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六、產業鏈
14. 上中下游
半導體產業鏈可分為上游（材料、設備）、中游（設計、製造、封裝）、下游應用三大環節
為了方便大家理解，我先從中游講起，半導體產業鏈中游是生產半導體產品的過程，包括設計、製造、封測三大環節
七、設計
15. 市場：萬億
根據 IC Insights，2018 年全球 IC 設計行業銷售額為 1139 億美元，中國佔 12%
2018 年中國集成電路設計行業產值達 2519 億元，複合增速 28%，企業數量達 1698 家，同比增加 23%，處於快速發展階段
16. 技術：設計流程
100 億個晶體管在指甲蓋大小的地方組成電路，想想就頭皮發麻！一個路口紅綠燈設置不合理，就可能導致大片堵車，電子在芯片上跑來跑去，稍微有個 PN 結出問題，電子同樣會堵車，所以芯片的設計異常重要
芯片製造的過程就如同用樂高蓋房子一樣，先有晶圓作為地基，再層層往上疊的芯片製造流程後，就可產出必要的芯片（後面會介紹），然而，沒有設計圖，擁有再強制造能力都沒有用1. 規格制定在 IC 設計中，最重要的步驟就是規格制定，這個步驟就像是在設計建築前，先決定要幾間房間、浴室，有什麼建築法規需要遵守，在確定好所有的功能之後在進行設計，這樣才不用再花額外的時間進行後續修改第一步：確定 IC 的目的、效能為何，對大方向做設定第二步：察看需要何種協議，否則芯片將無法和市面上的產品相容第三步：確立 IC 的實作方法，將不同功能分配成不同的單元，並確立不同單元間連結的方法，如此便完成規格的制定2. 設計芯片細節這個步驟就像初步記下建築的規畫，將整體輪廓描繪出來，方便後續製圖。在 IC 芯片中，便是使用硬體描述語言（HDL）將電路描寫出來。常使用的 HDL 有 Verilog、VHDL 等，藉由程式碼便可輕易地將一顆 IC 功能表達出來。接著就是檢查程式功能的正確性並持續修改，直到它滿足期望的功能為止
3. 設計藍圖在 IC 設計中，邏輯合成這個步驟便是將確定無誤的 HDL code，放入電子設計自動化工具（EDA tool），讓電腦將 HDL code 轉換成邏輯電路，產生如下的電路圖，之後，反覆的確定此邏輯閘設計圖是否符合規格並修改，直到功能正確為止
4. 電路佈局與繞線將合成完的程式碼再放入另一套 EDA tool，進行電路佈局與繞線（Place And Route）。在經過不斷的檢測後，便會形成如下的電路圖。圖中可以看到藍、紅、綠、黃等不同顏色，每種不同的顏色就代表著一張光罩
▲ 常用的演算芯片- FFT 芯片，完成電路佈局與繞線的結果
5. 光罩一顆IC 會產生多張的光罩，這些光罩有上下層的分別，每層有各自的任務。製作時，便由底層開始，逐層製作，完成目標芯片
在此過程中，常用的工具包括 IP 模塊和 EDA，下面會詳細介紹
17. 產業：全球兩大巨頭
根據 IC insights，2018 年前 10 大 Fabless 中，美國 6 家，中國臺灣 3 家，中國大陸 1 家前兩名博通和高通 2018 年營收分別為 189 和 164 億美元，兩者營收之和佔據了全球前十大 IC 設計企業營收的 50%
博通 Broadcom2015 年，原安華高科技以 370 億美金收購原博通公司成立，總部位於美國加州聖何塞和新加坡，產品為有線和無線通訊半導體，是全球最大的WLAN 芯片廠商2018 年，博通年營業收入 208 億美元，淨利潤 123 億美元
