EDA行业深度报告：全定制IC设计研究框架

　　（报告出品方作者：中信证券，杨泽原、丁奇、马庆刘）
　　一全定制设计概述：追求精度、速度与功耗，应用于模拟射频等多个细分领域
　　1。全定制设计概述：追求精度与性能，人工参与程度高
　　设计方法比较：全定制（FullCustom）设计与半定制（SemiCustom）设计
　　全定制设计：从原理图设计到版图设计、测试设计，需要设计者人工完成全流程设计的多数工作，有利于优化精度、功耗、速度等指标，但设计要求高、周期长，设计成本昂贵。模拟数模混合、射频、存储、面板等领域一般采用全定制设计方法。半定制设计：运用预定义的单元库、门阵列、功能模块进行设计，设计成本较低、开发周期缩短，EDA工具辅助设计人员完成了较多工作。数字电路一般采用半定制设计方法。全定制设计流程：全定制设计可以划分为架构设计、原理图设计与仿真、版图设计与物理验证三个大环节，后两环节会用到较多的EDA工具。
　　1。1流程1原理图设计：初步实现芯片功能设计
　　原理图设计是指暂且不考虑电阻、电容等物理性质，用电路原理图的形式表述芯片功能。原理图设计可以分为顶层（Toplevel）设计与器件（Devicelevel）设计两个环节。顶层设计：将各模块（如放大器、滤波器等）连接成电路原理图，满足芯片功能要求；器件设计：对晶体管等元器件进行定制化设计，满足顶层设计中各模块的功能要求。原理图设计阶段仅涉及模块间的逻辑关系，暂不考虑电阻、电容等物理问题。
　　1。2场景1射频：定制化设计解决高频环境对芯片的影响
　　射频信号属于模拟信号的一个子类，与普通模拟芯片设计的区别在于，射频器件所处的高频环境会影响芯片的信号完整性，加大了芯片设计的难度。射频芯片与模拟芯片：射频芯片的设计与模拟芯片的设计方法基本一致。射频信号本质上是更高频的电磁信号，频率一般位于30KHz300GHz之间，而普通芯片处理的交流电频率在50Hz60Hz之间。射频芯片设计关注的重点：射频芯片主要应用在通信场景，更关注噪音、失真等干扰因素对芯片的影响。一方面，芯片的信号会受到各类噪音的干扰，其中包括晶体管和电阻带来的本征噪声，也包括电源、PCB等带来的外部噪声；另一方面，随着信号频率提高，射频芯片电路的物理性质将可能发生变化，产生一系列寄生效应。
　　1。3特点1：前后环节关联紧密，全流程解决方案占优
　　从设计流程角度看，全定制设计各环节之间关联紧密，具备全流程工具者更具优势。数字芯片vs模拟芯片：数字芯片设计是一个离散的过程，各个环节之间相对独立；模拟芯片设计是一个连续的过程，设计、仿真等环节之间存在重叠，可能出现模块的生成、布局与走线在同一阶段完成的情况；从EDA工具的角度看，全定制设计EDA产品间的交互关系也更为紧密。全流程解决方案能够充分发挥产品间的协同作用，是致力于全定制设计的EDA厂商的重点发力方向。
　　二、下游需求：覆盖下游近七成市场，EDA工具或占半壁江山
　　2。1整体规模：下游市场占比近七成，EDA工具或占半壁江山
　　全定制设计方法覆盖的半导体市场规模近4000亿美元，占比近七成。市场规模：据WSTS数据显示，2021年，全球半导体器件销售额5，559亿美元，其中逻辑电路销售额1，548亿美元，其他半导体销售额合计约4，011亿美元，占比约72。15；市场格局：行业集中度高。据ICInsights数据显示，2021年Top10占比达57。1，三星与英特尔占比分别达13。3与12。5。全定制设计EDA工具存在广阔下游市场空间。我们判断全定制类EDA工具占比EDA工具比例近半壁江山，其重要性不言而喻。
　　2。2技术方向1：高频信号对物理验证提出挑战
　　毫米波作为一种传输率高，带宽大，待用空间广的信号，适用于ARVR、自动驾驶等多个领域，毫米波芯片成为当前半导体行业的重点研究对象之一。市场情况：毫米波频率在30GHz300GHz之间，过去主要应用在相控阵等军用领域，随着5G通讯的发展，毫米波的民用市场被逐渐打开。2022年3月，华为发布首款毫米波AI超感传感器，4月，联发科与中华电信宣布合作打造5G毫米波芯片测试环境；设计挑战：随着信号频率的进一步提升，信号的寄生效应与串扰等问题将要求相应的仿真与验证技术进一步发展。在此背景下，当前全定制设计EDA的技术能力仍有较大的提升空间，对EDA工具也提出了新要求，带来更加广阔的市场空间。
　　三、产品对比：Cadence整体领先，国内龙头厂商能力接近
　　3。1整体格局：三大厂商产品能力位于第一梯队
　　Cadence、Synopsys与Mentor占据行业龙头地位，射频等细分领域存在局部领先厂商。Cadence：定制设计EDA领域的领导者，一体化的定制模拟混合信号前后端设计平台Virtuoso和仿真器Spectre系列市占率稳居第一；Synopsys：传统优势在数字芯片设计领域，自收购Avanti等公司后，不断补全模拟领域前后端产品能力，并推出Hspice仿真器等颇具竞争力的点工具；MentorGraphics：物理验证能力领先，但整体市占率相对较小，已被西门子收购。部分厂商在细分领域拥有相对较高的技术壁垒，包括射频领域的KeySight、ANSYS以及SILVACO等，PCB领域的Altium等。
