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被美国部分限制出口的EDA技术,国产化之路走到了哪里?

21世纪经济报道记者骆轶琪 广州报道 在快速迭代升级的半导体市场,越是偏上游产业环节,其前沿性发展和生态聚合力…

21世纪经济报道记者骆轶琪 广州报道

在快速迭代升级的半导体市场,越是偏上游产业环节,其前沿性发展和生态聚合力正显得愈发重要。

诸如近日美国商务部工业安全局(BIS)发布对出口管制的技术文件就提及一项:专为用于开发具有任何GAAFET结构的集成电路计算机辅助电子设计ECAD/EDA软件。

EDA被称为“芯片之母”,是一个公认市场规模本身不大,但却能撬动半导体后续环节的关键“杠杆”。

被美国部分限制出口的EDA技术,国产化之路走到了哪里?插图

(EDA在数字经济行业处在核心撬动位置,图源:民生证券研报)

该领域也备受资本市场和地方政府重视。近两年来,陆续有国内EDA细分领域深耕公司走向上市或积极参与融资,而包括上海、广州、珠海、合肥、杭州等城市都在相关集成电路文件中提到对EDA不同层面的支持。

当然,从发展时限来说,国内相关公司在EDA领域的起步并不算晚,但后续发力偏晚。这导致目前海外大厂依然在国内占据了近乎垄断的市场份额,从业务覆盖面来说,海外大厂的积累更久远、生态聚合也更成熟。

在半导体生态积极联动的环境下,虽然下游终端电子市场出现较为明显两极分化态势,但EDA这类上游公司依然实现了业绩稳定增长,这显示出行业上游成长的确定性、抗风险能力。

(国内主要EDA上市公司2022年上半年主要业绩表现,均保持较高增势。图源:Wind)

多名业内人士向21世纪经济报道记者分析,目前美国的举措短期内并不会对中国EDA公司带来太大影响,因为国内目前还没有发展到GAAFET技术路线阶段。但长远还需要进一步观察。

同时,虽然海外三大EDA巨头在此前多年通过收并购完成了今天的地位跃迁,但放在中国市场则不同往日。国内厂商目前多聚焦在细分领域发展,还需要进一步夯实能力边界,以点工具为突破口,打开新空间。

“芯片之母”

作为一个重要的软件工具,“芯片之母”对于芯片行业的意义到底是什么?

云岫资本李俊超博士向记者描述道,EDA的核心作用在于,倘若把芯片设计类比为盖房子,那么对这个“房子”要设计几间卧室、几个厅,不同房间什么功能,这些需求汇集到一张图纸上,就是EDA完成的主要工作,后续则将这个“图纸”交给晶圆厂把房子“建造”出来。

其中相对重要的就是对全流程设计能力的掌握。举例来说,相对复杂的数字芯片一般分为前端设计和后端设计,前端部分主要涉及对“房间”功能的定义,后端部分则是对“房间”之间的能力如何连接(如走廊、水电设计)等进行设定。“尽量全流程能力都覆盖,才容易在客户端占有一席之地。”他续称。

从芯片类型看,模拟芯片的EDA从流程和复杂性来说相对简单,数字芯片则相对复杂;从应用环节看,设计类EDA面向的市场规模会高于制造类EDA。

查阅国内EDA公司的招股书可发现,目前能够实现模拟电路设计全流程工具覆盖的是华大九天,但在数字芯片方面,国产厂商还有不小拓展空间。当然,发展路线并无好坏,不同EDA公司选择的路径不尽相同。

李俊超就认为,由于数字芯片设计的前端和后端相对独立,那么国内EDA公司在拓展能力边界过程中,率先实现数字芯片前端流程覆盖,或后端流程全覆盖,会是更适宜的发展路线。

针对发展模式,概伦电子在招股书中提到,“全球范围内EDA公司存在两种不同的发展特点:优先重点突破关键环节核心EDA工具,在其多个核心优势产品得到国际领先客户验证并形成国际领先地位后,针对特定设计应用领域推出具有国际市场竞争力的关键流程解决方案;或优先重点突破部分设计应用形成全流程解决方案,然后逐步提升全流程解决方案中各关键环节核心EDA工具的国际市场竞争力。”

