半导体之芯片设计：智慧的结晶

诸葛亮

芯片从宏观到微观，达到最底层，其实全是晶体管以及连接它们的导线。芯片的制造过程包括芯片设计、晶圆生产和芯片封装以及测试等环节；

1. 芯片设计：

芯片设计是行业的顶端，包含电路设计、版图设计和光罩制作。设计方

面的主要环节是电路设计，需要考虑多方面因素以及涉及多元知识结构。版图设计

和光罩可以借助计算机程序；

2. 晶圆生产：

包括了晶圆片生产环节、光罩光刻环节，晶圆处理和测试。其中光罩刻

蚀环节最复杂，刻蚀要求越来越高。高纯度硅晶片的提纯和切割同样依赖于工艺技

术。目前芯片的主要成本在晶圆生产环节；

3. 芯片封装：

芯片封装是对生产完毕的IC晶圆片进行切割和接线焊接以及装测，处于

行业下游，整体工艺和技术不断发展；

4. 芯片测试：

是对成品芯片进行检测，属于质量控制环节。

芯片设计，也叫集成电路设计，简称：IC设计（integrated circuit），这是整个产业链高端的部分，主要由于芯片核心的底层架构（知识产权和技术壁垒）被掌握在少数厂商手中，专利费可能达到设计成本的50%以上。

代表企业有：博通(NASDAQ:AVGO)、高通(NASDAQCOM)、英伟达(NASDAQ:NVDA)和华为企业旗下的海思。

芯片设计从功能到布线基本分为五个步骤，在设计过程中涉及芯片硬件设计和软件协同。

1. 功能设计阶段：确定产品的应用场合，设定诸如功能、操作速度、接口规格消耗功率

等规格制定，作为电路设计的依据。可同时规划软件模块及硬件模块的划分。

2. 设计描述和行为级验证：依据功能将SOC（System-on-a-Chip，系统级芯片）,划分为若干功能模块，并决定实现这些功能将要使用的IP核。此阶段间接影响SOC内部架构、各模块间互动的讯号，及未来产品的可靠性。之后，用VHDL 或Verilog 等硬件描述语言实现各模块的设计，和电路仿真器进行功能验证。该阶段仿真未考虑电路实际延迟，也无法获得精确结果。

3. 逻辑合成：确定设计描述正确后，使用逻辑综合工具（synthesizer）进行综合。综合

过程中，需要选择适当的逻辑器件库（logic cell library），作为合成逻辑电路时的参考依据。综合工具支持的HDL语法均是有限的，一些过于抽象的语法只适于作为系统评估时的仿真模型，而不能被综合工具接受。

4. 门级验证：门级功能验证是寄存器传输级验证。主要的工作是要确认经综合后的电路是否符合功能需求，一般利用门电路级验证工具完成。注意，此阶段仿真需要考虑门电路的延迟。

5. 电路布局与绕线：将设计好的功能模块合理地安排在芯片上，规划好它们的位置。各模块之间的连线通常比较长，因此，产生的延迟会严重影响SOC的性能，尤其在0.25微米制程以上，这种现象更为显著。 目前，这一个行业仍然是中国的空缺。

整个集成电路市场IC设计将近1000亿美元体量，前五名占据50%的市场份额，其中博通和高通占据30%。市场集中度非常高。

美国最近升级对华为的打压措施，禁止华为使用芯片设计中最常用的EDA软件。

EDA，电子设计自动化（Electronics Design AutomaTIon），作为计算机辅助工具，EDA工具软件可大致可分为芯片设计辅助软件、可编程芯片辅助设计软件、系统设计辅助软件等三类。可以进行电路设计与仿真，PCB自动布局布线，可输出多种网表文件与第三方软件接口。

作为芯片设计的关键软件技术，没有EDA几乎就无法研发出芯片，而高端的EDA软件目前被Cadence、Synopsys、Mentor三家美国公司垄断，这三家EDA软件公司占据了国内95%的市场份额。

诸葛亮

根据芯片功能的不同，可以将集成电路可以分为 CPU、GPU、FPGA、AISC、存储器、模拟电路等：

（1） CPU

中央处理器（CPU，Central Processing Unit）是一块超大规模的集成电路，是一台计算机的运算核心和控制核心。它的功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。

CPU 根据架构的不同主要可以分为四类：

X86：适合 windows 系统，专利在英特尔和 AMD 的手中，其他厂商很难取得授权。

ARM：适合手机和平板上的安卓和 IOS 系统，专利在 ARM 公司手中，需要付费使用。

MIPS、RISC-V：开源的指令集，可以免费使用，但是支持的应用生态较少。

PowerPC：PowerPC 架构 CPU 主要被 IBM 用于其小型机上。

从目前的 CPU 市场来看，国内在各类架构的 CPU 均有企业涉足，其中 ARM 架构的 CPU 海思取得了较大成功，MIPS 架构的 CPU 北京君正的在物联网领域有较大优势。