　　3。2主要环节：设计平台、电路仿真、物理验证三大方向
　　全定制EDA工具覆盖原理图及版图设计、电路仿真、物理验证等主要环节，是验证EDA公司核心竞争力的三大重要方向。电路仿真工具用于验证电路能否正确实现其功能，物理验证工具用于验证版图的物理属性与几何参数，原理图与版图设计工具则同时也是集成仿真与验证功能的平台。
　　3。3设计平台：市场集中度高，Cadence占据先发优势
　　设计平台环节市场集中度相对较高，其中CadenceVirtuoso平台为全定制设计领域主流设计平台，拥有牢固的市场基础。当前全球主流的设计平台主要包括Cadence的Virtuoso以及Synopsys的CustomCompiler。在细分领域，AltiumDesigner（PCB）、KeySightPathwaveADS（射频）等也有一定的市场基础。
　　3。4电路仿真：不同领域市场格局存在差异
　　CadenceSpectre系列在模拟混合信号仿真中处于行业领导者的地位，在SPICE仿真工具中拥有最高的市场渗透率，但射频、光电等场景各有千秋。主流产品：海外主流仿真软件为Cadence的Spectre系列与Synopsys的PrimeSim系列。Cadence的Spectre仍为主流模拟混合信号仿真工具中的领导者。根据SodidoDesignAutomation（加拿大EDA公司）对北美芯片设计工程师（2015年317人，2016年246人）的问卷调查，CadenceSpectre是SPICE仿真工具中市场渗透率最高的品牌。在细分领域中，部分第二梯队厂商占据了相对优势。例如，射频领域主要使用的包括KeySightPathwave、ANSYSHFSS，光学领域应用较多的为ANSYSLumerical。
　　3。5物理验证：Calibre为市场主流物理验证套件
　　物理验证为对设计结果的最后复核，头部厂商均形成了成熟的物理验证套件，其中MentorGraphics的Calibre为市场主流产品。细分环节：物理验证环节本质上是对芯片设计约束的复核，检查芯片版图在技术、功能实现以及几何参数等方面是否符合设计要求。因而物理验证一般包括DRC、LVS、PEX以及可靠性、可制造性分析等多个子环节；市场格局：三家EDA龙头厂商已形成了较为全面的物理验证套件，其中Mentor的Calibre、Cadence的PVS以及Synopsys的StarRC等是物理验证环节主流的系列产品，Calibre拥有较高的市场占有率。
　　3。5。1物理验证DRCLVS：Calibre率先占据市场
　　CalibrenmDRC与nmLVS是全定制设计DRCLVS环节的行业标准工具。优势：Calibre在物理验证环节率先引入了Hierarchy方式，通过提取重复区域，形成无重叠的Hierarchy结构，大幅减少错误定位时间，在物理验证环节一直保持着较高的市占率。并研发了包括CalibrenmDRCRecon、3DSTACK等适用于各类场景的检查工具。劣势：相较于Cadence与Synopsys，Mentor缺乏Virtuoso、CustomCompiler等平台型设计工具，随着设计一致性要求的不断提高，Calibre的协同性相对弱于其他产品。
　　3。5。2物理验证重要评判因素：对下游工艺的紧密跟踪体现核心能力
　　物理验证本质上是根据晶圆厂提供的设计要求，对芯片设计结果进行检查。因而与晶圆厂的紧密合作，对下游工艺的紧密跟踪保证了物理验证工具的核心竞争力。Cadence、Synopsys以及Mentor均与晶圆厂紧密合作。如Calibre连续多年均获得台积电先进制程的工艺认证。通过对下游工艺的及时更新，龙头EDA厂商能保证其技术水平始终能够跟进市场最新需求。随着芯片进程不断压缩，芯片设计与验证的一致性要求也越来越高。拥有全流程解决方案的Cadence与Synopsys相对Mentor有相对优势。Cadence的Virtuoso作为设计平台能够集成各类自有与第三方的物理验证工具，包括Mentor的Calibre。
　　3。5。3物理验证国产机会：加强合作紧跟工艺，向数字等方向延展
　　国产头部厂商具备优势，有望加速实现向数字设计领域的业务外延及市场整合。国产格局：国产厂商中，物理验证环节市场参与者较多，主要产品包括Argus、概伦电子全定制设计平台NanoDesigner中的NDiDRCiLVS等。边界拓展：在物理验证环节，全定制设计与数字设计之间底层技术复用程度较高，国产全定制设计EDA中的物理验证工具或可拓展业务边界，打开更大市场空间。市场整合：当前国产市场中，一方面与全球顶级晶圆厂合作深度仍有待提升，另一方面，也少有EDA厂商拥有全流程的解决方案能力。因而，短期内，下游工艺要求或尚未对市场形成压力，但在长期内，随着制程工艺进一步升级以及国产市场逐渐走向饱和，技术与竞争压力将会导致国产市场出现新一轮的整合动作。
　　报告节选：
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　　精选报告来源：【未来智库】。