半导体全面分析（二）：设计两大巨头、EDA三分天下、四大指令集
六、产业链
14. 上中下游
半导体产业链可分为上游（材料、设备）、中游（设计、制造、封装）、下游应用三大环节
为了方便大家理解，我先从中游讲起，半导体产业链中游是生产半导体产品的过程，包括设计、制造、封测三大环节
七、设计
15. 市场：万亿
根据 IC Insights，2018 年全球 IC 设计行业销售额为 1139 亿美元，中国占 12%
2018 年中国集成电路设计行业产值达 2519 亿元，复合增速 28%，企业数量达 1698 家，同比增加 23%，处于快速发展阶段
16. 技术：设计流程
100 亿个晶体管在指甲盖大小的地方组成电路，想想就头皮发麻！一个路口红绿灯设置不合理，就可能导致大片堵车，电子在芯片上跑来跑去，稍微有个 PN 结出问题，电子同样会堵车，所以芯片的设计异常重要
芯片制造的过程就如同用乐高盖房子一样，先有晶圆作为地基，再层层往上叠的芯片制造流程后，就可产出必要的芯片（后面会介绍），然而，没有设计图，拥有再强制造能力都没有用1. 规格制定在 IC 设计中，最重要的步骤就是规格制定，这个步骤就像是在设计建筑前，先决定要几间房间、浴室，有什么建筑法规需要遵守，在确定好所有的功能之后在进行设计，这样才不用再花额外的时间进行后续修改第一步：确定 IC 的目的、效能为何，对大方向做设定第二步：察看需要何种协议，否则芯片将无法和市面上的产品相容第三步：确立 IC 的实作方法，将不同功能分配成不同的单元，并确立不同单元间连结的方法，如此便完成规格的制定2. 设计芯片细节这个步骤就像初步记下建筑的规画，将整体轮廓描绘出来，方便后续制图。在 IC 芯片中，便是使用硬体描述语言（HDL）将电路描写出来。常使用的 HDL 有 Verilog、VHDL 等，藉由程式码便可轻易地将一颗 IC 功能表达出来。接着就是检查程式功能的正确性并持续修改，直到它满足期望的功能为止
3. 设计蓝图在 IC 设计中，逻辑合成这个步骤便是将确定无误的 HDL code，放入电子设计自动化工具（EDA tool），让电脑将 HDL code 转换成逻辑电路，产生如下的电路图，之后，反复的确定此逻辑闸设计图是否符合规格并修改，直到功能正确为止
4. 电路布局与绕线将合成完的程式码再放入另一套 EDA tool，进行电路布局与绕线（Place And Route）。在经过不断的检测后，便会形成如下的电路图。图中可以看到蓝、红、绿、黄等不同颜色，每种不同的颜色就代表着一张光罩
▲ 常用的演算芯片- FFT 芯片，完成电路布局与绕线的结果
5. 光罩一颗IC 会产生多张的光罩，这些光罩有上下层的分别，每层有各自的任务。制作时，便由底层开始，逐层制作，完成目标芯片
在此过程中，常用的工具包括 IP 模块和 EDA，下面会详细介绍
17. 产业：全球两大巨头
根据 IC insights，2018 年前 10 大 Fabless 中，美国 6 家，中国台湾 3 家，中国大陆 1 家前两名博通和高通 2018 年营收分别为 189 和 164 亿美元，两者营收之和占据了全球前十大 IC 设计企业营收的 50%
博通 Broadcom2015 年，原安华高科技以 370 亿美金收购原博通公司成立，总部位于美国加州圣何塞和新加坡，产品为有线和无线通讯半导体，是全球最大的WLAN 芯片厂商2018 年，博通年营业收入 208 亿美元，净利润 123 亿美元
高通 Qualcomm1985 年，高通创立，总部设于美国加利福尼亚州圣迭戈市1989 年，推出用于无线和数据产品的码分多址（CDMA）技术2018 年，营收 227 亿美元，其中半导体收入174 亿美元，专利技术授权收入 53 亿美元，中国大陆收入占 66.64%高通主营业务分两部分，分别为QCT（高通半导体业务）与QTL（高通技术许可业务），QCT主要研发集成电路产品和系统软件产品等，骁龙芯片就属于其中；QTL 将拥有的 13 万项全球范围专利，收取高额的专利费用1.高额专利授权费：通过授权使用CDMA技术，收取高额费用2.专利反授权：高通依靠对CDMA的垄断，要求所有获得CDMA标准专利授权的厂商，必须向高通无偿提供所有通信专利授权3.高通税：高通强制规定，要求使用高通SOC的手机厂商，在缴纳巨额高通授权费后，还必须缴纳相当于手机价格 5%—10% 的钱作为专利费，注意，是销售定价，哪怕是你手机镶上了 100 克拉的钻石，也要按总售价收
18. 产业：中国
海思独占鳌头，市场集中度低2018 年中国前十大 IC 设计公司合占 38% 市场份额，其中华为海思 503 亿元独占 20%，剩余其他 IC 设计公司市占率均不超过 5%
2018 年，IC 设计企业为 1698 家，销售过亿元的设计企业为 208 家，我国 IC 设计行业处于快速成长期
关于华为海思、紫光等的分析，敬请关注本后续文章八、IP 核
19. ISA 指令集
