FABIE|IC设计-芯片的灵魂

1发布 · 2021-11-12 15:41 5

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FABIE说

作为知识、科技、资金高度密集型产业,芯片研发生产可以说是当前最炙手可热的产业领域。而作为芯片产业链最前端的IC设计,可以说是引领产品定义和产品创新的关键环节,对芯片性能、成本和功能实现起到决定性作用。如果说在芯片制作的整个过程中,单晶硅片是芯片的原料,那么IC设计则是芯片的灵魂。    


芯片的灵魂


IC是集成电路(Integrated Circuit)的英文简称,其基本定义是“用半导体材料制成的电路集合,把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容、电感等元件及布线互连一起,制作在半导体晶片上,成为具有所需电路功能的微型结构”。简单来说,就是将电路(主要包括半导体设备和被动组件等)小型化的方式,通常制造在半导体晶圆表面上。单从这个广义的概念出发,芯片(Chip)也可以说是集成电路的一种。因此,IC设计,有时候也称为芯片设计。

从芯片生产的整个产业链来看,其最上游是IC设计,中游是晶圆制造及加工,而下游则为封装与测试。其中IC设计赋予芯片所需要的基本功能,而晶圆制造及加工则是这些功能实现的载体。用一个人作比方,IC设计是构建这个人的灵魂,晶圆制造及加工是铸造人的躯体,封装与测试则是检验这个人的整体素质是否达标。

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集成电路产业链全景图 资料来源:WIND,光大证券    


IC设计,即为集成电路设计,也称为超大规模集成电路设计(VLSI design),是指以IC、超大规模IC为目标的设计流程,它设计涉及对电子器件、器件间互连线模型的建立,这些组件通过半导体器件制造工艺安置在单一的硅衬底上,从而形成电路。IC设计包括前端设计(也称逻辑设计)和后端设计(也称物理设计),但两者之间并没有统一严格的界限,一般涉及到与工艺有关的设计就是后端设计。   


产业运作模式


自1958年德州仪器公司的杰克·基尔比发明世界上第一块IC以来,IC就成为电子电路的核心,应用日益广泛,芯片也应运而生。芯片发展过程中,结构设计和工艺加工是始终是产品开发的一体两面,二者高度依存的特征在产业初期体现地尤为显著,也决定了早期IC厂商需要将设计和工艺能力整合起来开发新的产品。因此,IDM 模式(垂直整合Integrated Device Manufacture,一手包办设计、制造和封装测试各环节)成为早期厂商标配。

但随着计算机的微型化和普及化,对芯片质量、功能有更高的要求,因此在设计和制造工艺方面,生产厂商和工程师都面临更多的困难。一方面,生产成本,尤其是技术升级带来的一次性工程费用增加,加剧了厂商的投资压力;另一方面,工程师需要耗费大量的精力和时间去学习、理解和掌握更复杂工艺设计。

因此,20世纪80年代了以来,传统IDM模式的企业逐渐转型,出现了Fabless(只做IC设计而不制造的厂商)和Foundry(只制造、封测,不做IC设计的厂商)两种模式。因此,目前芯片产业的主流是IDM、Fabless和Foundry三种模式并存。

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IC产业链演变 资料来源:《芯事》    


IDM模式的优势是设计、制造等环节协同优化,有助于充分发掘技术潜力,在有条件下,能率先实验并推行新的半导体技术。劣势也很明显,规模庞大,管理运营费用高,资本回报率偏低。因此,目前采用IDM模式的厂商基本上都是IC行业的龙头,如英特尔、德州仪器、三星,国内的中环半导体、士兰微,以及日本的大部分半导体企业等。

