芯片设计深度解析

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集成电路是电子信息产业的基石，而IC设计作为集成电路产业链上游，是最具发展活力和创新的重要环节，具有高投入、高风险、高产出的特点。

近年来中国芯片设计产业在提升自给率、政策支持、规格升级与创新应用等要素的驱动下，保持了高速成长的趋势。

根据SEMI数据，我国芯片设计行业保持了较快的增长态势，2020年我国芯片设计行业销售额首次突破500亿美元，全行业设计企业数量为2218家，同比增长24.6%。

资料来源：SEMI

根据芯片的制造流程，分为主产业链和支撑产业链。

主产业链分为设计、制造和封测。其中，芯片设计是关键，芯片制造最难突破，芯片封测国内已经发展到全球先进水平。

支撑产业链包括IP、EDA、材料和设备。

芯片设计 - 芯片制造主产业链关键环节

芯片设计在集成电路产业链的上游顶端，行业公司具有较大的价值量，行业整体呈现出“小而美”的特征，是半导体产业链中赚钱的环节。整体毛利率都在30%以上，都属于轻资产模式，固定资产周转率及ROE水平处于相对较高位置。

其包含电路设计、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。版图设计和光罩制作可以借助计算机程序。

芯片设计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。

芯片设计流程

芯片设计流程主要可分为前端设计（Front end）与后端设计（Backend），其中前端设计（也称为逻辑设计）主要涉及芯片的功能设计，后端设计（也称为物理设计）主要涉及工艺有关的设计，使其成为具备制造意义的芯片。

芯片设计和生产流程图:

细分来看，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。

芯片设计流程包含RTL编写、功能验证、逻辑综合、形式验证、DFT（Design for Testability）、布局布线、Sign Off、版图验证等多个流程。

芯片设计运作模式

上世纪80年代，电子行业出现了几种新的分工模式，包括IDM模式、Fabless模式和Fundary模式。

在台积电成立以前，半导体行业只有IDM一种模式。IDM模式的优势在于资源的内部整合优势，以及具有较高的利润率。

IDM（IntegratedDeviceManufacture）模式，即由一个厂商独立完成芯片设计、制造和封装三大环节，英特尔、三星和德州仪器是全球最具代表性的IDM企业。

Fabless即无晶圆制造的设计公司，是指专注于芯片设计业务，只负责芯片的电路设计与销售，将生产、测试、封装等环节外包的设计企业，代表企业有高通、博通、英伟达、AMD等。

Foundry即晶圆代工厂，指只负责制造、封测的一个或多个环节，不负责芯片设计，可以同时为多家设计公司提供服务的企业，代表企业有台积电、中芯国际、格罗方德等。

设计与制造的分工逐渐盛行，自身没有工厂的Fabless设计公司和专门提供半导体生产服务的代工企业分工合作的生产方式慢慢地发展了起来。

这种分工的好处是使得设计公司可以避免大规模的工厂投资，将更多精力聚焦在芯片设计方面，而代工企业凭借规模优势，在生产方面降低成本。

日本的半导体企业则没有采用这种设计和制造分工的方式，仍然坚持垂直一体化的生产方式。这样做的结果是当销售额减少的时候，由于前期的巨额投资，折旧费用依然庞大，导致企业利润承压，对后续的生产经营造成影响。

芯片设计竞争格局

IC设计行业中少数巨头企业占据了主导地位，其中美国IC设计行业处于领先地位。

根据分析机构ICinsights发布全球前15大半导体公司在2021年第一季度的表现状况显示，前15大半导体企业中，营收增长最高的四位AMD（93%）、联发科（90%）、高通（55%）、英伟达（51%）都是无晶圆IC设计厂商，第一季度营收年增长都超过了50%。

国内半导体产业链上游芯片设计环节公司主要涉及的领域包括存储芯片、射频芯片、图像传感器芯片、生物识别芯片、模拟器件芯片、WiFi芯片等，以及功率芯片、电源控制芯片、功能控制芯片等多个领域。