高通 Qualcomm1985 年，高通創立，總部設於美國加利福尼亞州聖迭戈市1989 年，推出用於無線和數據產品的碼分多址（CDMA）技術2018 年，營收 227 億美元，其中半導體收入174 億美元，專利技術授權收入 53 億美元，中國大陸收入佔 66.64%高通主營業務分兩部分，分別為QCT（高通半導體業務）與QTL（高通技術許可業務），QCT主要研發集成電路產品和系統軟件產品等，驍龍芯片就屬於其中；QTL 將擁有的 13 萬項全球範圍專利，收取高額的專利費用1.高額專利授權費：通過授權使用CDMA技術，收取高額費用2.專利反授權：高通依靠對CDMA的壟斷，要求所有獲得CDMA標準專利授權的廠商，必須向高通無償提供所有通信專利授權3.高通稅：高通強制規定，要求使用高通SOC的手機廠商，在繳納鉅額高通授權費後，還必須繳納相當於手機價格 5%—10% 的錢作為專利費，注意，是銷售定價，哪怕是你手機鑲上了 100 克拉的鑽石，也要按總售價收
18. 產業：中國
海思獨佔鰲頭，市場集中度低2018 年中國前十大 IC 設計公司合佔 38% 市場份額，其中華為海思 503 億元獨佔 20%，剩餘其他 IC 設計公司市佔率均不超過 5%
2018 年，IC 設計企業為 1698 家，銷售過億元的設計企業為 208 家，我國 IC 設計行業處於快速成長期
關於華為海思、紫光等的分析，敬請關注本後續文章八、IP 核
19. ISA 指令集
指令集（Instruction Set Architecture,ISA）為轉化操作任務成CPU（中央處理器）可以理解的底層代碼的一項硬程序，這一過程又叫做編譯（compile）。指令集，說白了就是計算機芯片的底層語言，裡面定義了加減乘除等等各類算法，再往下就是電信號、與非門。對於CPU來說，就是介於軟件和底層硬件之間的一套程序指令的合集。指令集存儲於CPU內部，引導CPU進行運算，並幫助CPU更高效地運行具體邏輯層次是這樣的：指令集→微架構→CPU→操作系統指令集可以分為精簡指令集 RISC（ReducedInstruction Set Computer）和複雜指令集 CISC（ComplexInstruction Set Computer）1978 年，英特爾率先提出了一個指令集：X86 架構。雖然能耗高點、體積大點，但性能那是嗖嗖的，幾乎壟斷了電腦芯片市場，成就瞭如日中天的英特爾。這相當於，英特爾提出造汽車用 4 個輪子，以後其他人想造 4 個輪子的汽車，就得先付授權費1979 年，美國加州大學伯克利分校的 David Patterson 教授發現整個指令集中，只有約 20％ 的指令會經常被使用到，大約佔了整個程序的80％，於是提出了 RISC 的想法，主張硬件應該專心加速常用的指令，較為複雜的指令則利用常用的指令去組合1983 年，實在忍受不了了，英國 ARM 公司提出了 2 個輪子的汽車方案 ARM 架構小結一下：X86 架構，能耗高、體積大、性能強，主要用於電腦ARM 架構，能耗低、體積小、性能弱，主要用於手機至於其他3個輪子或5個輪子的汽車，多多少少還是有些劣勢，沒有形成主流
現在世界上還活著的商用指令集只有 5 種，分別是X86、ARM、POWER（只用在IBM的服務器上，無關這裡的討論）、MIPS、RISC-V
RISC-V：1981 年 RISC-I 開發完成，2010 年加州大學伯克利分校的 DavidPatterson教授開發完成 RISC-V 指令集，非常精簡和靈活，BSD（BerkeleySoftware Distribution）開源協議允許使用者修改發佈和銷售。任何人都可以基於RISC-V指令集進行芯片設計和開發，然後拿去賣錢，而不需要支付授權費用