（2） GPU

图形处理器（英语：Graphics Processing Unit，缩写：GPU），又称显示核心、视觉处理器、显示芯片，是一种专门在个人电脑、工作站、游戏机和一些移动设备（如平板电脑、智能手机等）上图像运算工作的微处理器。目前，在桌面 GPU 市场，全球市场份额基本被英伟达和 AMD 占据，在手机 GPU 市场，以苹果、高通和 ARM 的 GPU 为主。

（3） FPGA

FPGA 是现场可编程门阵列，是指一切通过软件手段更改、配置器件内部连接结构和逻辑单元，完成既定设计功能的数字集成电路，又称为"万能芯片"。FPGA 的一大特点是可以通过编程实现任意芯片的逻辑功能，包括 ASIC、DSP 甚至 PC 处理器等。目前，FPGA 市场已经被 Xilinx 和 Atlera 两大巨头垄断，合计占据 90%市场，拥有 6000 多项专利对后来者形成了巨大的专利壁垒。我国目前 FPGA 领域的参与者主要有紫光同创（紫光集团的子公司）、高云半导体、上海安路、京微齐力，与国际巨头还有较大差距，主要以中低密度FPGA 为主，国内市场占有率不足 3%。

（4） AISC

AISC 是一种为专门目的而设计的集成电路，特点是面向特定用户的需求，ASIC 在批量生产时与通用集成电路相比具有体积更小、功耗更低、可靠性提高、性能提高、保密性增强、成本降低等优点。

（5） 存储芯片

与前面几种相比，存储芯片每个存储单元基本相同，设计环节难度较小、主要在制造环节难度较大。目前全球存储芯片市场上，DRAM 基本被三星、海力士和美光垄断，国内紫光集团、长江存储、福建晋华、兆易创新、合肥长鑫在进行 DRAM 相关的研发，未来随着产能释放有望实现国产化替代。

（6） 模拟芯片

模拟电路是处理模拟信号的电路，如话筒里的声音信号，电视信号和 VCD 输出的图像信号、温度采集的模拟信号和其它模拟量的信号处理的集成模块。与数字电路不同，模拟芯片研发周期较长、更新换代较慢，设计软件较少，注重设计人员的经验。从全球的模拟芯片企业来看，目前全球前 10大企业均为国外公司，还没有中国公司入围。

国内IC设计产品主要应用于：消费电子、通信、智能卡、计算机、多媒体、导航、功率、模拟芯片。

国内主要的芯片设计公司：

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海思半导体

海思半导体成立于2004年10月，总部位于深圳，在北京、上海、美国硅谷和瑞典设有设计分部。前身是创建于1991年的华为集成电路设计中心。 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。2017年，国内IC设计规模达到2073.5亿元，年增26.1%。华为海思半导体以361亿的销售额排在第一。 2017年约有7000万台手机搭载海思芯片，以去年全球发货量达到1亿5300万台而言，搭载海思芯片的手机占了45%。

紫光展锐

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。整合后的紫光展锐致力于移动通信和物联网领域的2G／3G／4G移动通信基带芯片、射频芯片、物联网芯片、电视芯片、图像传感器芯片等核心技术的自主研发。目前在全球设有16个技术研发中心及7个客户支持中心。2017年收入110亿元，仅次于华为海思半导体。

紫光展鋭加速向中、高端产品线布局，针对移动通信提出全新的芯片品牌"虎贲"，物联网芯片新品牌名称为"春藤"。

北京豪威

全球前三大图像传感器供应商，2018 年收入 100 亿元，同比增长 10.5%。

被韦尔股份(SH:603501)收购。上海韦尔半导体股份有限公司主营业务为半导体分立器件和电源管理IC等半导体产品的研发设计，以及被动件（包括电阻、电容、电感等）、结构器件、分立器件和IC等半导体产品的分销业务，这些产品广泛应用于移动通信、车载电子、安防、网络通信、家用电器等领域。

中兴微电子

中兴通讯的控股子公司，是全球少数能提供通信云、管、端全领域芯片的厂商。中兴微 2018 年营收61 亿元，同比下降了近 20%。

华大半导体

在新型显示方面的触控及 OLED 芯片技术全球领先。

格科微

主要产品为 CMOS 图像传感器。

紫光国微

国内领先的安全芯片供应商。

兆易创新(SH:603986)

