近年來我國設(shè)計產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，行業(yè)增速遠(yuǎn)超國際平均水平，華為海思已經(jīng)達(dá)到7nm先進(jìn)制程，在5G芯片技術(shù)上也走在世界前列。比特大陸、寒武紀(jì)科技等在ASIC芯片領(lǐng)域獨(dú)樹一幟，讓中國在芯片設(shè)計領(lǐng)域彎道超車成為可能。

圖片來自“123rf.com.cn”

作為亞洲數(shù)字芯片設(shè)計業(yè)Fabless的旗艦，海思布局了：

麒麟980采用7納米制程工藝、麒麟985將采用7nm+EUV工藝；

天罡芯片——業(yè)界首款5G基站核心芯片；

昇騰的“達(dá)芬奇架構(gòu)”，是全球首個實(shí)現(xiàn)全棧全場景的AI芯片；

巴龍基帶DSP芯片，吊打蘋果Intel三星聯(lián)發(fā)科；

除華為以外，以寒武紀(jì)、嘉楠耘智為首的AI獨(dú)角獸也在ASIC芯片領(lǐng)域領(lǐng)先世界：

寒武紀(jì)——2016年就發(fā)布了世界首款商用深度學(xué)習(xí)專用處理器寒武紀(jì)1A；

嘉楠耘智——挖礦用的ASIC芯片已經(jīng)達(dá)到全球領(lǐng)先的7nm制程。

百度、阿里、小米也加入了造芯隊伍：

百度——發(fā)布了云端的昆侖芯片

阿里——成立了平頭哥公司

小米——松果和大魚布局IoT芯片

但是，看到輝煌的同時，也該看到我國芯片設(shè)計業(yè)的軟肋：

（1）除海思外，缺乏穩(wěn)定居于全球Top 10的芯片設(shè)計巨頭

（2）芯片設(shè)計的生態(tài)需要完善，目前依賴海外ARM、MIPS等架構(gòu)授權(quán)

（3）EDA設(shè)計軟件被Cadence、Synopsys等世界巨頭壟斷

除海思這艘航空母艦外，fabless的突圍需要國產(chǎn)艦隊的支持：

韋爾股份：豪威科技是世界CIS巨頭 

匯頂科技：消費(fèi)電子芯片設(shè)計領(lǐng)軍  

圣邦股份：模擬芯片設(shè)計稀缺標(biāo)的 

卓勝微：通信射頻芯片自主可控 

兆易、瀾起、君正的存儲芯片設(shè)計 

另外，紫光微、景嘉微、復(fù)旦微、國科微、富瀚微、富滿微的細(xì)分芯片設(shè)計也提供了強(qiáng)大的fabless自主可控生態(tài)。

芯片設(shè)計在產(chǎn)業(yè)鏈中占據(jù)重要位置，技術(shù)壁壘高，需要大量的人力、物力投入，需要較長時間的技術(shù)積累和經(jīng)驗(yàn)沉淀。目前在全球集成電路設(shè)計市場中美國企業(yè)占據(jù)了半壁江山，中國設(shè)計產(chǎn)業(yè)在核心架構(gòu)與EDA工具方面仍然依賴國外授權(quán)。但近年來我國設(shè)計產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，行業(yè)增速遠(yuǎn)超國際平均水平，華為海思已經(jīng)達(dá)到7nm先進(jìn)制程，在5G芯片技術(shù)上也走在世界前列。比特大陸、寒武紀(jì)科技等在ASIC芯片領(lǐng)域獨(dú)樹一幟，讓中國在芯片設(shè)計領(lǐng)域彎道超車成為可能。

代工廠的出現(xiàn)大大促進(jìn)了半導(dǎo)體設(shè)計行業(yè)的發(fā)展

芯片的設(shè)計過程主要分為四個步驟：一、根據(jù)所需功能選擇相應(yīng)的芯片架構(gòu)與IP模塊；二、編寫出對應(yīng)的HDL代碼，并放到EDA tool中反復(fù)運(yùn)行測試，直到功能正確為止；三、將測試成功的代碼放入另一套EDA tool中進(jìn)行電路布局與繞線并檢測電路運(yùn)行情況；四、自底層開始，逐層為設(shè)計好的電路圖制作光罩，最終形成期望的芯片。