国内芯片设计总体来说体量尚小，芯片设计企业与全球主要对标企业的营收差距较大，大部分企业不到对标企业营收规模5%。相比之下，国外细分领域的芯片设计龙头公司收入基本都在上百亿美金的水平。

相关企业主要有华为的海思半导体、紫光展锐、北京豪威、中兴微电子、华大半导体、汇顶科技、格科微、卓胜微、瑞芯微和兆易创新等。

通过产业链上下游配合，国内芯片设计领域的细分龙头已经开始逐渐能够满足国内客户的部分替代性供应，这将给这些细分龙头带来较好的成长机遇和较大的市场空间。

EDA- 芯片设计上游工具

EDA是集成电路产业领域内属于“小而精”的产业链环节，是电子设计领域的“刚需”型生产工具，也是半导体行业最上游的“桂冠”。

TMT产业发展焦点的5G芯片、AI芯片，也是着眼于芯片设计，而芯片设计离不开芯片设计软件EDA，其可谓是芯片产业链“任督二脉”。

资料来源：国海证券

EDA是电子设计自动化（Electronic Design Automation）的缩写，是广义CAD的一种，是细分的行业软件，主要用于超大规模集成电路设计。

摩尔定律下集成电路产业快速发展，处于新制程和新工艺推进一线的晶圆厂从材料、化学、工艺过程控制等各种制造细节来创新、调试和求证；EDA软件需要借助晶圆厂积累的大量测试数据探索物理效应和工艺实施细节的准确和高精度模型化。

顶尖Fabless公司将基于此模型和工具进行芯片设计与试产，并且依托强大和丰富的芯片设计不断发现和排除新工艺节点在模型和制造中的各种量产问题。

在此期间，需要晶圆厂、Fabless、EDA等产业链环节的通力合作，反复迭代，以将达到商用和量产要求的工艺节点推向市场。

EDA产业竞争格局

目前全球EDA产业竞争格局主要由Cadence、Synopsys和西门子旗下的Mentor Graphics垄断，三大EDA企业占全球市场的份额超过60%。

从整体上看，本土EDA厂商主要能够提供的是部分环节的点工具，在产品完整度、集成度与整体服务能力上仍然差足巨较大。

在中国市场，EDA销售额的95%由以上三家瓜分，剩余的5%还有部分被Ansys等其它外国公司占据，给华大九天、芯禾科技、概伦电子、芯华章等国产EDA公司留下了极少的份额，且后者在工具的完整性方面与三强相比，有明显的差距。

EDA的重要性不言而喻，一旦EDA受制于人，整个芯片软件产业的发展都可能停摆。从长期的维度来看，随着我国在全球半导体产业链中扮演的角色愈发重要，发展本土EDA产业未来的大发展势在必行。

IP - 芯片设计上游工具

IC设计产业的发展离不开其上游生态链的支持，而IP正是集成电路设计产业链的上游关键环节。

半导体IP（IntellectualProperty）是指在集成电路设计中那些通过验证的、可重复使用的、具有特定功能的宏模块，可以移植到不同的半导体工艺中，主要客户为设计厂商。

使用IP模块能缩短芯片设计开发的时间，避免重复劳动，芯片设计公司可以将精力更多地用于提升核心竞争力的研发中。

按产品分类，IP可以大致分为处理器IP、有线接口IP、物理IP和数字IP四大类。其中处理器IP是目前全球最大的IP族群，市占率超过50%，代表性龙头主要有Arm、Imagination、CEVA；接口IP发展潜力最大，代表性龙头主要有新思科技和铿腾电子等。

近年在以5G、物联网、人工智能、云计算等为主的新兴应用领域强劲需求的带动下，全球集成电路产业恢复快速增长。

半导体产业中议价能力强的设计公司能够将晶圆、封测成本端影响更有效传导。叠加供需紧张下的马太效应，龙头设计公司能够在景气过程中持续获得量价齐升。

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