（原标题：国泰君安：推动整合、协同发展，实现半导体EDA软件与设备的“自主可控”）

  2021年是“十四五”开局之年。“十四五”时期对我国产业链、供应链提出了“自主可控、安全高效”的新要求。EDA软件与半导体设备在半导体产业中具有基础性、决定性作用，对确保我国半导体产业链的安全具备极其重大意义。

  EDA软件是芯片设计等环节的电子设计自动化软件，被认为是芯片设计环节的创新之源。2019年，全球EDA软件规模达102.7亿美元，市场由国际三巨头Synopsys、Cadence和Mentor Graphic垄断。国内EDA企业目前实现多点突破，华大九天、芯华章、概伦电子、全芯智造初步具备提供系统化产品、服务的能力。参考国际三巨头的发展历史，并购整合将会是国内EDA公司发展壮大的可选途径。

  半导体设备是指用于芯片制造全流程的设备，被认为是半导体芯片制造的基础和核心。2020年，全球半导体设备市场规模预计约689亿美元。海外半导体设备巨头大多分布在美国、日本、欧洲，在细致划分领域高度集中的垄断格局。2020年，中国大陆成为全世界最大的半导体设备市场，但我国半导体设备较大程度上被美欧日的公司垄断，我国半导体设备产业与海外企业存在较大差距。北方华创、中微公司、盛美股份、芯源微、华海清科、沈阳拓荆、中科飞测、上海精测电子等企业已为长江存储、华虹、中芯等国内客户供货，实现对部分设备的国产替代。对标国际龙头的发展策略，国内企业应通过强化与下游客户的合作、构建相互嵌合的生态体系，以及横向并购、丰富产品谱系的方式不断做大做强。

  EDA简介：设计环节的基石。EDA（Electronic Design Automation）是指应用于芯片设计等环节的电子设计自动化软件，是现代电子、集成电路设计技术的核心。在进行集成电路（或称IC、芯片）设计时，工程师会用程式码规划芯片的功能，再通过EDA工具将程式码转换成实际的电路设计图。EDA是芯片设计最上游、最基础的产业，同时也是我国芯片产业中极为薄弱的环节。

  EDA，面向集成电路行业的“工业软件”。EDA软件的本质是一种工业软件，其目的是为了提升集成电路设计能力、加快设计自动化程度、提升效率。EDA软件是20世纪90年代初从计算机辅助设计（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。经过几十年发展，EDA软件目前几乎涵盖了从仿真、综合到版图，从模拟到数字再到混合设计等IC设计的方方面面，EDA软件已成为IC设计中必不可少的基础工具。

  按照功能和应用领域分类，EDA工具可分为电路设计与仿真工具、PCB设计、芯片设计、PLB设计工具等。其中，在芯片设计方面，根据芯片设计所处阶段的不同，EDA工具通常可以分为前端和后端。由于模拟芯片和数字芯片在设计流程和设计方法上存在差异，相关的EDA软件又可分为针对模拟、数字芯片设计相关的EDA工具。在芯片的前端设计环节，主要负责芯片功能的逻辑实现，包含了芯片规格的制定、芯片的详细设计、仿真验证、逻辑综合、静态时序分析（SAT）等。在芯片的后端设计环节中，主要与芯片制造工艺结合，包含了可测性设计、布局规划、时钟树综合、布线优化等。

  伴随芯片行业的快速发展，EDA市场规模不断提高。据ESD Alliance的数据，2019年全球EDA软件规模首次超过100亿美元，达到102.7亿美元。2020年1-9月，全球EDA软件市场规模为84.4亿美元，同比增长10.3%，预计2020全年将超过110亿元。

  全球EDA软件供应者主要是国际三巨头Synopsys（新思科技）、Cadence（楷登电子）和Mentor Graphic（明导国际），三大EDA企业占全球市场的份额超过60%。在国内市场，海外三大厂商的优势更为明显。据前瞻产业研究院数据显示，2019年国内市场规模约5.4亿美元，海外三大厂商Synopsys、Cadence、Mentor合计占有国内95%的市场份额，留给其他EDA厂商的市场空间非常有限。

