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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!

2019-10-14 14:27
史晨星
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半导体全面分析系列分三篇,本篇是技术分析,上篇是市场分析(可点击),后篇是产业分析,敬请关注本公众号(史晨星 )。

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 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。

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