上世紀(jì)60年代，早期企業(yè)都是IDM運(yùn)營模式（垂直整合），這種模式涵蓋設(shè)計、制造、封測等整個芯片生產(chǎn)流程，這類企業(yè)一般具有規(guī)模龐大、技術(shù)全面、積累深厚的特點(diǎn)，如Intel、三星等。隨著技術(shù)升級的成本越來越高以及對IC產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)效率的要求提升，促使整個產(chǎn)業(yè)逐漸向設(shè)計、制造、封裝、測試分離的垂直分工模式發(fā)展。這種垂直分工的模式首先大大提升了整個產(chǎn)業(yè)的運(yùn)作效率；其次，將相對輕資產(chǎn)的設(shè)計和重資產(chǎn)的制造及封測分離有利于各個環(huán)節(jié)集中研發(fā)投入，加速技術(shù)發(fā)展，給新玩家一個進(jìn)入行業(yè)的切入點(diǎn)，例如技術(shù)水平較低的封裝檢測、設(shè)計突出的Fabless等。

自代工模式出現(xiàn)之后，全球集成電路設(shè)計行業(yè)一直呈現(xiàn)持續(xù)增長的勢頭。從營收增速角度來看，IC設(shè)計市場出現(xiàn)過兩次大規(guī)模增長。第一次是在2003-2004之間，主要由于Windows XP發(fā)布后帶來的個人PC換機(jī)潮。其次是2010年智能手機(jī)滲透率的加速提升帶來IC設(shè)計市場規(guī)模的大幅提升。雖然當(dāng)下智能手機(jī)、筆記本電腦等終端產(chǎn)品進(jìn)入成熟期，增量放緩，但是物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新興領(lǐng)域仍處于技術(shù)積累階段，市場規(guī)模較為有限，因此在2015年左右全球IC設(shè)計行業(yè)市場規(guī)模出現(xiàn)小幅萎縮，2016年全球IC設(shè)計行業(yè)市場規(guī)模再次實(shí)現(xiàn)增長，2018年全球IC設(shè)計行業(yè)銷售額為1139億美元。

我國半導(dǎo)體設(shè)計市場份額低，核心架構(gòu)和EDA工具受制于人

從IC設(shè)計市場區(qū)域份額來看，美國集成電路設(shè)計行業(yè)處于全球領(lǐng)先地位，2017年行業(yè)銷售額占全球集成電路設(shè)計業(yè)的 53%；中國臺灣地區(qū)占16%，位居第二；中國大陸地區(qū)IC設(shè)計銷售額占比較低，原因之一在于類似海思半導(dǎo)體、中興微電子和大唐微電子等國內(nèi)IC設(shè)計巨頭多數(shù)IC產(chǎn)品僅供自用，因此轉(zhuǎn)移它們自用的IC產(chǎn)品之外，中國大陸直接向市場供應(yīng)的IC產(chǎn)品銷售額僅占11%。

從IC設(shè)計企業(yè)實(shí)力來看，我國大陸缺乏全球性的IC設(shè)計企業(yè)。根據(jù)拓墣產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，2018年全球前十大IC設(shè)計企業(yè)中，美國擁有6個，中國臺灣擁有3個，德國有1個。而且前兩名博通和高通2018年營收分別為189和164億美元，兩者營收之和占據(jù)了全球前十大IC設(shè)計企業(yè)營收的50%。中國大陸目前還缺乏從營收體量上進(jìn)入全球前十的IC設(shè)計巨頭。

從研發(fā)支出角度來看，國內(nèi)IC設(shè)計企業(yè)與國際大廠有很大差距。根據(jù)IC Insights數(shù)據(jù)，2017年全球投入研發(fā)資金最多的前10大半導(dǎo)體廠主要為英特爾、高通、博通、三星等全球半導(dǎo)體巨頭。除了高通和東芝的研發(fā)開支相比2016年出現(xiàn)了負(fù)增長，其他廠商均呈現(xiàn)同比提升態(tài)勢。國內(nèi)IC設(shè)計廠商目前還沒有研發(fā)開支超過10億美元的，因此大陸IC設(shè)計產(chǎn)業(yè)的投資力度與其他大廠相比還存在一定差距。

