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工程师必读 | 芯片设计流程及代表企业详解

2018-11-09
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导语

芯片设计位于半导体产业的最上游,是半导体产业最核心的基础,拥有极高的技术壁垒,需要大量的人力、物力投入,需要较长时间的技术积累和经验沉淀。目前,国内芯片设计水平与国外仍有差距,本文将简述芯片设计流程国内芯片设计行业现状中国大陆十大芯片设计厂商三方面,更立体地介绍国产芯片设计行业。


芯片一般是指集成电路的载体,也是集成电路经过设计、制造、封装、测试后的结果,通常是一个可以立即使用的独立的整体。一颗小小的芯片,却包含了几千万个晶体管。芯片是电子设备中最重要的部分,承担着运算和存储的功能。


我们知道建造楼房是需要施工设计图的,有了施工设计图,工人们才知道如何去操作。因此,施工设计图的重要性不言而喻。


有人把芯片制造比喻为建造楼房,芯片设计就是那张施工设计图。但不同的是,相比那张施工设计图,芯片设计更为复杂,下面这张图就可以说明。



芯片设计流程



要想造个芯片,首先,你得画出来一个长这样的玩意儿给Foundry (外包的晶圆制造公司),如下图:



放大一点:



再放大一点,我们可以看到是一个门电路! 这是一个NAND Gate(与非门)



那上面这个玩意画出来,究竟有哪些步骤?设计流程可以简单分成如下:


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第一步,制定规格


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。IC 设计也需要经过类似的步骤,才能确保设计出来的芯片不会有任何差错。


规格制定的第一步便是确定 IC 的目的、效能为何,对大方向做设定。接着是察看有哪些协定要符合,像无线网卡的芯片就需要符合 IEEE 802.11 等规范,不然,这芯片将无法和市面上的产品相容,使它无法和其他设备连线。最后则是确立这颗 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。


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第二步,设计芯片细节


制定完规格后,接着就是设计芯片的细节了。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 地功能表达出来。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。


32 bits 加法器的 Verilog 范例


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第三步,画出平面设计蓝图


再完整规画后,接下来便是画出平面的设计蓝图。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,反覆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。


控制单元合成后的结果


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第四步,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


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第五步,层层光罩,叠起一颗芯片


目前已经知道一颗 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。下图为简单的光罩例子,以积体电路中最基本的元件 CMOS 为范例,CMOS 全名为互补式金属氧化物半导体(Complementary metal–oxide–semiconductor),也就是将 NMOS 和 PMOS 两者做结合,形成 CMOS。至于什么是金属氧化物半导体(MOS)?这种在芯片中广泛使用的元件比较难说明,一般读者也较难弄清,在这里就不多加细究。



上图中,左边就是经过电路布局与绕线后形成的电路图,在前面已经知道每种颜色便代表一张光罩。右边则是将每张光罩摊开的样子。制作时,便由底层开始,依循上一篇 IC 芯片的制造中所提的方法,逐层制作,最后便会产生期望的芯片了。


整体来看,芯片设计是一门非常复杂的专业。多亏电脑辅助软体的成熟,才让 IC 设计得以加速。IC 设计厂十分依赖工程师的智慧,上面所述的每个步骤都有其专门的知识,皆可独立成多门专业的课程,像是撰写硬体描述语言就不仅仅需要熟悉程式语言,还需要了解逻辑电路是如何运作、如何将所需的演算法转换成程式、合成软体是如何将程式转换成逻辑闸等问题。


国内芯片设计行业现状



目前,国内芯片设计企业数量趋于稳定,截止2017年10月底,全国共有约1380家设计企业,比去年的1362家多了18家,总体变化不大。


2009-2017 年中国IC 设计公司数目(2017 为2017 年10 月)

数据来源:中国产业信息 制表:芯师爷


从设计业销售变化情况来看, 2017年全行业销售预计为1945.98亿元,比2016年的1518.52亿元增长28.15%,在全球集成电路设计业所占的比重再次大幅提高。


2014-2016 年中国IC 设计公司营收情况(2017 为2017 年10 月)

数据来源:中国产业信息 制表:芯师爷


2017年我国芯片设计业的从业人员规模与2016年的基本相同,略有增长,大约为14万人。


2016-2017 年中国不同方向IC 设计的收入规模(单位:亿元)

数据来源:中国产业信息 制表:芯师爷


从事通信芯片设计的企业从去年的241家增加到266家,销售额增长了30.7%,达到899.74亿元。


从事多媒体芯片设计的企业从去年的43家到增长72家,销售总额下降了0.63%,达到175.57亿元;


从事模拟芯片设计的企业数量从219家减少到180家,销售额增长了5.14%,达到68亿元。


从事功率器件设计的企业从77家增加到82家,销售额增长了155.14%,达到76.67亿元,为2017年增长最快的产品领域;


