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半导体全面分析(二):设计两大巨头、EDA三分天下、四大指令集!

是说芯语 2021-01-17

The following article is from 史晨星 Author 史晨星


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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。



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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。

16.1 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。


16.2 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。


16.3 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。



16.4.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


16.5.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 Broadcom

2015 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 Qualcomm

1985 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,敬请关注本公众号(史晨星 shichenxing1)后续文章。


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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ARM。
1990 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ARM11。
2016 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。



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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 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。




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