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        芯片設計產業深度解析

        來源:未知  瀏覽數:  發表日期:
          集成電路是電子信息產業的基石,而IC設計作為集成電路產業鏈上游,是最具發展活力和創新的重要環節,具有高投入、高風險、高產出的特點。
          近年來中國芯片設計產業在提升自給率、政策支持、規格升級與創新應用等要素的驅動下,保持了高速成長的趨勢。
          根據SEMI數據,我國芯片設計行業保持了較快的增長態勢,2020年我國芯片設計行業銷售額首次突破500億美元,全行業設計企業數量為2218家,同比增長24.6%。
          資料來源:SEMI
          根據芯片的制造流程,分為主產業鏈和支撐產業鏈。
          主產業鏈分為設計、制造和封測。其中,芯片設計是關鍵,芯片制造最難突破,芯片封測國內已經發展到全球先進水平。
          支撐產業鏈包括IP、EDA、材料和設備。
          
          芯片設計-芯片制造主產業鏈關鍵環節
          芯片設計在集成電路產業鏈的上游頂端,行業公司具有較大的價值量,行業整體呈現出“小而美”的特征,是半導體產業鏈中賺錢的環節。整體毛利率都在30%以上,都屬于輕資產模式,固定資產周轉率及ROE水平處于相對較高位置。
          其包含電路設計、版圖設計和光罩制作。設計方面的主要環節是電路設計,需要考慮多方面因素以及涉及多元知識結構。版圖設計和光罩制作可以借助計算機程序。
          芯片設計主要由于芯片核心的底層架構(知識產權和技術壁壘)被掌握在少數廠商手中,專利費可能達到設計成本的50%以上。
          
          芯片設計流程
          芯片設計流程主要可分為前端設計(Frontend)與后端設計(Backend),其中前端設計(也稱為邏輯設計)主要涉及芯片的功能設計,后端設計(也稱為物理設計)主要涉及工藝有關的設計,使其成為具備制造意義的芯片。
          
          芯片設計和生產流程圖:
          
          細分來看,設計從功能到布線基本分為五個步驟,在設計過程中涉及芯片硬件設計和軟件協同。
          芯片設計流程包含RTL編寫、功能驗證、邏輯綜合、形式驗證、DFT(DesignforTestability)、布局布線、SignOff、版圖驗證等多個流程。
          芯片設計運作模式
          上世紀80年代,電子行業出現了幾種新的分工模式,包括IDM模式、Fabless模式和Fundary模式。
          
          在臺積電成立以前,半導體行業只有IDM一種模式。IDM模式的優勢在于資源的內部整合優勢,以及具有較高的利潤率。
          IDM(IntegratedDeviceManufacture)模式,即由一個廠商獨立完成芯片設計、制造和封裝三大環節,英特爾、三星和德州儀器是全球最具代表性的IDM企業。
          
          Fabless即無晶圓制造的設計公司,是指專注于芯片設計業務,只負責芯片的電路設計與銷售,將生產、測試、封裝等環節外包的設計企業,代表企業有高通、博通、英偉達、AMD等。
          Foundry即晶圓代工廠,指只負責制造、封測的一個或多個環節,不負責芯片設計,可以同時為多家設計公司提供服務的企業,代表企業有臺積電、中芯國際、格羅方德等。
          設計與制造的分工逐漸盛行,自身沒有工廠的Fabless設計公司和專門提供半導體生產服務的代工企業分工合作的生產方式慢慢地發展了起來。
          這種分工的好處是使得設計公司可以避免大規模的工廠投資,將更多精力聚焦在芯片設計方面,而代工企業憑借規模優勢,在生產方面降低成本。
          日本的半導體企業則沒有采用這種設計和制造分工的方式,仍然堅持垂直一體化的生產方式。這樣做的結果是當銷售額減少的時候,由于前期的巨額投資,折舊費用依然龐大,導致企業利潤承壓,對后續的生產經營造成影響。
          