MIPS 全名為“無內部互鎖流水級的微處理器”（Microprocessor without interlocked pipedstages），1984年由斯坦福大學前校長JohnHennessy創立，比較開放、到處授權、而且不限制各自新增指令另搞一套，可想而知，就是軍閥割據，然後就被淘汰了。龍芯在2009年花了不到500萬美元，永久買斷了MIPS的授權，發展出了自己的指令集，叫LoongISA，並且增加了很多指令，實際已經趨近於複雜指令集。在這些指令集上面，只能運行Linux系統
20. IP 核
IP 核（Intellectual Property Core）是指在半導體集成電路設計中那些可以重複使用的、具有自主知識產權功能的設計模塊，設計公司無需對芯片每個細節進行設計，通過購買成熟可靠的IP方案，實現某個特定功能，這種類似搭積木的開發模式，縮短了芯片開發的時間，提升了芯片的性能IP 核有三種不同的存在形式：HDL 語言形式，網表形式、版圖形式，分別對應我們常說的三類 IP 內核：軟核、固核和硬核軟核是用 VHDL 等硬件描述語言描述的功能塊，並不涉及用什麼具體電路元件實現這些功能，優點是設計週期短，設計投入少，佈局和佈線靈活，缺點是一定程度上使後續工序無法適應整體設計，性能上也不可能獲得全面的優化，軟核通常以加密形式提供，實際的 RTL 對用戶不可見固核對軟核進行了參數化，用戶可通過頭文件或圖形用戶接口(GUI)方便地對參數進行操作，由於內核的建立(setup)、保持時間和握手信號都可能是固定的，因此其它電路的設計時都必須考慮與該內核進行正確地接口硬核提供設計階段最終階段產品——掩膜，以經過完全的佈局佈線的網表形式提供，同時還可以針對特定工藝或購買商進行功耗和尺寸上的優化，儘管硬核由於缺乏靈活性而可移植性差，但由於無須提供寄存器轉移級(RTL)文件，因而更易於實現 IP 保護21. 產業：全球2018 年全球半導體 IP 市場規模為 49 億美元，ARM 佔 41%
ARM 安謀1978 年，Acorn電腦公司在英國劍橋創立1985 年，研發出精簡指令集架構處理器，名為Acorn RISC Machine，簡稱ARM1990 年，蘋果、Acorn、VLSI 合資公司 ARM 正式成立
1997年，Nokia 推出 6110，內置貪吃蛇遊戲，Nokia Symbian 操作系統建立在ARM 架構上2007 年，iPhone 誕生了，採用了400MHz的ARM112016 年，被日本軟銀以234億英鎊（約合310億美元）的價格收購
ARM 指令集架構的主要特點：一是體積小、低功耗、低成本、高性能，非常適用於移動通訊領域二是大多數數據操作都在寄存器中完成，指令執行速度更快三是尋址方式靈活簡單，執行效率高四是指令長度固定，可通過多流水線方式提高處理效率ARM 做芯片的架構設計，相當於畫工程圖紙，然後把圖紙賣給各大芯片設計公司，這些公司基於這個原始圖紙，進行修改，最終設計自己想要的芯片，交付芯片工廠去生產出來，授權模式分為三個等級：
使用層級授權：用戶只能購買已經封裝好的 ARM 處理器核心，而如果想要實現更多功能和特性，則只能通過增加封裝之外的 DSP 核心的形式來實現。大多數缺乏研發設計能力的初創企業都選擇購買這種授權內核層級授權：指可以一個內核為基礎然後在加上自己的外設形成 MCU，例如三星、德州儀器(TI)、博通、飛思卡爾、富士通等等架構/ 指令集層級授權：可以對 ARM 架構進行大幅度改造，甚至可以對 ARM 指令集進行擴展或縮減，例如蘋果的 A 系列、高通的驍龍系列、華為的麒麟系列
22. 產業：中國國內僅有中科院的龍芯和總參謀部的申威擁有自主架構，前者用於北斗導航，後者用於神威超級計算機，民用領域基本是空白國內 IP 有華大九天、橙科微、IPGoal 和Actt等廠商。其中華大九天提供提供高速接口；橙科微則是Serdes IP供應商；IP Goal則提供包括USB1.1/2.0/3.0/codec/還有其他IO在內的數模混合類IP；ACTT的產品包括了Serdes、物聯網、指紋和傳感器等方面的低功耗IP
