半导体深度研究报告之设计

華辰資本CELESTIAL CAPITAL专注中国产业结构升级与创新，聚焦新一代信息技术产业发展。2018年，在中国经济周期、产业周期、资本周期与政治周期四重叠加的特殊时期，本着“深耕产业、协同发展、价值驱动、重度赋能”的愿景，华辰资本（“华辰”）应运而生，致力成为中国最专业的创新型投资机构。华辰资本总部位于中国最具发展活力与科技创新的深圳，专注于包括云计算、大数据、人工智能、边缘计算、工业互联网、5G等新一代信息技术领域，通过扎实的体系化产业研究与理解能力，以投资银行、战略咨询、产业研究、产业基金等模式，为新一代信息技术企业提供企业融资、战略视野、市场协同，价值管理、供应链管理、资源整合等产业赋能。一、产业分析 ......................................................................................................................................................................... 3◼ 基本概念◼ 设计流程◼ 历史沿革与产业链构成◼ 数字芯片构架◼ 主流芯片构架◼ EDA工具◼ IP核二、市场分析 ......................................................................................................................................................................... 22◼ 芯片设计市场◼ EDA行业竞争◼ IP核市场◼ 芯片设计核心竞争力来源三、企业分析 ......................................................................................................................................................................... 33◼ 芯朋微.◼ 贝特莱◼ 寒武纪◼ 景嘉微©2019.01 Celestial Research 华辰产业研究院目录一、产业分析基本概念资料来源：公开信息、华辰资本整理图1 芯片电路外观图基本概念◼ 芯片设计是整个芯片行业的顶端，设计包含电路设计、版图设计和光罩制作。其中电路设计师整个设计的关键环节◼ 芯片设计本质是将具体的产品要求（功能、性能等）转化为物理层面的电路设计版图，并且通过制造环节最终实现产品化。4©2019.01 Celestial Research 华辰产业研究院产 业 分 析 |设计流程（1/5）资料来源：公开信息、华辰资本整理图2 芯片设计流程环节图市场和产品分析环节◼ 进行规格制定具体确定芯片产品要求，是设计芯片的重要环节，◼ 需求确定后，明确芯片系统功能的各项重要参数指标，包括功能、性能、尺寸以及工艺等。◼ 芯片正向设计是从市场未来需求着手，从开发成本和预期收益来衡量是否进行芯片的开发。具体设计的实现环节◼ 该环节包括结构设计、逻辑设计到光罩制作交付六个环节◼ 结构设计：根据系统功能设计进行结构设计，包括模拟设计，数字设计，实现功能模块。◼ 逻辑设计：给予算法和架构的逻辑单元设计，从而实现系统功能运算。目前芯片功能越来越强大，对架构和算法的要求相应提高。◼ 电路设计与物理设计：总体逻辑设计完成后，按照系统逻辑进行电路设计，以及实现电路在晶体管物理空间的版图设计。◼ 版图验证：按照设计要求进行功能测试。晶圆片很贵，验证工作需要很谨慎。◼ 光罩及交付制造：进行光罩制作和晶元刻蚀的制造环节。5©2019.01 Celestial Research 华辰产业研究院分析终端和集成厂商需求确定芯片产品的功能、性能、尺寸和工艺需求分析系统功能设计确定系统功能实现方案、画分子模块设置逻辑单元以实现系统功能性讲逻辑表达式通过电路实现结构设计逻辑设计电路设计将版图“印”在光罩上交付晶圆厂确保功能按照设计要求准确无误实现通过晶体管级设计将电路图转化为版图输出光罩制作和交付版图验证物理设计市场和产品分析环节具体实现环节制造环节产品要求设计版图生产产 业 分 析 |资料来源：公开信息、华辰资本整理图3 从上而下的系统级设计流程6©2019.01 Celestial Research 华辰产业研究院设计流程◼ 整个芯片设计从功能分析到软硬件接口为软硬件做前期准备，确定软硬件接口后，分别进行软件和硬件的设计开发。◼ 设计上，总体包含两个阶段；◼ 电路设计（前端设计）：从电路行为的描述开始，直到设计出相应的电路图，对于数字系统来说就是设计出逻辑图或逻辑网表；◼ 版图设计（后端设计）：根据逻辑图或者逻辑网表进一步设计集成电路的物理版图，即制造工艺所需要的研磨版（光罩）的版图；◼ 从下而上设计：PCB传统方法，从门级开始逐级向上组成寄存器（RTL）级模块，再由RTL模块构成电路系统，缺点无法完成十万门以上设计；◼ 从上而下设计：在EDA工具支持下逐步成为IC主要设计方法，从确定电路系统的性能指标开始，自系统级、寄存器传输级、逻辑级直到物理级逐级细化并逐级验证其功能性。好处是提高设计效率，降低周期和失败率。设计成功的电路/模块可以放入以后的设计中，形成IP，提高设计的再使用率；系统功能分析写设计说明书开发系统数学模型验证与修改算法软硬件功能划分定义软硬件接口软硬件协同仿真硬件电路与应用软件写软件设计说明书软件开发写硬件设计说明书开发硬件行为级模型可重用IP核划分产品发布IP1…..IpnSoC集成与验证产 业 分 析 | 设计流程（2/5）资料来源：公开信息、华辰资本整理图4 设计过程中进行的层级描述，不断反复检验7©2019.01 Celestial Research 华辰产业研究院• 行为描述：数字系统的行为，系统输入与输出之间的数学与物理关系• 结构描述：规定集成电路的组成和电路结构• 物理描述：系统的实现结构，即硅片上的物理结构描述方面• 系统算法级• 寄存器传输级• 逻辑级和电路级• 最底层的晶体管级电路设计抽象的层次• 行为综合：从系统算法级的行为描述到寄存器传输级的结构描述的转换• 逻辑综合：从寄存器级描述到门级逻辑级的转换• 版图综合：从门级描述到产生相应版图的综合综合方法（从高级别描述自动转换到低级别的描述的自动设计方法）产 业 分 析 | 设计流程（3/5）资料来源：公开信息、华辰资本整理图6 模拟芯片方面的指纹识别8设计流程◼ 不同功能芯片的设计会有差异，具体表现在设计流程和设计复杂程度上面◼ 芯片按功能可分为：模拟芯片、数字芯片，数字芯片又可通用数字芯片和专用数字芯片。◼ 模拟芯片设计：应用于图像，声音，触感，温度，湿度，微波，电信号处理等方面。设计强调功能电路的搭建和仿真。由于主要功能是处理模拟信号，种类细且繁，不要求先进工艺，所以对设计的流程和复杂程度要求稍低。◼ 数字芯片设计：1. 通用芯片：是指那些用户多、使用领域广泛、标准型的电路，如存储