          芯片設計競爭格局
          IC設計行業中少數巨頭企業占據了主導地位,其中美國IC設計行業處于領先地位。
          根據分析機構ICinsights發布全球前15大半導體公司在2021年第一季度的表現狀況顯示,前15大半導體企業中,營收增長最高的四位AMD(93%)、聯發科(90%)、高通(55%)、英偉達(51%)都是無晶圓IC設計廠商,第一季度營收年增長都超過了50%。
          國內半導體產業鏈上游芯片設計環節公司主要涉及的領域包括存儲芯片、射頻芯片、圖像傳感器芯片、生物識別芯片、模擬器件芯片、WiFi芯片等,以及功率芯片、電源控制芯片、功能控制芯片等多個領域。
          國內芯片設計總體來說體量尚小,芯片設計企業與全球主要對標企業的營收差距較大,大部分企業不到對標企業營收規模5%。相比之下,國外細分領域的芯片設計龍頭公司收入基本都在上百億美金的水平。
          相關企業主要有華為的海思半導體、紫光展銳、北京豪威、中興微電子、華大半導體、匯頂科技、格科微、卓勝微、瑞芯微和兆易創新等。
          通過產業鏈上下游配合,國內芯片設計領域的細分龍頭已經開始逐漸能夠滿足國內客戶的部分替代性供應,這將給這些細分龍頭帶來較好的成長機遇和較大的市場空間。
          
          EDA-芯片設計上游工具
          EDA是集成電路產業領域內屬于“小而精”的產業鏈環節,是電子設計領域的“剛需”型生產工具,也是半導體行業最上游的“桂冠”。
          TMT產業發展焦點的5G芯片、AI芯片,也是著眼于芯片設計,而芯片設計離不開芯片設計軟件EDA,其可謂是芯片產業鏈“任督二脈”。

          資料來源:國海證券
          EDA是電子設計自動化(ElectronicDesignAutomation)的縮寫,是廣義CAD的一種,是細分的行業軟件,主要用于超大規模集成電路設計。
          摩爾定律下集成電路產業快速發展,處于新制程和新工藝推進一線的晶圓廠從材料、化學、工藝過程控制等各種制造細節來創新、調試和求證;EDA軟件需要借助晶圓廠積累的大量測試數據探索物理效應和工藝實施細節的準確和高精度模型化。
          頂尖Fabless公司將基于此模型和工具進行芯片設計與試產,并且依托強大和豐富的芯片設計不斷發現和排除新工藝節點在模型和制造中的各種量產問題。
          在此期間,需要晶圓廠、Fabless、EDA等產業鏈環節的通力合作,反復迭代,以將達到商用和量產要求的工藝節點推向市場。
          
          EDA產業競爭格局
          目前全球EDA產業競爭格局主要由Cadence、Synopsys和西門子旗下的MentorGraphics壟斷,三大EDA企業占全球市場的份額超過60%。
          從整體上看,本土EDA廠商主要能夠提供的是部分環節的點工具,在產品完整度、集成度與整體服務能力上仍然差足巨較大。
          在中國市場,EDA銷售額的95%由以上三家瓜分,剩余的5%還有部分被Ansys等其它外國公司占據,給華大九天、芯禾科技、概倫電子、芯華章等國產EDA公司留下了極少的份額,且后者在工具的完整性方面與三強相比,有明顯的差距。
          EDA的重要性不言而喻,一旦EDA受制于人,整個芯片軟件產業的發展都可能停擺。從長期的維度來看,隨著我國在全球半導體產業鏈中扮演的角色愈發重要,發展本土EDA產業未來的大發展勢在必行。
          
          IP-芯片設計上游工具
          IC設計產業的發展離不開其上游生態鏈的支持,而IP正是集成電路設計產業鏈的上游關鍵環節。
          半導體IP(IntellectualProperty)是指在集成電路設計中那些通過驗證的、可重復使用的、具有特定功能的宏模塊,可以移植到不同的半導體工藝中,主要客戶為設計廠商。
          使用IP模塊能縮短芯片設計開發的時間,避免重復勞動,芯片設計公司可以將精力更多地用于提升核心競爭力的研發中。
          按產品分類,IP可以大致分為處理器IP、有線接口IP、物理IP和數字IP四大類。其中處理器IP是目前全球最大的IP族群,市占率超過50%,代表性龍頭主要有Arm、Imagination、CEVA;接口IP發展潛力最大,代表性龍頭主要有新思科技和鏗騰電子等。
          近年在以5G、物聯網、人工智能、云計算等為主的新興應用領域強勁需求的帶動下,全球集成電路產業恢復快速增長。
          半導體產業中議價能力強的設計公司能夠將晶圓、封測成本端影響更有效傳導。疊加供需緊張下的馬太效應,龍頭設計公司能夠在景氣過程中持續獲得量價齊升。
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