Fabless模式的优势是轻资产、小规模起步,创业难度和运行费用较低,转型相对灵活。其劣势则是在工艺协同优化方面难度较大,尤其是难以完成指标严苛的设计,市场风险和竞争压力更大。Fabless模式厂商主要有高通、博通、英伟达、AMD、赛灵思、苹果等公司,国内的韦尔股份、联发科、华为海思、兆易创新、汇顶科技、上海贝岭、紫光集团等。当前,在严峻的国际形势下,国内Fabless厂商也受到了不小的打压,也开始了IDM模式的探索。

Foundry模式要的优势是不承担由于市场调研不准、产品设计缺陷等决策风险。劣势是投资规模较大,维持生产线正常运作费用较高;需要持续投入维持工艺水平,一旦落后追赶难度较大。Foundry模式厂商有台积电、联华电子、中芯国际、罗格方德等。其实在芯片生产末端还有OSAT厂商,提供芯片代工封装测试服务,像日月光、安靠、长电科技、华天科技、通富微电等。    

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各种运作模式代表性企业 资料来源:乐晴智库    


竞争格局


Fabless从加工环节中被解放出来后,可以专门从事高复杂度的芯片设计工作,并逐步将标准单元库、工艺模拟参数及仿真概念引入,由此芯片设计进入了以电子设计自动化(Electronics Design Automation,简称EDA)为辅助工具并进入抽象化阶段,由此IC设计产业成为独立的行业。同时,在摩尔定律的推动下,芯片设计的集成度和复杂性与日俱增,市场竞争日益激烈。

IC设计处于产业微笑曲线高附加值端,占整个IC产业的产值占比接近60%,因此,Fabless模式企业整体毛利率基本在30%以上,属于轻资产运营,固定资产周转率及ROE水平处于相对较高位置。根据 TrendForce 集邦咨询统计,2020年全球前十大IC设计公司总营收为859.74亿美元。    

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2020年全球前十大IC设计公司应收排名(单位:百万美元)

资料来源 TrendForce    


据统计,国内整体IC设计销售额为3778.4亿元,约占整体IC产业销售额8848亿元(这个数据包括了非芯片类IC产业相关产值)的42.7%,制造约占28.9%,封测约占28.4%。但根据IC Insights统计显示,国内芯片产值仅占全球不足15,而且仅有36.5%来国内大陆芯片企业。随着国内IC设计技术水平和研发实力的提高,IC设计产值也有望保持较高水平的增长。    

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近三年集成电路分行业产值规模及占比(亿元,%)

 资料来源:天风证券 


据中国半导体行业协会统计,我国集成电路设计企业2020年数量已达2218家,主要分布在北京、上海和广东地区,而广东地区则以深圳为龙头。总体特征是数量多、体量小、同质化竞争明显,收入规模超过1亿元的企业不到300家,前10大企业营收占比近50%,与发达地区相比,中国集成电路的研发投入明显不足,人才缺口明显。根据赛迪顾问数据,2020年我国EDA行业从业人数约为4400人,全球为4万人,且多服务于海外三巨头。

国内上市IC设计企业中,韦尔股份是其中一个特殊的存在。原本是一家半导体分销为主的公司,通过大量收购,华丽变身为市值近2500亿元的A股龙头芯片企业。2019年,对国际知名Fabless公司豪威科技的“蛇吞象”式收购,让其挺进CIS(CMOS图像传感器)市场,公司的半导体设计和销售利润占比一举上升至90%以上,官网也更名为威豪集团。在全球竞争格局中,2020年,威豪集团CIS业务占据全球12%的市场份额,位居第三位。韦尔股份因此成为中国最强的CMOS芯片厂商,华为、小米、vivo、OPPO、奔驰、奥迪、海康威视等一批行业巨头都成为公司的合作伙伴。   


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2020年全球CIS市场竞争格局 资料来源:YOLE、平安证券 


IC设计,不得不提EDA,即电子设计自动化,是指利用计算机软件完成大规模集成电路设计、仿真、验证等流程的设计方式。随着摩尔定律的不断演进,现代芯片上集成的晶体管数最高可达百亿级别, EDA已经成为芯片设计必不可少的工具。工程师利用EDA工具,将芯片的电路设计、性能分析、设计IC版图的整个过程交由计算机自动处理完成。