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(全球EDA行业简要格局,图源:华大九天招股书)

从标的来说,这两种不同路径对应的公司,前者典型有概伦电子和广立微,概伦电子覆盖的具体环节为,制造环节工艺平台开发阶段的器件模型建模验证工具和设计环节模拟电路EDA中的电路仿真与验证工具;广立微目前已经实现在集成电路成品率提升领域的全流程覆盖,未来将从制造端向设计端延伸;后者典型则是华大九天,主要覆盖模拟电路设计全流程、平板显示电路设计全流程,同时还涉足部分数字电路设计和晶圆制造环节。

头豹研究院TMT行业高级分析师王品臻向记者补充道,“在数字电路 EDA领域目前国内厂商也已有布局:在前端设计领域有芯华章、若贝电子、上海阿卡思、国微思尔芯等公司;后端设计领域有国微思尔芯与行芯等公司布局;华大九天也在招股书中披露,目前公司在数字电路EDA领域仅覆盖数字电路设计的部分流程,尚未实现全流程工具覆盖,IPO募投也将用于提升数字电路设计领域的工具覆盖率。目前绝大部分公司提供的都是点工具,全链路的覆盖仍需发展。

概伦电子在招股书中分析了这种格局的背景,“面对国际EDA巨头超过30年的发展历史和长期以来各自年均十亿美元左右的研发投入与数千人的研发团队的不断研发创新和生态壁垒,在较短时间内只能首先针对中低端的部分芯片设计形成全流程覆盖,然后通过长时间的持续投入和市场引导逐渐形成市场竞争力。

产业竞合

回看此次美国部分限制出口的技术涉及GAAFET路线。李俊超向21世纪经济报道记者分析,从硅基的发展路线看,理论上说,GAAFET路线适用于3nm以下工艺制程,目前三星已经在应用,台积电尚且还在使用FinFET结构。“长期看,美国的核心思路是卡住往前的发展路线,因此对未来发展的影响还有待观察。”

王品臻则向记者表示,在目前常见的芯片制程中,FinFET仍为主流。所以目前来看影响不大,如果限制继续,对未来的高端芯片会产生一定影响。

“根据国际器件和系统路线图(IRDS)规划,2021开始, FinFET结构将逐步被GAAFET结构所取代, 所以说GAAFET结构路线是大势所趋。倘若继续受这些限制影响,确实也将影响到台积电将来2nm后对中国厂商的晶圆供货。”他进一部分析。

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(全球前五大EDA公司市场份额,2018-2020年期间前三大巨头近乎占据垄断地位,图源:华大九天招股书)

无论外部影响几何,对于产业本身来说,正因为身处类似衔接功能的环节,EDA公司的发展,与生态的相互融合更加重要。

李俊超向记者指出,对于EDA公司来说,随着技术向前演进,下一代的技术路线如何搭建,核心需要与头部的芯片设计公司和晶圆厂共同沟通达成推进的目的。

换句话说,这也意味着产业生态联动的重要性。目前国内EDA公司的起步虽早,但经历过一段时间被海外厂商的冲击而停滞时期,因此与海外头部厂商之间还存在一定差距。那么中国EDA公司的发展,就需要积极与国内相关头部生态公司的紧密联动和实践。

王品臻有类似逻辑。他分析认为,EDA厂商竞争的关键因素主要有三点:底层技术积累,算法实现能力,产品的完备性。

举例来说,在EDA工具里内嵌了大量引擎,需要对芯片模型进行处理,其中涉及如半导体材料学、量子力学等底层技术的应用理解等,这将影响EDA实现的工艺精度。而在设计模拟的仿真器及数字的后端布局布线工具时,算法的好坏和实现差异,是决定用户体验和EDA工具质量的关键要素。

