谁主宰着全球半导体产业的沉浮？

本文系基于公开资料撰写,仅作为信息交流之用,不构成任何投资建议。

2019年至今的两年多里,由于华为海思、中芯国际等事件持续发酵,以芯片为核心的半导体技术从实验室进入街头巷尾,一度成为全民话题,重仓半导体的广发基金刘格崧也成为公募一哥。

与此同时,一批海外科技巨头的名字曝光量也与日俱增,成为茶余饭后高谈阔论的必备谈资:垄断光刻机的荷兰阿斯麦,掌握代工话语权的中国台湾台积电,作为安卓手机卖点的美国高通……

但有一个细分的软件产品EDA(电子设计自动化),大家对其了解甚少。但实际上,EDA对于全球半导体的重要程度,丝毫不亚于做代工的台积电和做光刻机的阿斯麦——称其为半导体的软件命门丝毫不为过。

迄今为止,躺在这一半导体软件命门上赚钱的核心公司是三家美国血统公司——Synopsys(新思科技)、Cadence(铿腾电子)、Mentor Graphics(明导国际),它们在过去30年,以接近80%的稳定毛利率主宰着全球半导体产业的沉浮。

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极致分工造就EDA

EDA全球市场规模仅100亿美元左右,但是要真正理解这个行业,我们必须将其放在整个半导体的大盘子中(市场规模接近5000亿美元),从整个产业链捋起。

为了将沙子(硅)化腐朽为神奇最终做成几乎无所不能的集成电路(芯片),工程师们需要在半导体制造的每一个环节都使用最顶尖的技术。正是因为各个领域都需要将技术逼向极致,半导体行业形成了极其特殊的商业模式——极致分工。

从上游往下游依次看过去,半导体产业链可以分为轻资产的IC设计(也称为fabless厂)、重资产的制造、封装测试。其中芯片设计公司的典型特征是轻资产高技术,代表公司有高通(NASDAQ:QCOM)、英伟达(NASDAQ:NVDA)等,他们只需要将设计好的芯片版图交由产业链中下游去制造和封测即可,为了更好的支持这些芯片设计公司完成芯片设计工作,逐渐演化出配套的专业化的软件和知识产权包,即EDA和IP,这部分现如今也由专门的厂商来完成。

IP之前在起底ARM的文章中有过解读,本篇重点在EDA,IP只是带到。

图1:半导体产业链,资料来源:锦缎研究院绘制

对于半导体行业来说,极致分工的本质是一种的风险分担机制,毕竟没有一家企业能攻克半导体行业方方面面的技术难点,而产业链不遗余力地细化分工,就能让每一个参与者在自己的领域把技术推向极致。

细数半导体行业发展的历史,有三个商业模式的革新深刻反映了半导体行业的极致分工,也对行业发展影响深远:

【1】制造环节单独出来,具有划时代的意义

制造环节单独出来大幅降低了芯片制造的门槛,使得一穷二白的草台班子也具有逆袭的可能。以专注于做代工的台积电为例,靠掌握尖端精密制造技术,其成为摩尔定律的有力推动者。

正是由于台积电们解决了制造难题,创业企业不一定需要选择重资产的 IDM(Integrated Device Manufacture)模式,而大部分转向为fabless,即无晶圆的设计公司,攒齐几个头脑聪明的设计工程师,就可以撸起袖子开始干。

在这个领域,诞生的最具代表性的公司就是大名鼎鼎的台积电,映射到A股就是中芯国际。这个版块大家了解很多,笔者在此不再赘述。

【2】专业软件诞生,解放了IC设计工程师

但实际情况是光有台积电还不够。由于在设计芯片的时候,可能需要在单位平方厘米上的狭小空间上布局数亿个晶体管及相关电路,显然,这已经远远超出了人手动操作的能力,为了完成自动化画图,EDA软件应运而生。

EDA,全称Electronic Design Automation,即电子设计自动化,工程师在设计芯片时,只需要用程序规划芯片功能,再通过EDA 工具让程序转换成实际的电路设计图。所以,EDA本质上就是一种特殊的工业软件,只不过应用在芯片领域而名声大噪,成为每个芯片设计工程师的必备工具箱。

这个领域的垄断性企业就不为大家熟知了,主要代表公司是Synopsys(新思科技)、Cadence和Mentor。国内尚无对应企业上市,但已有华大九天、广立微等在接受券商辅导,未来我们将看到他们的IPO。

【3】随着行业的发展,IP概念也逐渐诞生

设计自动化的革新不仅限于诞生了EDA,由于在设计芯片的过程中,工程师们发现很多东西都是可以复用的,也就是“模块化”,因此有一些只做这个部分的公司专门设计IP核(Intellectual Property Core)。

IP核指在芯片设计中可以重复使用的、具有自主知识产权功能的设计宏模块,这些成熟可靠的IP方案可实现某个特定功能,让芯片设计公司购买IP核进行设计,再次极大简化了芯片设计过程。经过演化,IP核已经变成系统设计中的基本单元。

这个领域名气最大的公司就是ARM,此前我们的文章《起底ARM:留给中国队的时间不多了》曾进行过详细解读;特别值得一提的是,IP公司中排名靠前的很多都是EDA公司,其实这很容易理解,因为天天做自动化设计软件的公司,本来就对IP核了如指掌。现在A股上市公司中,也有了一家以IP核为主业的公司——芯原股份(SH:688521)。

图4:全球半导体IP市场格局(2019年),资料来源:IPnest

正是有了以上三个重要的商业模式革新,芯片行业形成与传统行业截然不同的商业模式,整个设计流程简图如下所示。IC设计公司和代工企业、EDA软件公司IP提供商,相互之间紧密合作,形成了十分牢固的铁三角关系,共同完成快速的的产品开发和迭代,也使得芯片的成本大大降低。

得益于EDA、IP以及代工,行业创业门槛大幅降低,我们才能看到众多国内公司能在10多年的时间内快速崛起,大家讨论比较多的公司如韦尔股份、圣邦股份、兆易创新、恒玄科技、斯达半导等等无一例外都是选用这样的模式。

图5:Fabless模式芯片设计企业的产品制作流程,资料来源:半导体行业观察,方正证券