指令集（Instruction Set Architecture,ISA）为转化操作任务成CPU（中央处理器）可以理解的底层代码的一项硬程序，这一过程又叫做编译（compile）。指令集，说白了就是计算机芯片的底层语言，里面定义了加减乘除等等各类算法，再往下就是电信号、与非门。对于CPU来说，就是介于软件和底层硬件之间的一套程序指令的合集。指令集存储于CPU内部，引导CPU进行运算，并帮助CPU更高效地运行具体逻辑层次是这样的：指令集→微架构→CPU→操作系统指令集可以分为精简指令集 RISC（ReducedInstruction Set Computer）和复杂指令集 CISC（ComplexInstruction Set Computer）1978 年，英特尔率先提出了一个指令集：X86 架构。虽然能耗高点、体积大点，但性能那是嗖嗖的，几乎垄断了电脑芯片市场，成就了如日中天的英特尔。这相当于，英特尔提出造汽车用 4 个轮子，以后其他人想造 4 个轮子的汽车，就得先付授权费1979 年，美国加州大学伯克利分校的 David Patterson 教授发现整个指令集中，只有约 20％ 的指令会经常被使用到，大约占了整个程序的80％，于是提出了 RISC 的想法，主张硬件应该专心加速常用的指令，较为复杂的指令则利用常用的指令去组合1983 年，实在忍受不了了，英国 ARM 公司提出了 2 个轮子的汽车方案 ARM 架构小结一下：X86 架构，能耗高、体积大、性能强，主要用于电脑ARM 架构，能耗低、体积小、性能弱，主要用于手机至于其他3个轮子或5个轮子的汽车，多多少少还是有些劣势，没有形成主流
现在世界上还活着的商用指令集只有 5 种，分别是X86、ARM、POWER（只用在IBM的服务器上，无关这里的讨论）、MIPS、RISC-V
RISC-V：1981 年 RISC-I 开发完成，2010 年加州大学伯克利分校的 DavidPatterson教授开发完成 RISC-V 指令集，非常精简和灵活，BSD（BerkeleySoftware Distribution）开源协议允许使用者修改发布和销售。任何人都可以基于RISC-V指令集进行芯片设计和开发，然后拿去卖钱，而不需要支付授权费用
MIPS 全名为“无内部互锁流水级的微处理器”（Microprocessor without interlocked pipedstages），1984年由斯坦福大学前校长JohnHennessy创立，比较开放、到处授权、而且不限制各自新增指令另搞一套，可想而知，就是军阀割据，然后就被淘汰了。龙芯在2009年花了不到500万美元，永久买断了MIPS的授权，发展出了自己的指令集，叫LoongISA，并且增加了很多指令，实际已经趋近于复杂指令集。在这些指令集上面，只能运行Linux系统
20. IP 核
IP 核（Intellectual Property Core）是指在半导体集成电路设计中那些可以重复使用的、具有自主知识产权功能的设计模块，设计公司无需对芯片每个细节进行设计，通过购买成熟可靠的IP方案，实现某个特定功能，这种类似搭积木的开发模式，缩短了芯片开发的时间，提升了芯片的性能IP 核有三种不同的存在形式：HDL 语言形式，网表形式、版图形式，分别对应我们常说的三类 IP 内核：软核、固核和硬核软核是用 VHDL 等硬件描述语言描述的功能块，并不涉及用什么具体电路元件实现这些功能，优点是设计周期短，设计投入少，布局和布线灵活，缺点是一定程度上使后续工序无法适应整体设计，性能上也不可能获得全面的优化，软核通常以加密形式提供，实际的 RTL 对用户不可见固核对软核进行了参数化，用户可通过头文件或图形用户接口(GUI)方便地对参数进行操作，由于内核的建立(setup)、保持时间和握手信号都可能是固定的，因此其它电路的设计时都必须考虑与该内核进行正确地接口硬核提供设计阶段最终阶段产品——掩膜，以经过完全的布局布线的网表形式提供，同时还可以针对特定工艺或购买商进行功耗和尺寸上的优化，尽管硬核由于缺乏灵活性而可移植性差，但由于无须提供寄存器转移级(RTL)文件，因而更易于实现 IP 保护21. 产业：全球2018 年全球半导体 IP 市场规模为 49 亿美元，ARM 占 41%
ARM 安谋1978 年，Acorn电脑公司在英国剑桥创立1985 年，研发出精简指令集架构处理器，名为Acorn RISC Machine，简称ARM1990 年，苹果、Acorn、VLSI 合资公司 ARM 正式成立
1997年，Nokia 推出 6110，内置贪吃蛇游戏，Nokia Symbian 操作系统建立在ARM 架构上2007 年，iPhone 诞生了，采用了400MHz的ARM112016 年，被日本软银以234亿英镑（约合310亿美元）的价格收购
