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半导体最上游领域:EDA全景概述

IC产业链芯片核心竞争力是衡量当代一国信息科技发展水平核心指标,芯片产业链包括设计、制造、封装、测试、销售,其中芯片设计占据重中之重

IC产业链

 

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芯片核心竞争力是衡量当代一国信息科技发展水平核心指标,芯片产业链包括设计、制造、封装、测试、销售,其中芯片设计占据重中之重的地位,芯片核心实力重心也在芯片设计。TMT产业发展焦点的5G芯片、AI芯片,也是着眼于芯片设计,而芯片设计离不开芯片设计软件 EDA,其可谓是芯片产业链“任督二脉”。

 

 

芯片设计流程

 

芯片设计可分为前端和后端,前端主要负责逻辑实现,后端跟工艺紧密结合。前端技术主要将设计HDL编码转化为 netlist门级网表,并进行一系列的仿真、验证,使门级电路图从规格、时序、功能上符合要求;后端主要是将对门级电路图布局、布线,生成版图,同时对信号完整性、版图的合规性、工艺要求等进行验证。

 

 

EDA软件分类

 

EDA是广义CAD的一种,是细分的行业软件。EDA软件设计凝聚大量数学,图论,物理,材料,工艺等学科知识,实现电子产品的自动设计。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。经过几十年的发展,EDA工具也非常丰富,按照功能和使用场合,可以分为电路设计与仿真工具、PCB设计软件、IC设计软件、PLD设计工具等。

 

 

EDA是IC设计必需、也是最重要的集成电路软件设计工具,EDA产业是IC设计最上游的产业。经过几十年发展,从仿真、综合到版图,从前端到后端,从模拟到数字再到混合设计,以及后面的工艺制造等等,现代EDA工具几乎涵盖了IC设计的方方面面,具有的功能十分全面,可以粗略的划分为前端技术、后端技术和验证技术,各个技术之间有所重合。

 

 

对于芯片来说,好的布局和布线会节省面积,提高信号的完整性、稳定性,直接提高芯片的可靠性,所以EDA软件对于芯片设计至关重要。借助这个电子自动工具,工程师们就可以在电脑上对芯片设计的前后端技术和验证技术进行操作,帮助芯片更好地走线、验证和仿真。

 

EDA发展历程

 

何谓EDA?

 

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)的概念发展而来的。

 

EDA前世/胎动

 

在集成电路(IC)产业发展早期,芯片设计采用人工布线的方法,随着计算机进入商用阶段、芯片集成度提升,人工布线满足不了芯片设计的需求,CAD软件行业进入黄金时代,EDA也应运而生。1980年卡弗尔米德和琳康维发表论文《超大规模集成电路系统导论》,提出通过编程语言进行芯片设计的思想,被视为EDA发展到下一阶段的重要标志,1986和1987年两种硬件描述语言Verilog、VHDL应运而生,并成为最流行的高级抽象设计语言。

 

EDA历史沿革

 

1984年DAC举办了第一个以电子设计自动化为主题的销售展览,EDA在80年代开始真正起步,并逐渐开始商业化,并催生了Calma、ComputerVision、Applicon、Mentor Graphics、Daisy和Valid等公司。

 

 

国内EDA历史沿革

 

国内从上世纪八十年代中后期开始,就投入到EDA产业的研发当中。国内为了更好发展集成电路产业,在1986年开始研发我国自有集成电路计算机辅助设计系统——熊猫系统,并在攻坚多年之后,于1993年国产首套EDA熊猫系统问世。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,但在成长过程中,国内已出现多个EDA厂商萌芽。2008年,国内从事EDA研究的公司有华大电子、华天中汇、芯愿景、爱克赛利、圣景微、技业思、广立微和讯美等。此后十年发展,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。

 

EDA产业情况

 

EDA是集成电路产业领域内属于“小而精”的产业链环节。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。可是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。但与2017年IP核强劲增长相比,2018年IP核带来的收入显著下降,同比减少11.8%,这一下降部分源于第四季度IP供应商的会计和报告变化,并导致2018年第四季度EDA产业收入同比下降3.1%至2.57亿美元。全年来看,EDA产业收入略有增长,同比增长3.83%。

 

 

经过三十余年长足发展,目前全球EDA产业竞争格局主要由Cadence、Synopsys和西门子旗下的Mentor Graphics垄断,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。

 

 

EDA三巨头Synopsys、Cadence和MentorGraphics

 

EDA三巨头主要指EDA市场份额占据前三位的三家企业Synopsys、Cadence和被西门子收购的Mentor Graphics。

 

 

EDA三巨头基本发展状况

 

Synopsys(新思科技)成立于1986年,由Aart de Geus带领通用电气公司微电子研究中心的工程师团队创立,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。

 

 

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,致力于为客户提供电子设计自动化、软件、硬件以及解决方案等服务,旨在帮助其缩短将电子设备打入市场的时间和成本。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。

 

 

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,难以与其他两家公司竞争。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。

 

 

从股市表现来看,Synopsys和Cadence股价均稳步上升,当前Synopsys市值有204.5美元,市盈率47倍;Cadence市值有211.3亿美元,市盈率61倍。

