EDA工具能够支持从系统行为描述到模块分解、RTL模型建立、逻辑综合，最后到物理布局与布线的全过程，极大地提升了数字电路设计的效率和准确性，标志着半导体设计领域一个重大的技术进步。



02. 模拟电路设计

模拟芯片设计，尤其聚焦于电源管理芯片和信号链芯片，遵循一个综合的设计流程，该流程深度依赖电子设计自动化（EDA）工具以确保设计的高效性和准确性。这一流程起始于电路的结构设计，随后进入到版图设计，最终完成功能和物理验证。核心环节包括原理图的编辑，电路的仿真测试，版图的编辑，以及对设计完成的电路进行物理验证。在此过程中，寄生参数的提取和可靠性分析也是不可或缺的步骤，它们帮助确保电路在实际应用中的性能和稳定性。

每个环节都紧密依赖特定的EDA工具，包括用于编辑原理图和版图的工具，电路仿真工具用于模拟电路行为，物理验证工具确保设计符合制造要求，寄生参数提取工具和可靠性分析工具进一步验证电路的实际表现。这些工具的综合使用，使得模拟电路设计过程既高效又准确，保证了芯片在最终生产前的设计质量。

03. 平板电路设计

平板显示设计领域的EDA工具专为面板制造商设计，其设计流程在很多方面与模拟集成电路设计流程相似，包括电路原理图设计、布图设计、电路仿真、电路布图寄生参数提取以及电路设计验证等关键步骤。尽管共享了基础的设计框架，平板显示电路设计还是拥有其独特的流程和方法，这些特别的需求来源于平板显示技术的特殊性，如其对电路的布局和物理属性有特定的要求。

正如集成电路设计一样，EDA工具在平板显示电路设计中发挥着不可或缺的作用，提供了一系列专业化的工具来支持电路的设计和验证，确保设计符合高精度和高性能的要求。通过使用这些EDA工具，面板制造商可以优化设计流程，提高设计效率和准确性，最终实现高质量的平板显示产品。



04. 晶圆制造

EDA技术的应用范围远远超越了芯片设计环节，它还广泛应用于晶圆制造过程，成为连接集成电路设计和制造两大环节的重要桥梁和纽带。在半导体工艺平台的开发阶段，晶圆制造厂需要完成半导体器件与制造工艺的设计。这一过程依赖于EDA工具来建立精确的器件模型、生成过程设计套件（PDK）以及集成电路设计的IP和标准单元库。

此外，在晶圆制造的各个阶段，如光刻计算和良率提升，也需借助EDA中的大数据软件工具来实现优化和效率提升。晶圆制造所用的EDA工具包括器件模型提取工具、工艺及器件仿真（TCAD）、PDK开发与验证、计算光刻、掩膜板校准、掩膜板合成以及良率分析等，这些工具共同支持晶圆厂在制造过程中实现高精度、高效率的生产目标。



全球集成电路（IC）行业的市场规模近年来呈现出稳定的增长态势，而中国市场的增速则显著超过了全球平均水平，体现了中国在全球半导体产业中日益增强的影响力和竞争力。根据世界半导体贸易统计协会（WSTS）的数据，全球集成电路行业的销售额从2012年的2382亿美元增长至2020年的3612亿美元，年复合增长率（CAGR）达到了7.98%。这一增长反映了电子通信等下游市场的扩张以及技术进步对集成电路需求的持续推动。



全球集成电路行业市场规模平稳增长

中国集成电路行业的快速发展得益于国内外市场需求的增长、国家政策的有力支持以及行业自身技术能力的提升。根据中国半导体行业协会的统计，2021年中国集成电路产业的销售额首次突破万亿元人民币大关，达到相较于2012年的2158亿元人民币，展现出了19.17%的惊人CAGR。这一显著的增长速度不仅标志着中国在全球半导体产业中的地位越来越重要，也反映了中国集成电路产业在技术创新、产业链整合、市场拓展等方面取得的显著进步。

中国集成电路产业的快速增长，既是全球半导体产业格局变化的重要表现，也是中国科技实力不断增强的重要体现。未来，随着国内外市场需求的进一步增长、技术创新的持续推进以及产业政策的进一步落实，中国集成电路产业有望继续保持快速发展态势，为全球半导体产业的发展贡献更大的力量。