ARM 指令集架构的主要特点：一是体积小、低功耗、低成本、高性能，非常适用于移动通讯领域二是大多数数据操作都在寄存器中完成，指令执行速度更快三是寻址方式灵活简单，执行效率高四是指令长度固定，可通过多流水线方式提高处理效率ARM 做芯片的架构设计，相当于画工程图纸，然后把图纸卖给各大芯片设计公司，这些公司基于这个原始图纸，进行修改，最终设计自己想要的芯片，交付芯片工厂去生产出来，授权模式分为三个等级：
使用层级授权：用户只能购买已经封装好的 ARM 处理器核心，而如果想要实现更多功能和特性，则只能通过增加封装之外的 DSP 核心的形式来实现。大多数缺乏研发设计能力的初创企业都选择购买这种授权内核层级授权：指可以一个内核为基础然后在加上自己的外设形成 MCU，例如三星、德州仪器(TI)、博通、飞思卡尔、富士通等等架构/ 指令集层级授权：可以对 ARM 架构进行大幅度改造，甚至可以对 ARM 指令集进行扩展或缩减，例如苹果的 A 系列、高通的骁龙系列、华为的麒麟系列
22. 产业：中国国内仅有中科院的龙芯和总参谋部的申威拥有自主架构，前者用于北斗导航，后者用于神威超级计算机，民用领域基本是空白国内 IP 有华大九天、橙科微、IPGoal 和Actt等厂商。其中华大九天提供提供高速接口；橙科微则是Serdes IP供应商；IP Goal则提供包括USB1.1/2.0/3.0/codec/还有其他IO在内的数模混合类IP；ACTT的产品包括了Serdes、物联网、指纹和传感器等方面的低功耗IP
2018 年，杭州云栖大会上，平头哥半导体公司正式诞生2019 年，发布首款处理器——玄铁910，基于开源RISC-V架构
九、EDA
24. 市场
工业软件是指工业范畴使用的软件，可以分为研发设计类、生产调度和过程控制类，以及业务管理类
EDA 是电子设计自动化（ElectronicDesign Automation）的简称，是从计算机辅助设计（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
在EDA出现之前，设计人员必须手工完成芯片的设计、布线，利用 EDA 工具，电子工程师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出 IC 版图或 PCB 版图的整个过程在计算机上自动处理完成
EDA 包括电路设计与仿真工具、PCB 设计软件、IC 设计软件、PLD设计工具等
2018 年，全球 EDA 市场规模 97 亿美金
25. 技术如果粗略地划分，我们可以将EDA的CAD市场分为三部分：前端技术（frontend，包括Verilog等的模拟与器件组合），后端技术（backend，包括 Place＆Routing 芯片布局与绕线），验证技术（DRC／LVS等）
26. 产业：全球全球 EDA 市场基本上被三家公司垄断：Cadence、Synopsys和 和 Mentor Graphics。其中规模最小的 Mentor Graphics 已经被西门子收购。三大 EDA 供应商都能提供全套的芯片设计解决方案，包括模拟、数字前端、后端、DFT、Signoff 等一整套设计工具
Synopsys 新思科技1986 年，Synopsys（新思科技）成立，由 Aart de Geus 带领通用电气公司微电子研究中心的工程师团队创立，2008 年成为全球排名第一的EDA 软件工具领导厂商，2018 财年营收 217 亿元Synopsys 建立了完整的芯片 ASIC 设计 FLOW，包括：Verilog仿真工具 VCS、逻辑综合工具 Design Compiler、物理布局布线工具 IC Compiler、形式验证工具 Formality、时序分析工具 Prime TIme、参数提取工具 STAR-RC、版图检查工具 Hercules、还有 ATPG工具TetraMAX，可以说是集“广、大、全”于一身Synopsys 通过发起几十余项并购交易，不断寻找那些已经被市场证明成功的产品及其企业，通过滚动并购操作达到了扩大业务规模、进行技术整合的目的
Cadence 铿腾
1986 年成立，2018 年营收 147 亿元，是 EDA 业界第二厂商，公司产品集中在模拟电路、PCB 电路、FPGA 工具
除收购外，更重视新技术的开发，近两年研发支出占总营收的比例超过 40%
西门子明导 Mentor
1981 年成立，2016 年西门子以 45 亿美元收购，是电路板解决方案的市场领导者
27. 产业：中国
1986 年，开始研发我国自有的集成电路计算机辅助设计系统——熊猫系统
2019年，华大九天、概伦电子、广立微电子、芯禾科技四家本土企业参展DAC，DAC 是全球领先的技术性大会和电子设计自动化商展，被公认为电子系统设计和自动化的首要会议
华大九天1986 年，开始研发熊猫 ICCAD系统，2009 年成立，2018 年国家集成电路产业投资基金投资，可以提供完整的模拟电路设计平台、SoC 优化工具平台、显示面板全流程设计平台
来源：史震星
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