  对于新进入者来讲，EDA行业具有技术、市场规模、用户、生态“四大壁垒”。在技术壁垒方面，经过四十余年的发展，现代集成电路的复杂度已有了空前的提高，目前一枚高端芯片中所包含的晶体管数量已达到百亿量级。同时，芯片制造工艺的提高，对芯片设计提出了新的挑战，例如在5nm、7nm等先进工艺下，芯片的电气参数将发生显著变化，如何对芯片进行模拟和仿真，成为EDA软件必须要解决的问题。芯片的复杂度提升、新制造工艺的出现，使得EDA软件的门槛越来越高，缺乏相关开发经验的后来者越来越难以在市场竞争中立足。

  在市场规模壁垒方面，由于EDA软件处于整个半导体、微电子产业的最前端，市场规模虽已经超过100亿美元，但与集成电路产业的整体规模相比还非常小。特别是在2000年以后，海外三大厂商Synopsys、Cadence、Mentor垄断的格局基本形成后，有限的市场空间成为限制新进入者发展的重要因素。

  在用户壁垒方面，同其他软件一样，用户习惯成为新进入者所不可避免的障碍。作为芯片设计环节必不可少的工具软件，芯片设计厂商、工程师对已有成熟软件的依赖、切换到新软件所付出的学习成本都成为下游客户不愿尝试新EDA软件的重要因素。同时，由于芯片设计环节较多、流程复杂，看重厂商提供连续覆盖多环节的EDA“工具包”、“工具链条”的能力，而这往往是只在某一领域实现“点突破”的新进入者的弱势。

  在生态壁垒方面，领先的EDA厂商往往通过与IP核厂商、代工厂深化合作，构建互相嵌合的生态结构。通过新EDA、新IP、新制造工艺的互为支持、共同发展，进一步把握芯片的发展方向，杜绝后来者赶超的可能性，构建生态壁垒。

  与国际同步，国内EDA行业起步于1980年代。作为微电子工业整体投入的一部分，我国EDA软件产业与国内微电子工业同时起步。1986年，我国启动研究自有集成电路计算机辅助设计系统——熊猫系统。经过多年攻坚，1993年国产首套EDA熊猫系统问世。随着国产EDA软件的突破，国外迅速放弃了对于EDA软件的封锁和禁售。1995年，现在的全球最大的EDA公司Synopsys公司进入中国市场。在当时积极融入全球化的背景之下，快速融入全球化分工确实是当时最优化的选择。因此，国内的微电子产业更多是选择采用国外成熟的EDA软件，而国产EDA软件则丧失了重大的发展机遇。

  建议重点关注已实现多点突破的国内EDA初创企业。经过二十余年来的默默发展，特别是近年来实现国内集成电路产业实现自主可控受到高度重视，国内EDA软件产业迎来重大的发展机遇。华大九天、芯华章、概伦电子、全芯智造等处于领先地位的EDA企业已实现多点突破，初步具备提供系统化产品、服务的能力，正积极借助资本市场不断发展壮大。若贝、奥卡思、亚科鸿禹、行芯、超逸达、芯和等公司则在各自擅长的领域快速发展。

  EDA软件具有平台特点，能提供系列工具的厂商更具竞争力。由于芯片设计流程有多个步骤，为了提升设计效率，对芯片设计公司来说，更倾向于采购平台化的EDA系列工具。EDA软件行业两大龙头Synopsys、Cadence均采用平台型的发展策略，而并购整合是不断构建EDA软件平台能力的捷径。自2000年以来，伴随着集成电路工艺和设计方法的持续发展，从事“点工具”的创业型EDA公司不断出现，但从发展路径来看，这些“点工具”EDA创业公司的结局多是被三大厂商收购，变成EDA工具平台的一部分。