EDA是国外垄断程度最高的领域,2020年EDA全球销售额约70亿美元,其中Synopsys、Cadence、Mentor Grahpics三大厂商合计占据全球约70-80%市场份额,他们拥有完整的全流程产品,在部分领域拥有绝对的优势,而国内EDA企业仅仅占国内市场约10%的份额,与国外龙头无论是技术还是市占率方面相距甚远。    

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2020年国内EDA软件市场占比     资料来源:首创证券   


作为国产EDA龙头的华大九天,是国内少数拥有特定领域全流程产品,能够提供全定制模拟/数模混合IC设计和平板显示(FPD)设计全流程解决方案的企业,客户包括华虹、京东方、上海兆芯和TCL等一众厂商,初步形成了自己的生态链。虽然华大九天拥有多项全球独创的领先技术,但全流程覆盖率和工艺制程与国外龙头对比仍相距甚远。国产厂商工艺制程几乎全在28nm以,华大九天也仅有一款电路支持5nm工艺。  

还有一个需要提及的是IP,即Intellectual Property Core,也称为IP核,是经过验证的、可复用的设计模块。随着IC规模不断增加,IC产品的复杂度显著提升。用IP核来构建复杂的电路系统,能缩减冗余设计、缩短开发周期、提升产品开发成功率。这种模式降低了IC设计的壁垒,逐渐成为IC设计方法学的重要思路,并催生了专门做IP的企业。芯片的复杂性、高技术含量和长周期,使得大部分厂商依靠购买IP核来开发。以高通为代表,通过收取高昂IP费用,获得极大的收益,也推动高通成为2020年全球营收最高IC设计厂商,IC设计营收达194亿美元。

目前IP已经成为EDA公司的重要收入,目前Arm、Synopsys和Cadence三者的IP市占率为约为80%,而国产EDA厂商,大多还在研制 EDA工具,未有IP产品。    

  

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2017-2020年(从内到外)国际IP厂商市占率资料来源:东吴证券  


政策支持


处于集成电路产业链最上游、附加值顶层的IC设计,国内的发展自然少不了政策的大力支持。下面简单列举从国内各政府部门IC设计产业方面的支持政策:    

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在大的政策方向引导下,各地纷纷出台相关规划措施,将大大推动我国集成电路产业的跨越式发展,IC设计也或将成为其中及其重要的一环而获得长足进步。 


结束语


按中国集成电路设计创新联盟专家组组长时龙兴在2021年中国集成电路设计创新大会暨IC应用博览会上的讲话,中国IC设计产业创新发展,一是在技术创新和应用创新方面都要发力;二是延续摩尔、拓展摩尔两手都要抓;三是聚焦关键环节——EDA和IP,EDA是国外垄断程度最高的领域;四是产业人才的培养,人才是根本。    

参考资料:

[1] 东吴证券-《电子行业研究报告》

[2] 东吴证券-《国产 EDA 与海外差距在哪儿?》

[3] 天风证券-《普冉股份》

[4] 中国经营报-陈佳岚:《广东推出“强芯行动”  欲打造集成电路产业第三极》

[5] 电子质量-张建国:《集成电路的分类》

[6] 时龙兴:《中国集成电路设计产业创新发展》

[7] 创新应用-殷亚云:《中国集成电路设计业的发展展望》

[8] 巨潮商业评论-《韦尔股份,半导体赌徒》

[9] 拓墣产业研究院-《集成电路设计机遇与压力并存,中小企业如何破局?》

[10] 半导体行业观察-《中国EDA第一股,华大九天上市获批》

[11] 首创证券-《工业软件》    

Tianan Cyber Park 

资料整理 | FABIE

图文编辑 | FABIE

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芯片设计集成电路

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