新三板半导体之芯片设计：智慧的结晶

2020-06-05 11:21

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。

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。