從技術(shù)角度來看，我國IC設(shè)計的技術(shù)難題主要是核心架構(gòu)與EDA工具受制于人。

在核心架構(gòu)方面，高度依賴海外公司的IP授權(quán)。當(dāng)前國內(nèi)主流IC設(shè)計商采用購買國外CPU的IP授權(quán)，并借助現(xiàn)有的生態(tài)系統(tǒng)開拓市場。例如華為海思從2009年的K3到2018年的麒麟980，在國產(chǎn)SoC芯片領(lǐng)域取得較大突破，但是，華為手機(jī)SoC的麒麟芯片和服務(wù)器的鯤鵬芯片的架構(gòu)與指令集依然依賴ARM公司的授權(quán)，不僅許可費(fèi)高昂，而且每次授權(quán)期限僅僅4-5年，還被限定使用范圍。

ARM的授權(quán)模式分為三個等級：授權(quán)等級最低的是使用層級授權(quán)，擁有使用授權(quán)的用戶只能購買已經(jīng)封裝好的ARM處理器核心，而如果想要實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)。大多數(shù)缺乏研發(fā)設(shè)計能力的初創(chuàng)企業(yè)都選擇購買這種授權(quán)；授權(quán)等級較高的是內(nèi)核層級授權(quán)，指可以一個內(nèi)核為基礎(chǔ)然后在加上自己的外設(shè)形成MCU，例如三星、德州儀器(TI)、博通、飛思卡爾、富士通等等；授權(quán)等級最高的是架構(gòu)/指令集層級授權(quán)，指可以對ARM架構(gòu)進(jìn)行大幅度改造，甚至可以對ARM指令集進(jìn)行擴(kuò)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。

如今，我國80%的信息產(chǎn)業(yè)都是建立在他人的芯片平臺基礎(chǔ)上的。目前，國內(nèi)僅有中科院的龍芯和總參謀部的申威擁有自主架構(gòu)，前者用于北斗導(dǎo)航，后者用于神威超級計算機(jī)，民用領(lǐng)域基本是空白。從革命的角度看，申威比龍芯更具革命性，龍芯為了生態(tài)兼容了MIPS指令集，并在MIPS的基礎(chǔ)上擴(kuò)展形成了LoongISA，而申威則獨(dú)立開發(fā)了SW64指令。申威432大約與龍芯3A4000同一時期完成，在主頻和工藝上比龍芯3A4000更強(qiáng)，但在微結(jié)構(gòu)可能是龍芯的更好，兩者的性能可能會在伯仲之間。與申威432采用同一款內(nèi)核的服務(wù)器CPU，申威3232，這款芯片可以達(dá)到英特爾主流服務(wù)器的60%—70%。

在芯片設(shè)計的EDA工具方面，我國芯片設(shè)計公司也離不開Cadence、Synopsys等海外EDA軟件公司的授權(quán)。

EDA工具是電子設(shè)計自動化（Electronic Design Automation）的簡稱，利用EDA工具，工程師將芯片的電路設(shè)計、性能分析、設(shè)計出IC版圖的整個過程交由計算機(jī)自動處理完成。在集成電路動輒需要上億晶體管的今天，手工布線已然不可為，因此EDA已經(jīng)成為IC電子行業(yè)必備的設(shè)計工具軟件。到目前為止，全球EDA行業(yè)基本形成了三家鼎立的格局。這三家公司分別是，美國的新思科技（Synopsys）、同樣是來自美國的楷登電子科技（Cadence）、2016年被德國西門子收購的明導(dǎo)國際（Mentor Graphics）。僅2017年里，全球EDA行業(yè)的總收入中有70%被這三家公司瓜分。國內(nèi)的EDA企業(yè)主要有華大九天、概倫電子、廣立微、芯禾科技等。雖然近年來發(fā)展迅速，但與國外巨頭的技術(shù)與投入差距仍然較大。

我國半導(dǎo)體設(shè)計業(yè)發(fā)展迅速，有望在5G和ASIC芯片領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)彎道超車