王品臻指出,相比海外头部厂商,国内EDA公司目前的差距主要表现在工艺方面。“在先进工艺方面,国外三巨头长期深度绑定头部代工厂,国内的EDA厂商机会较少,因此在高端芯片方面较为落后。考虑到美国未来可能会收紧限制范围,本土IC设计企业一定会有提升本土EDA工具的考虑,以保障自身供应链安全,这将加速EDA领域的国产化进程,进而推动缩小与国际EDA厂商的差距。”

新机遇

从历史发展路径看,全球头部的三家EDA公司虽发展历程不同,但都经历了不断向外收并购进行扩张,一定程度促成今天头部地位的过程。

不过反观国内厂商,李俊超认为,此前头部公司的扩张行为,多基于公司彼时产品和客户状况稳定,通过收购可以扩大能力边界。但目前国内厂商还尚未发展到如此阶段,多数公司都处在发展期,需要待走到一定成熟阶段后,比如数字芯片EDA领域出现上市公司,方可考虑后续的外延收并购动作。

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(全球EDA三巨头历史上通过收并购实现快速成长,图源:民生证券研究院)

据他回顾,20世纪90年代,芯片产业大分工模式刚刚开启,EDA产业的发展路径尚未定型。彼时新思科技通过设计一个逻辑综合工具,打通了数字芯片前端和后端的衔接,由此打通了全流程EDA能力覆盖而成就如今的行业头部位置。

但目前芯片设计流程和工具都基本定型,导致EDA行业的发展也难再有较大变化。处在后发位置的国内厂商,需要加速从精度、到覆盖环节、到高制程能力等方面进行追赶。

民生电子则指出,从前端设计(逻辑实现)-前端仿真/验证-后端设计(物理实现)-后端验证/仿真-流片的全流程设计平台基本被国际巨头垄断,护城河很深。国产EDA进入壁垒较大,机会在于以点工具为突破口,由点及面逐步发展。

该机构以华大九天为例,其以模拟电路仿真软件为突破口,将IC领域的全流程设计支持技术迁移到液晶面板设计全流程,随着中国液晶面板的崛起,同步占领市场,随后逐步过渡到模拟全流程等软件的发展。“这种以点工具为切入点寻找新发展机会的模式,可以帮助国产EDA寻找新的突破口,打开新的市场空间。”民生电子表示。

而随着摩尔定律走向失效,市场也在呼唤新的技术路线,以应对更高成本的迭代路径,典型如Chiplet,这对EDA行业同样带来新改变机会。

王品臻解释道,Chiplet下,更多异构芯片和各类总线的加入,整个过程将会变得更加复杂,对EDA工具也提出了新要求。“Chiplet的思想是将不同的小芯粒通过先进封装形成系统芯片。因此首先EDA工具需要在芯片互联接口的标准化方面进行改进;其次是可扩展性,Chiplet下芯片设计工程师需要同时对多个芯粒进行布局和验证。”

李俊超则向记者分析,由于Chiplet需要采用堆叠方式进行设计,那么将十分考验散热能力。对于EDA工具的要求就在于,如何保障不同Chiplet间堆叠后产生的热度不会损坏芯片。

相比之下,头部EDA公司可能会略早发现这些挑战,不过由于行业都还在对此探索,因此不会有太大差距。

“采用Chiplet这种对制程没有太高要求的方式,核心需要做好堆叠相关能力和挑战,研究清楚就更容易在这方面达到全球领先水平。”他续称,这就类似于回归到相对成熟的制程技术比拼,国内在该领域还有追赶机会,由此缩短Chiplet相关EDA能力的差距。

在他看来,在Chiplet领域EDA的发展进程,可以类比为前述20世纪末期芯片产业分工尚未完成时,EDA行业面临新环境的状况。

“从Chiplet角度看,全球都处在同样水平线竞争,标准还没完全确定,就看谁提出的基础能力和标准更适用,谁能够以此进一步推向全球。从这个角度说,Chiplet是难得国内和海外公司共同推进生态、制定标准的发展进程。”李俊超指出,因此目前还看不到谁能有在Chiplet领域“一统天下”的路线,因此对中国厂商来说是一个机会。当然,走向更高制程的芯片阶段是必然趋势,因此国内对此也需要继续追赶。

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作者: 小蜗牛

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