中国集成电路行业市场规模增速更高



随着集成电路（IC）市场规模的不断扩大和技术迭代的快速发展，全球电子设计自动化（EDA）市场也在稳步增长之中。EDA工具的重要性随着集成电路设计复杂度的提升而日益凸显，成为了集成电路设计、验证、制造等各个环节中不可或缺的技术支持。EDA市场的发展与集成电路产业的繁荣密切相关，反映了半导体技术进步对高效、高精度设计工具的需求增加。

据SEMI统计，2020年全球EDA市场规模达到114.67亿美元，同比增长了11.63%，显示出集成电路行业对EDA工具的强劲需求和EDA行业的健康发展态势。进一步地，Mordor Intelligence的数据预测，到2028年，全球EDA市场规模将达到245.2亿美元，预计在2023到2028年间，年复合增长率（CAGR）将达到8.46%。这一预测不仅体现了EDA行业未来几年的增长潜力，也反映了集成电路设计复杂度提升和技术创新速度加快对EDA工具日益增长的需求。

随着更多的高性能计算、物联网（IoT）、5G通信和人工智能（AI）等应用的兴起，集成电路的设计和生产对精度和效率的要求更高，这进一步推动了EDA工具的创新和发展。因此，全球EDA市场的持续增长不仅是集成电路行业发展的反映，也是推动未来电子技术创新和应用拓展的关键因素。



全球EDA行业市场规模及预测

中国集成电路产业的快速发展为国内电子设计自动化（EDA）行业带来了前所未有的发展机遇。随着国家对半导体产业的重点支持和全球集成电路市场需求的持续增长，中国EDA行业正迎来快速增长期。根据中国半导体行业协会的数据，从2016年到2020年，中国EDA行业市场规模从57.4亿元增长至93.1亿元，年复合增长率（CAGR）达到了12.85%。这一增长速度体现了中国集成电路设计需求的快速增加以及国内EDA工具的日益成熟和广泛应用。

进一步地，中国半导体行业协会预测，到2025年，中国EDA行业市场规模将达到185亿元，预计在2020年到2025年期间，年复合增长率（CAGR）将达到14.7%。这一预期反映了中国集成电路产业对EDA工具日益增长的需求，以及国内EDA产业在技术创新和服务能力上的快速提升。随着国家在技术研发、产业链建设和市场扩展等方面的进一步投入，以及5G、人工智能、物联网等新兴技术对高精度集成电路设计需求的推动，中国EDA行业有望持续保持快速发展态势，为中国乃至全球的集成电路设计与制造提供更为强大的技术支持和服务。



国内EDA行业市场规模快速攀升



在全球电子设计自动化（EDA）领域，市场高度集中，主要被三家巨头公司控制：Synopsys、Cadence Design Systems和Siemens EDA（前Mentor Graphics），它们共占据了全球市场的大约80%份额。这种集中度的背后是这些公司多年来在技术、市场策略和全球布局上的积极努力。

首先，Synopsys，自1986年成立以来，已经成长为全球最大的EDA公司，以约30%的市场份额领先于其它竞争对手。该公司以其逻辑综合工具DC和时序分析工具PT闻名于世，几乎占据了这一市场细分领域的垄断地位。Synopsys的成功在于其不断推动技术创新和广泛的产品组合，确保了其在复杂芯片设计领域的领导地位。最近，Synopsys宣布以350亿美元收购工业软件公司Ansys，这一战略举措预计将进一步加强其在市场上的主导地位，通过整合Ansys在仿真领域的深厚技术和经验，扩大其在EDA及相关市场的影响力。



其次，Cadence Design Systems，自1988年由SDA Systems和ECAD, Inc.合并成立以来，已经发展成为EDA行业的第二大公司。Cadence提供从系统设计到最终生产的全流程解决方案，特别是在模拟和混合信号设计、版图设计以及PCB设计等方面具有强大的竞争力。通过持续的技术创新和一系列战略收购，Cadence不仅保持了其在核心EDA领域的竞争力，还成功扩展到了系统级设计和验证领域，提供了更为全面的产品和服务。



最后，Siemens EDA，原名Mentor Graphics，在2016年被西门子收购，成为其数字化工业软件部门的一部分。尽管在整体EDA市场中的份额较小，Siemens EDA在PCB设计工具和信号完整性分析等特定领域保持了显著的竞争优势。Siemens EDA的成功策略在于专注于其强项领域，提供高质量的解决方案，并通过西门子这一全球技术巨头的支持，进一步加强其在工业和电子市场中的地位。