從產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)來看，我國集成電路產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)正在不斷優(yōu)化。2011年，我國主要以技術(shù)含量較低的封測業(yè)為主，封測占比高達(dá)50.46%，超過設(shè)計和制造占比之和。2018年，我國的設(shè)計業(yè)成為集成電路產(chǎn)業(yè)鏈中占比最大的分支，占比高達(dá)38.57%，超過封測業(yè)的33.59%。我國的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)開始不斷優(yōu)化，以設(shè)計和制造為主的技術(shù)密集型企業(yè)占比正不斷提升。

從市場份額來看，我國半導(dǎo)體設(shè)計市場份額增速領(lǐng)先行業(yè)平均水平。自2010年以來，最大的無晶圓集成電路市場份額增長來自中國供應(yīng)商，10家中國無晶圓廠公司被列入2017年的無晶圓IC供應(yīng)商前50名名單，而2009年僅有一家。自2010年以來，最大的無晶圓集成電路市場份額增長來自中國供應(yīng)商，2010年占據(jù)5%的份額，但占2017年無晶圓IC總銷售量的11%。Unigroup（紫光）是2017年中國最大的無晶圓IC供應(yīng)商（也是全球第九大無晶圓供應(yīng)商），銷售額達(dá)21億美元。

從公司數(shù)量來看，我國IC設(shè)計企業(yè)數(shù)量增長迅速。自2012年以來，中國IC設(shè)計企業(yè)逐年增加，2015年底IC設(shè)計企業(yè)為736家，2016年實(shí)現(xiàn)脈沖式跳躍至1362家，增長率高達(dá)85%。2018年再次實(shí)現(xiàn)大幅增長，增加至1698家，增長率高達(dá)23%。

在ASIC芯片領(lǐng)域，國內(nèi)廠商已經(jīng)取得了一定成績。以比特大陸、嘉楠耘智為代表的礦機(jī)廠商采用的ASIC芯片已經(jīng)達(dá)到了7nm制程，在國際中處于較先進(jìn)地位。寒武紀(jì)科技推出的寒武紀(jì)1A處理器（Cambricon-1A）是世界首款商用深度學(xué)習(xí)專用處理器，面向智能手機(jī)、安防監(jiān)控、可穿戴設(shè)備、無人機(jī)和智能駕駛等各類終端設(shè)備，在運(yùn)行主流智能算法時性能功耗比全面超越CPU和GPU。同時，國內(nèi)各大科技互聯(lián)網(wǎng)巨頭都在投資布局ASIC芯片。2018年9月阿里巴巴成立平頭哥半導(dǎo)體芯片公司，其開發(fā)的自主嵌入式CPU在語音識別、機(jī)器視覺、無線連接、工業(yè)控制和汽車電子等領(lǐng)域已得到規(guī)?；膽?yīng)用，終端產(chǎn)品累計應(yīng)用已超10億顆。2019年4月，小米公司將旗下子公司重組，成立大魚半導(dǎo)體，專注于AI和IoT芯片與解決方案的技術(shù)研發(fā)。隨著未來人工智能與物聯(lián)網(wǎng)的潛能釋放， ASIC芯片將打開更大的市場空間。

在5G技術(shù)方面，我國已經(jīng)走在了世界前列。2019年1月華為發(fā)布了全球首款5G基站核心芯片“華為天罡”及5G多模終端芯片“Balong5000”。華為天罡可支持200M運(yùn)營商頻譜帶寬，可實(shí)現(xiàn)基站尺寸縮小超50%、重量減輕23%、功耗節(jié)省達(dá)21%，安裝時間比標(biāo)準(zhǔn)的4G基站7.5小時的安裝時間節(jié)省一半，有效解決站點(diǎn)獲取難、成本高等挑戰(zhàn)。Balong5000則是全面開啟5G時代的鑰匙，可以支持多種豐富的產(chǎn)品形態(tài)，除了智能手機(jī)外，還包括家庭寬帶終端、車載終端和5G模組等，將在更多使用場景下為廣大消費(fèi)者帶來不同以往的5G連接體驗(yàn)。