2018 年，杭州雲棲大會上，平頭哥半導體公司正式誕生2019 年，發佈首款處理器——玄鐵910，基於開源RISC-V架構
九、EDA
24. 市場
工業軟件是指工業範疇使用的軟件，可以分為研發設計類、生產調度和過程控制類，以及業務管理類
EDA 是電子設計自動化（ElectronicDesign Automation）的簡稱，是從計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助製造（CAM）、計算機輔助測試（CAT）和計算機輔助工程（CAE）的概念發展而來的
在EDA出現之前，設計人員必須手工完成芯片的設計、佈線，利用 EDA 工具，電子工程師可以從概念、算法、協議等開始設計電子系統，大量工作可以通過計算機完成，並可以將電子產品從電路設計、性能分析到設計出 IC 版圖或 PCB 版圖的整個過程在計算機上自動處理完成
EDA 包括電路設計與仿真工具、PCB 設計軟件、IC 設計軟件、PLD設計工具等
2018 年，全球 EDA 市場規模 97 億美金
25. 技術如果粗略地劃分，我們可以將EDA的CAD市場分為三部分：前端技術（frontend，包括Verilog等的模擬與器件組合），後端技術（backend，包括 Place＆Routing 芯片佈局與繞線），驗證技術（DRC／LVS等）
26. 產業：全球全球 EDA 市場基本上被三家公司壟斷：Cadence、Synopsys和 和 Mentor Graphics。其中規模最小的 Mentor Graphics 已經被西門子收購。三大 EDA 供應商都能提供全套的芯片設計解決方案，包括模擬、數字前端、後端、DFT、Signoff 等一整套設計工具
Synopsys 新思科技1986 年，Synopsys（新思科技）成立，由 Aart de Geus 帶領通用電氣公司微電子研究中心的工程師團隊創立，2008 年成為全球排名第一的EDA 軟件工具領導廠商，2018 財年營收 217 億元Synopsys 建立了完整的芯片 ASIC 設計 FLOW，包括：Verilog仿真工具 VCS、邏輯綜合工具 Design Compiler、物理佈局佈線工具 IC Compiler、形式驗證工具 Formality、時序分析工具 Prime TIme、參數提取工具 STAR-RC、版圖檢查工具 Hercules、還有 ATPG工具TetraMAX，可以說是集“廣、大、全”於一身Synopsys 通過發起幾十餘項併購交易，不斷尋找那些已經被市場證明成功的產品及其企業，通過滾動併購操作達到了擴大業務規模、進行技術整合的目的
Cadence 鏗騰
1986 年成立，2018 年營收 147 億元，是 EDA 業界第二廠商，公司產品集中在模擬電路、PCB 電路、FPGA 工具
除收購外，更重視新技術的開發，近兩年研發支出佔總營收的比例超過 40%
西門子明導 Mentor
1981 年成立，2016 年西門子以 45 億美元收購，是電路板解決方案的市場領導者
27. 產業：中國
1986 年，開始研發我國自有的集成電路計算機輔助設計系統——熊貓系統
2019年，華大九天、概倫電子、廣立微電子、芯禾科技四家本土企業參展DAC，DAC 是全球領先的技術性大會和電子設計自動化商展，被公認為電子系統設計和自動化的首要會議
華大九天1986 年，開始研發熊貓 ICCAD系統，2009 年成立，2018 年國家集成電路產業投資基金投資，可以提供完整的模擬電路設計平臺、SoC 優化工具平臺、顯示面板全流程設計平臺