在国内的电子设计自动化（EDA）领域，虽然相较于国际巨头存在一定的发展差距，但华大九天、概伦电子和广立微等企业已经展现出强劲的成长势头和显著的技术进步，共同推动着中国EDA行业的发展。

华大九天

华大九天，作为国内规模最大且产品线最为完整的EDA软件供应商，其前身是1986年起步的北京集成电路设计中心。通过对国内第一套EDA工具——熊猫系统的技术、产品、团队和市场积累，华大九天继承并发展成为国产EDA的龙头企业。公司目前主要提供模拟电路设计、数字电路设计、平板显示电路设计全流程EDA工具系统，以及晶圆制造EDA工具，涵盖从原理图编辑、电路仿真、版图编辑到物理验证等全方位的设计验证流程。



概伦电子

概伦电子，成立于2010年，通过2019年对博达微的收购，不仅开创了国内EDA行业规模并购的先河，也使得概伦电子在半导体测试和制造EDA领域占据领先地位。公司的产品主要聚焦于存储芯片EDA和制造类EDA工具，包括用于器件建模验证的制造类EDA工具、电路仿真及验证的设计类EDA工具、半导体器件特性测试仪器和半导体工程服务等，致力于提升半导体设计与制造的效率和准确性。



广立微

广立微，自2003年创立以来，专注于集成电路成品率提升领域，主要服务于芯片加工厂商，专攻芯片成品率提升和电性测试的快速监控技术。通过提供EDA软件、WAT测试设备以及成品率提升技术服务，广立微帮助晶圆厂缩短研发周期，提高生产效率和成品率。



这三家公司在各自的专业领域内展现出了卓越的技术能力和市场竞争力，代表着国内EDA行业的发展前沿。华大九天以全流程产品覆盖为特点，概伦电子通过并购博达微强化其在半导体测试和制造EDA领域的竞争力，而广立微则在芯片成品率提升领域发挥其专长。   

  

此外，还有诸如芯禾科技、国微思尔芯、芯华章和芯和半导体等专注于EDA细分领域的企业，共同构成了国内EDA行业多元化且专业化的竞争格局。



中国的EDA企业正在用三分之一、五分之一的资源，通过十分之一的时间，去完成国外同等水平要很长时间才能完成的一件事，这对中国EDA创业者而言是一个巨大挑战。临方投资结合行业实践，建议从以下几个维度进行破局。

1、加强国内EDA人才的培养

目前，国内从事IC产业的研发人员缺口较大。可以在高校试点设置EDA专业，以培养EDA领域工程硕士或者工程博士为目标，产学研相结合，解决人才缺口和实际的工程问题。   

2、鼓励国内相关公司自建EDA团队

普通的EDA工具或者商业化的EDA工具，很难满足先进工艺的开发或者特殊电路的设计。建议国内销售额在100亿元人民币以上的IC企业可以考虑逐步建立自己的EDA团队，初期以补充商业化EDA工具的局部不完善的功能为主，后续可以逐步考虑在关键的功能和特殊的应用上，开发出别人不具备的工具来，从而可以带动工艺研发水平，甚至超越同类公司的领先水平。

3、EDA企业与IC设计企业合作共赢   

目前，国内一千多家IC设计企业中，绝大多数都是中小设计企业，他们没有足够的资金来采购EDA软件工具。可以采用“license股权化或债权化”的思路，国家IC大基金也可以建立EDA License股权基金奖励，如一个IC设计公司出让0.1%的股份给EDA公司，则这个基金等比例出资给该IC设计公司，助力实现EDA企业与IC企业的合作共赢。

相对于国外成熟市场竞争情况，国内EDA行业目前仍存在竞争分散、上下游联系分散、不适配最新制造路线等情况，未来存在行业整合、公司收购等机会。

随着芯片行业的越发火热，在政策扶持与“国家集成电路产业投资基金”等金融资本助推下，国内EDA行业正在迎来“最好的时代”。未来，临方投资也拟通过基金设立、项目投资等方式，助力EDA行业发展。相信在不久的将来，我国EDA行业将实现发展破局，并在大国竞争中为我国集成电路产业贡献更大力量。

文章来源：临方投资业务二部





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