从事消费类电子芯片设计的企业数量从上年的589家增加到610家,销售增长45.2%,达452.33亿元,继续保持了2016年的快速增长势头。


从事智能卡芯片设计企业从上年的69家减少到62家,但销售总和上升了5.68%,达到139.15亿元。


从事计算机芯片设计的企业数量从去年的107家减少到85家,但销售提升了13.99%,达到128.28亿元。


2017年各类芯片设计企业数量及销售额

数据来源:中国产业信息  制表:芯师爷


2004年全球IC设计公司前50名中没有一家中国本土IC设计公司,2015 年海思半导体已经进入前十名,2016年海思与紫光展锐进入全球前十。此外北京豪威、中兴微电子、华大半导体、智芯微、汇顶科技等也进入前50,足以说明大陆本土IC设计公司的实力以及发展速度。


中国大陆十大芯片设计厂商



据集邦咨询最新研究报告指出,2017年中国IC设计业产值预估达人民币2006亿元,而2016年中国IC设计业的销售额为1644.3亿元,年增率为22%,预估2018年产值有望突破人民币2400亿元,维持约20%的年增速。


根据集邦咨询预估的2017年IC设计产业产值与厂商营收排名,今年前十大IC设计厂商排名相较于2016年的状况略有调整,大唐半导体设计将无缘前十,兆易创新和韦尔半导体凭借优异的营收表现进入营收排行前十名。


数据来源:集邦咨询  制表:芯师爷

备注:1)排名仅统计公司总部位于中国大陆的企业

2)豪威、ISSI等被中资收购,但截止数据统计前(2017/12)还未交由中古企业经营

1.海思半导体



官网:http://www.hisilicon.com/


公司简介:海思半导体有限公司成立于2004年10月,前身是创建于1991年的华为集成电路设计中心。海思公司总部位于深圳,在北京、上海、美国硅谷和瑞典设有设计分部。


海思的产品覆盖无线网络、固定网络、数字媒体等领域的芯片及解决方案,成功应用在全球100多个国家和地区;在数字媒体领域,已推出SoC网络监控芯片及解决方案、可视电话芯片及解决方案、DVB芯片及解决方案和IPTV芯片及解决方案。


主要产品:麒麟980、麒麟970、麒麟960、麒麟950、麒麟935、麒麟930、麒麟928、麒麟925、麒麟920、麒麟910T、Hi3789MK3V2

2.紫光展锐



官网:http://spreadtrum.com/en/index.html


公司简介:紫光集团于2013年收购展讯通信,2014年收购锐迪科,并于2016年将两者整合为紫光展锐。作为紫光集成电路产业链中的核心企业,紫光展锐致力于移动通信和物联网领域核心芯片的自主研发及设计,产品涵盖2G/3G/4G/5G移动通信基带芯片、物联网芯片、射频芯片、无线连接芯片、安全芯片、电视芯片等。


目前,紫光展锐的员工数量超过4500人,在全球拥有14个技术研发中心,8个客户支持中心,致力成为全球前三的手机基带芯片设计公司、中国最大的泛芯片供应商和中国领先的5G通信芯片企业,并通过自主创新和国际合作的双轮驱动,稳步成为世界数一数二的芯片设计企业。


主要产品:移动通讯芯片“虎贲”、泛连接芯片“春藤”

3.中兴微电子



官网:https://www.zte.com.cn/china/


公司简介:深圳市中兴微电子技术有限公司(以下简称“中兴微电子”)于2003年注册成立。中兴微电子以通信技术为核心,致力于成为全球领先的综合芯片供应商。中兴微电子前身是成立于1996 年的中兴通讯 IC 设计部, 主要从事有线、无线芯片的设计和开发工作,基带芯片从 3G、 WiMax、 LTE 等所有制式都是自主研发。


中兴微电子掌握国际一流的IC设计与验证技术,拥有先进的EDA设计平台、COT设计服务、开发流程和规范,自研芯片研发并成功商用的有100多种,覆盖通讯网络、个人应用、智能家庭和行业应用等“云管端”全部领域,在国内处于行业前列。


主要产品:NB-IoT芯片朱雀RoseFinch 7100

4.华大半导体



官网:http://www.hdsc.com.cn/


公司简介:华大半导体有限公司(简称华大半导体)是中国电子信息产业集团有限公司(CEC)整合旗下集成电路企业而组建的专业子集团。旗下有三家上市公司,总资产规模超过100亿。2014年5月8日在上海成立,专业从事集成电路设计及相关解决方案。


2017年位列国内集成电路设计企业第四名,在智能卡及安全芯片、智能卡应用、模拟电路、新型显示等领域占有较大的份额。


主要产品:新型显示、模拟电路、RFID、MCU、智能卡

5.汇顶科技



官网:https://www.goodix.com/


公司简介: 汇顶科技是一家基于芯片设计和软件开发的整体应用解决方案提供商,目前主要面向智能移动终端市场提供领先的人机交互和生物识别解决方案,并已成为安卓阵营全球指纹识别方案第一供应商。