产品以 MCU 和 NAND 及 NORFalsh 闪存芯片为主。

汇顶科技(SH:603160)

安卓阵营全球指纹识别芯片第一供应商，市占率全球领先。

北斗星通

导航芯片

国科微

高清监控芯片

纳斯达

打印机芯片

万盛股份

收购硅谷数模，数模混合芯片

盛科网络

以太网交换芯片

国微技术

视密卡设计

景嘉微

GPU芯片

紫光国芯

存储芯片、智能芯片、FPGA

全志科技

AP

中颖电子

显示屏驱动芯片、小家电 MCU 芯片、电源管理芯片

东软载波

载波通信芯片、智能集中器

上海贝岭

模拟和数模混合集成电路及系统解决方案

盈方微

SoC 芯片

圣邦股份

模拟/混合信号集成电路芯片

国民技术

安全芯片和通讯芯片

北京君正

32 位嵌入式 CPU 芯片、智能视频芯片

中科曙光

高端计算机、存储等设备，大数据、云计算。

富瀚微

视频编解码 SoC 和图像信号处理器芯片

国科微

广播电视系列芯片和智能监控系列芯片

瑞芯微

AP

3545.TW 敦泰

显示芯片、触控芯片

诸葛亮

新三板上的芯片设计企业有：

司南导航(OC:833972)：

北斗导航芯片，包括射频芯片和基带芯片，射频芯片负责接受和发射卫星信号，而基带芯片负责信号处理和解码。司南导航在多模宽带射频芯片排名第一 。详细分析文章见：《掘金新三板之司南导航：凭什么吸引中国卫星导航总工程师加盟？》

艾为电子 ( 833221.OC )

一家专注于高品质、高性能的模拟、数模混合信号、射频等IC设计，聚焦在手机、人工智能、物联网、汽车电子、可穿戴和消费类电子等领域 。目前，艾为推出了声、光、电、射、手五大产品线，四百余款自主知识产权的产品广泛应用于国内外手机及IoT品牌。

钜芯集成 ( 838981.OC )

致力于多媒体处理芯片、MCU 微控制芯片、RF 射频芯片的设计与开发以及系统集成与系统平台的建设与开发，客户主要分布于中国大陆、台湾、南美等地区。公司大股东为创业板上市公司思创医惠。

明波通信 ( 430368.OC )

主要从事数字电视领域大规模集成电路 ( IP/ASIC ) 及移动、车载多媒体芯片研究开发。

力生美(OC:837169)

专注于电源管理集成电路的设计、销售与技术服务企业，经过几年的发展和沉淀，目前已形成覆盖 0~75W 以下的多种电源解决方案的集成电路产品线。

华芯微 ( 871451.OC )

致力于开发、设计与销售具有自主知识产权的芯片产品，主要产品涵盖了MCU、马达驱动、射频、智能遥控、传感器芯片、电源管理等多种电子产品领域，产品广泛应用于安防、小家电、智能家居、传感器等多种消费类电子生活场景。

下面这些曾经在新三板挂牌，现在已经摘牌。

华澜微  834203：存储控制器芯片，已经摘牌。

芯朋微 (OC:430512)： 电源管理和驱动芯片，已经转科创板了。

思比科 833220 ： 图像传感器芯片，已经摘牌。

中感微 ( 835399.OC ) ，音频传感网芯片系列、视频传感网芯片系列和电池电源管理芯片系列。已经摘牌。

纳芯微 ( 838551.OC ) ，国内首款面向工业传感器领域的 NSX2860 系列高性能、高集成度传感器信号调理变送芯片和国内首款面向汽车前装市场的 NSX9260 系列汽车压力传感器调理芯片。已经摘牌

想实电子 ( 839648.OC ) ，主要从事高精度芯片的深度开发、设计、测试、销售。已经摘牌。

宏晶科技 ( 832193.OC ) ，位于合肥高新区，主营业务为芯片设计、开发、销售及相关技术服务，主要产品 MS9282 是目前市面上唯一一颗单芯片的 VGA/YPBPR-HDMI 视频处理芯片。已经摘牌。

可见，新三板上的芯片设计企业数量挺多，但是大部分都做的是竞争激烈技术门槛低的低端市场，盈利能力很差，因此不少都摘牌了。

也有少数不错的，比如芯朋微(KCB:A03823)，上了科创板。

目前来看，就是艾为电子 ( 833221.OC )和司南导航(OC:833972)是最为优质的两个企业。

其中，司南导航除了导航芯片，还有导航终端等其他产品，芯片占比不是很高，应该归类于导航行业。

艾为电子才是专注芯片设计的半导体企业。

一个人前行，不如一群人前行。