  海外巨头通过并购整合逐步壮大。回顾海外三大厂商Synopsys、Cadence、Mentor的发展历程，频繁的并购是三巨头快速成长并形成对市场掌控的重要途径。在过去的30多年里，三家厂商均完成超过60次并购，其中Synopsys新思科技完成80余次并购。目前，国内EDA企业以“点突破”为主，通过横向并购、资源整合将加速国内EDA企业提升竞争力的重要途径。

  半导体设备被认为是半导体芯片制造的基础和核心，处于半导体产业链的上游核心环节之一。根据半导体行业“一代设备、一代工艺、一代产品”的行业规律，半导体设备的发展往往要超前于工艺和产品的开发。随着半导体行业的不断发展，半导体产品的复杂度日渐提高，半导体的生产设备需要融合光学、物理、化学、材料等多项技术，技术壁垒与日俱增。半导体设备行业具有技术壁垒高、市场增长快、集中度提升等特点；就国内市场而言，还存在海外巨头垄断、国产化率亟待提高等问题。

  IC制造分为三大阶段：硅片制备、晶圆制造、封装测试。首先，IC制造的第一阶段硅片制备，是指由开采半导体材料并根据半导体标准进行提纯成为具有多晶硅结构的纯净硅，之后在晶体生长和晶体准备工艺中，晶体被切割成称为晶圆的薄片，即通常所说的硅片。目前，硅片制备主要步骤可以概括为：拉晶、切片、磨片、倒角、刻蚀、抛光、清洗、检测。

  硅片制造工序中拉晶、抛光和检测为硅片制造核心环节。从市场份额来看，拉晶、抛光、测试环节对应设备单晶炉、CMP化学机械抛光设备、测试仪器分别占硅片制造环节设备市场份额的25%、25%、15%。

  先进制程提高对硅片质量的要求。随着集成电路制程的不断提高，对硅片表面加工质量要求愈来愈高。同时，随着硅片尺寸的提升，需要对大直径硅抛光片进行更加细致的加工，相关技术难度进一步增加。

  IC制造的第二阶段是晶圆制造，指在表面通过光刻、刻蚀、沉积等工艺，形成器件或集成电路，该环节是芯片制造的核心环节。晶圆制造有几千个步骤，可以分为两大主要部分：前段工艺（FEOL）和后段工艺（BEOL），分别指在晶圆表面形成晶体管和其他器件、以金属线把器件连在一起并加一层最终保护层的工艺。

  IC制造的第三阶段是封装测试，指在已经完成第二阶段的芯片基础上，对每个芯片进行检测是否符合客户要求。随后进行封装，指通过一系列过程把晶圆上的芯片分割开，然后将它们封装起来，保护芯片免受污染、水汽等环境伤害。

  根据SEMI预测，2020年全球半导体设备市场规模约689亿美元。半导体设备位于产业链的上游，其市场规模随着下游半导体的技术发展和市场需求而波动。据SEMI统计，设备投资占集成电路产能投资中的70%。在经过2013-2018年的快速发展后，2019年全球半导体设备支出为597.5美元，同比下降7.4%。根据SEMI预测，2020年全球半导体设备市场规模达创纪录的689亿美元，同比增长16%；2021年将达719亿美元，同比增长4.4%；2022年仍旧保持增长态势，市场将达761亿美元，同比增长5.8%。

  晶圆制造设备占据了设备投资主要部分，约占设备总投资的约80%，封测设备占比不足20%。而在晶圆制造设备中，又以刻蚀设备、光刻机和薄膜沉积设备为主，投资占比分别为19.4%、18.6%和14.6%。

  集成电路设备行业的竞争格局是海外巨头垄断，且集中度日益提高。从全球集成电路设备行业来看，行业前三大AMAT（应用材料）、ASML、Lam Research（泛林半导体，或译为拉姆研究）的市场份额合计约占50%。再从沉积、刻蚀、光刻三大核心工艺所涉及的设备来看。在需求增长较快的刻蚀设备领域，行业集中度较高，泛林半导体占据刻蚀设备市场额半壁江山。随着集成电路中器件互连层数增多，刻蚀设备的使用量不断增大，泛林半导体由于其刻蚀设备品类齐全，从65纳米、45纳米设备市场起逐步超过应用材料和东京电子，成为行业龙头。