产品和解决方案主要应用于华为、OPPO、vivo、小米、中兴、魅族、锤子、Amazon、Samsung、Nokia、Dell、HP、LG、ASUS、acer、TOSHIBA、Panasonic等国际国内知名品牌。


主要产品:屏下光学指纹识别技术、活体指纹识别方案、IFS、盖板指纹识别方案、Coating指纹识别方案、Goodix Link、AMOLED

6.智芯微



官网:http://www.sgcc.com.cn/html/sgcc_main/index.shtml


公司简介:北京智芯微电子科技有限公司(简称智芯微公司)成立于2010年,是国家电网公司所属芯片设计企业,注册资本50亿元。拥有广州分公司、深圳市国电科技通信有限公司(简称深国电)、国网思极紫光(青岛)微电子科技有限公司等3家分子公司。


智芯微公司打造基于顶层自主芯片引领和支撑,以安全传感、终端通信、能效控制为依托的业务发展模式,建设成为以智能芯片为核心的整体解决方案提供商。已开发“安全、主控、通信、传感、射频识别(RFID)”五大类 67 款芯片产品,累计销售各类芯片 8亿 颗。


主要产品:通信芯片、射频芯片、传感器

7.士兰微



官网:http://www.silan.com.cn/all/default.aspx


公司简介:杭州士兰微电子股份有限公司(上交所股票代码:士兰微,600460)坐落于杭州高新技术产业开发区,成立于1997年。士兰微是专业从事集成电路芯片设计以及半导体微电子相关产品生产的高新技术企业,公司现在的主要产品是集成电路和半导体产品。


主要产品:半导体分立器件成品、半导体分立器件芯片、计量类电路、MEMS传感器、消费类专用电路、数字音视频(含CD音响)电路、音响系统电路、功率驱动模块、LED照明驱动电路、电源管理电路、MCU电路

8.韦尔半导体



官网:http://www.willsemi.com/


公司简介:海韦尔半导体有限公司是一家以自主研发、销售服务为主体的半导体器件设计和销售公司,公司成立于2007年5月,总部坐落于有“中国硅谷”之称的上海张江高科技园区,在深圳、台湾、香港等地设立办事处。


公司主营产品包括保护器件 (TVS、TSS)、功率器件 (MOSFET、Schottky Diode、Transistor)、电源管理器件 (Charger、LDO、Buck、Boost、Backlight LED Driver、Flash LED Driver)、模拟开关等四条产品线,700多个产品型号,产品在手机、电脑、电视、通讯、安防、车载、穿戴、医疗等领域得到广泛应用。


主要产品:保护器件、肖特基二极管、场效应晶体管、双极性晶体管、电源管理、模拟开关、USB-C接口电路、射频器件、音频器件

9.中星微电子



官网:http://www.vimicro.com.cn/introduction.htm


公司简介:1999年,在国家工业和信息化部(原信息产业部)的直接领导下,在发改委、财政部、科技部、商务部、北京市人民政府和中关村管委会等有关部门的大力支持下,由多位来自硅谷的博士企业家在北京中关村科技园区创建了中星微电子有限公司,启动并承担了国家战略项目——“星光中国芯工程”,致力于数字多媒体芯片的开发、设计和产业化。


2005年,中星微电子在美国纳斯达克证券市场成功上市,成为第一家在纳斯达克上市的具有自主知识产权的中国芯片设计企业。此外, 中星微电子还是中国“数字多媒体芯片技术国家重点实验室”的依托单位,并承担了国家发改委、信息产业部、科技部、商务部等多项重大项目。


主要产品:SVAC视频安全摄像头芯片、人工智能SVAC视频安全头芯片、神经网络处理器、H.264解压缩芯片、高清图像采集模块、PC摄像头芯片

10.兆易创新



官网:http://www.gigadevice.com/


公司简介:北京兆易创新科技股份有限公司(简称“兆易创新”,沪市股票代码603986),成立于2005年4月,是一家以中国为总部的全球化芯片设计公司。


公司致力于各类存储器(SPI NOR FLASH®、SPI NAND FLASHTM)、控制器(GD32TM MCU)以及eMMC的设计研发,研发人员比例占全员比例60%以上,在中国大陆(北京/合肥/西安/上海/深圳)、香港、台湾、韩国、美国、日本、英国等多个国家和地区设有分支机构,营销网络遍布全球,并与多家世界知名晶圆厂、封装测试厂结成战略合作伙伴关系,为客户提供优质便捷的本地化支持服务。


主要产品:NOR Flash、SPI NAND Flash、GD32®Cortex®-M MCU


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*本文为芯师爷编辑,部分内容参考自中国报告网、中国产业信息、猎芯网,图片来自网络,且未能核实版权归属,不为商业用途,如有侵犯,敬请作者与我们联系info@gsi24.com




 

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