 

 

EDA三巨头产品及客户

 

总体比较

 

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Sign off的工具偏弱。Mentor Graphic也是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。

 

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

 

 

各自特点

 

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)。

 

通过这两大产品Synopsys建立了完整的芯片ASIC设计FLOW包括,verilog仿真工具VCS,逻辑综合工具DC,物理布局布线工具ICC,形式验证工具formality,时序分析工具PT,参数提取工具STAR-RC,版图检查工具Hercules。DFT工具直接插入DC工具中,还有ATPG工具TetraMAX,可以说是集:广、大、全于一身。

 

 

Synopsys的EDA和IP客户通常是半导体和电子系统公司,Synopsys的解决方案帮助这些公司开发电子产品、降低设计和制造成本。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。

 

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。

 

 

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。但由于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。但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。

 

 

在华布局

 

Cadence是上述三家企业中在华布局进行最好的,1992,年Cadence进入中国大陆及香港市场,然后陆续建立了北京、上海、深圳、香港四个办事处以及北京研发中心、上海研发中心,Cadence在北京和上海都有R&D团队,进行数字和模拟方面的产品研发,包括现在新的与AI相关的产品都是在国内研发的。

 

2017年11月13日,Cadence与南京市浦口区人民政府正式签署战略合作备忘录以及投资协议,宣布在南京江北新区成立新本土化公司南京凯鼎电子科技有限公司。据CEO Lip-Bu Tan(陈立武)先生表示南京公司是Cadence IP方面对中国公司提供密切服务的第一步。Cadence与南京公司以后专注的方向是互补的:Cadence专注于尖端的技术和先进节点,而南京公司主攻成熟技术的需求。

 

Synopsys仅次于Cadence,自1995年进入中国市场以来,Synopsys已在北京、上海、深圳、西安、武汉、南京、厦门、香港、澳门九大城市设立机构,员工人数超1200人,建立了完善的技术研发和支持服务体系。2017年11月10日,Synopsys区域总部宣布落户南京江北新区。

 

Mentor中国总部设立于上海金茂大厦,分别在北京和深圳设有销售办公室。

 

EDA三巨头几乎在所有细分领域都有产品涉及,而EDA行业入门门槛高,成本弹性大,对性能依赖性强,其他的EDA公司若想突围十分困难。

 

 

EDA三巨头成功因素:内生、外延、国家政策扶持三管齐下

 

EDA企业若想保持核心竞争力需要靠技术支持,与其他高新技术企业相似,EDA企业获取技术优势的途径有:收购兼并其他企业的成熟技术、高研发投入和政府扶持。

 

内生:高额的研发投入

 

除大量收购有潜力的公司以外,Synopsys和Cadence还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%。

 

 

外延:频繁并购

 

经过多年的收购兼并以后,集成电路EDA领域只剩下了Synopsys、Cadence和Mentor这三个巨头。市场的影响力也日益集中。

 

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,和自由工具PC结合在一起整合为强大的ICC,直接衔接Synopsys前端和后端工具,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,公司坐稳第二的位置,并在2008年超越Cadence成为全球最大的EDA工具厂商。

 

 

Cadence公司的发展壮大,同样离不开一系列成功的收购。

 

 

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%。西门子方面表示,西门子的愿景是扩大客户基础,打造“数字化企业”所需的世界级完整软件解决方案,Mentor的整套EDA产品对于实现这一愿景至关重要。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。

 

政策扶持:DARPA推出ERI项目扶持芯片发展

 

纵观半导体产业发展的几十年,可以清晰看到美国在产业发展中的巨大作用。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。

 

ERI的目标是不再依赖摩尔定律的―等比例微缩‖道路,继续推进电子器件性能的大幅提升,保持美国的领先地位,满足国防部需求的同时推动半导体产业发展,被业界誉为将开启下一次电子革命。ERI计划将专注于开发用于电子设备的新材料,开发将电子设备集成到复杂电路中的新体系结构,以及进行软硬件设计上的创新。

 

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。

 

 

IDEA和POSH两个项目共同的目标是克服芯片设计日益复杂化和成本的问题。POSH项目的目标是创建一个开源的硅模块库,IDEA项目希望能够生成各种开源和商业工具,以实现自动测试这些模块,以及将其加入到SoC和印刷电路板中。两个项目将投入1亿美元,成为有史以来投资最大的EDA研究项目之一。EDA三巨头公司Cadence公司获得了第一批入围扶持项目中的最高资助额2410万美元用以IDEA项目研究,Synopsys在Posh项目的研发也获得610万美元的资金补助。

 

 

美国EDA巨头下一代技术发展前沿

 

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:人工智能、云计算等技术应用在EDA软件,目前Cadence领先。

 

云计算+EDA

 

2018年,Cadence推出了第一个能够广泛用于电子系统和半导体开发的广泛云产品组合——Cadence Cloud Portfolio。云技术的应用主要有三大优点:快速部署可提高工程效率并加速项目完成;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;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。

 


THE END
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