  控制核心环节，行业前四均为关键工艺设备供应商。全球半导体设备商排名基本保持稳定，应用材料、阿斯麦、东京电子以及泛林处于行业前四位。从四家公司的产品布局来看，均为跟随工艺制程进步的关键工艺环节设备供应商。由于关键设备精度往往直接决定制程水平、良率水平，设备厂商通过会不断提高设备精度、前瞻布局先进制程，构筑技术壁垒、客户壁垒。

  2020年中国大陆已成为全球最大的半导体设备市场。受益于国内快速发展的半导体产业，中国大陆半导体设备市场规模逐年提升。2016-2019年，中国大陆的半导体设备市场规模从64.6亿美元增长到了134.5亿美元，全球市场中的占比由15.7%提升至22.5%。据SEMI预计，2020年中国大陆半导体设备市场规模将达181亿美元，同比增长34.6%，占全球市场的26.3%，成为全球最大的半导体设备市场。

  与庞大的国内半导体市场规模形成对比的是，我国半导体设备较大程度上被美欧日的公司垄断，我国半导体设备产业与海外公司存在比较大差距。从具体设备来看，我国已有较多设备实现了28nm技术，离子注入机、介质刻蚀机已接近国际领先水平。但在部分关键设备方面，与海外企业存在重大差距，例如在光刻机领域，上海微电子目前生产的光刻机达到90nm水平，光刻机设备严重依赖向ASML的进口。

  下游崛起是国产设备突破的关键。以LED领域为例，受益于国内LED产业的快速崛起，用于制造LED的刻蚀机、MOCVD等多种上游国产设备实现突破。2010年至2013年，国内LED产业的加快速度进行发展带动国内LED外延芯片厂商迅速崛起。大量LED外延芯片厂商的出现，导致LED半导体设备出现供不应求的局面。与此同时，国内高质量LED设备供应商脱颖而出，国内LED刻蚀机实现从0到1突破，并逐步加速推进国产替代，实现市占率跨越式发展。根据北方华创2016年年报多个方面数据显示，在LED领域，北方华创的刻蚀机实现市占率全球第一。

  同样，国产集成电路设备的发展，离不开国内下游客户的支持。长江存储、华虹、中芯国际、长鑫存储等晶圆厂的快速发展，将成为带动国产设备快速发展的主要的因素。长江存储为国内存储器制造龙头IDM厂商，主攻3D NAND Flash。长江存储一期项目于2018年投产，2020年产能达到5万片/月以上水平，预计未来将达到10万片/月产能；二期土建已于2020年6月开工，两期产能规划共30万片/月。大量的新建产能，带动上游设备需求增加，同时为国产设备厂商提供了重要的发展机遇。目前，长江存储的国产设备供应商包括北方华创、中微公司、盛美股份、华海清科、沈阳拓荆、中科飞测、上海精测电子等，国产设备数量占比约为15%。此外，芯源微也出现在中芯绍兴的供应商名单中。上述企业作为国产半导体设备中的佼佼者，已在部分领域实现了半导体设备的国产化替代。

  从具体数量来看，北方华创、中微公司、盛美股份位列国产供应商前列。北方华创在氧化/扩散/退火炉具备较强的产品竞争力，氧化炉管、硅槽/多晶硅/铝刻蚀、钽阻挡层-铜种籽层/铝垫薄膜沉积等产品进入长江存储供应链。中微公司专攻集成电路制造使用的刻蚀设备以及MOCVD沉积设备，硅刻蚀、孔洞刻蚀、沟槽刻蚀等设备进入场景存储的供应链。盛美股份的清洗机均进入了长江存储的供应链。

  与EDA软件行业不同，国内半导体设备企业发展较为成熟，北方华创、中微公司、芯源微等规模较大的企业均已上市，借助资本市场进一步做大做强；华海清科、中科仪、中科飞测等企业已处于申报或上市辅导阶段。建议关注细分领域技术突出的半导体设备企业，包括单晶炉领域的西安理工晶体科技有限公司、高精度COB固晶机的普莱信智能、LED封装设备领域的华腾半导体等。

  从历史角度来看，半导体设备公司成长往往紧随全球芯片制造中心而迁移。目前我国半导体产业正处于快速发展阶段，国内半导体制造能力的不断提升，对于半导体设备产业的发展具有重要的推动作用。但同时，国内半导体企业将长期面临海外巨头的不对称竞争优势，国内企业在技术水平、核心零部件供应、收入规模、客户认可度等方面存在劣势。对标海外龙头企业的发展模式，国内半导体可通过强化与下游客户的合作、构建相互嵌合的生态体系，以及横向并购、丰富产品谱系的方式不断做大做强。

  随着半导体产业的不断发展，国内半导体设备制造产业快速进步，在沉积、刻蚀、清洗设备等领域不断实现零的突破，加速推进国产替代。而同样作为晶圆制造的核心设备之一的光刻机，国产化的进程却亟待突破。

  光刻机是前道工艺的核心设备。在晶圆制造过程中，光束穿过掩模及镜片，将线路图曝光在带有光感涂层的硅晶圆上，然后显影在硅片上通过上述步骤，便可以将设计好的电路图“转印”到硅片上，形成最终的集成电路。光刻机的出现与发展始终与集成电路产业发展紧密相关。经过七十余年的发展，目前最先进的光刻机为采用EUV（极紫外）光源的光刻机，可用于生产基于5nm工艺节点的高端芯片。2020年，EUV光刻机销量达31台，占光刻机总销量的8%；销售额55亿美元，同比增长76%，占光刻机市场规模的比例为41%。

  竞争格局，ASML一家独大。目前全球前道光刻机被荷兰的ASML、日本尼康、佳能完全垄断。其中，ASML更是光刻机领域绝对的霸主：在销售金额最高的EUV光刻机领域，ASML是唯一能够生生产第五代EUV光刻机的厂商；在销售金额排第二位的ArF-沉浸式光刻机市场，2020年全球80台中，ASML销售了68台占85%。在当前复杂的国际局势下，实现光刻机的国产替代势在必行，具有重大战略意义。

  图11 从销售金额来看，2020年全球光刻机市场以EUV、DUV光刻机为主

  光刻机具有价值含量大、制造难度高的特点。ASML一台光刻机包含了10万个零部件，涉及到上游5000多家供应商，主要部件包含测量台与曝光台、激光器、光束矫正器、能量控制器等11个模块。可以说，光刻机是一个具有极高技术难度的系统产品。

  上游并购入股、下游引入客户作为公司股东，ASML通过打造利益共同体，巩固市场地位。从上游来看，ASML通过收购Cymer，入股蔡司SMT，掌握了上游光源、镜头等光刻机关键部件的领先技术。从下游来看，ASML在2012年推出“客户联合投资计划”，以23%的股权获得了来自英特尔、台积电、三星等下游主要客户的投资总计约39亿欧元，并向ASML提供EUV研发资金13.8亿欧元。通过打通上下游、构建利益共同体，进一步保证了ASML的光刻机始终处于行业领头羊。

  依托“02专项”，志在攻克光刻机难题。自2006年以来，以“02专项”为载体，国内各高校、科研院所在涉及光刻机核心技术的多个领域发挥各自专长，在“光刻机双工件台系统样机研发”项目、“超分辨光刻装备研制”项目、“极紫外光刻关键技术研究”项目中均取得突破。从整机来看，上海微电子已于2016年实现采用DUV技术工艺节点达90nm的光刻机的量产。

  加速技术攻关，推进协同发展。光刻机作为复杂的系统工程，无法仅靠单一子系统的进展实现整机的突破。国产光刻机的突破依赖于各子系统的技术发展和有效的系统集成。对于国内光刻机企业来说，推动子系统企业间的技术、研发融合，同时与下游晶圆代工企业加深合作，为国产光刻机留出“试验田”，都将有利于国产光刻机加速发展，早日实现半导体核心设备的自主可控。

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