工程師必讀｜晶片設計流程及代表企業詳解

導語

晶片設計位於半導體產業的最上游，是半導體產業最核心的基礎，擁有極高的技術壁壘，需要大量的人力、物力投入，需要較長時間的技術積累和經驗沉澱。

目前，國內晶片設計水平與國外仍有差距，本文將簡述晶片設計流程、國內晶片設計行業現狀及中國大陸十大晶片設計廠商三方面，更立體地介紹國產晶片設計行業。

晶片一般是指集成電路的載體，也是集成電路經過設計、製造、封裝、測試後的結果，通常是一個可以立即使用的獨立的整體。

一顆小小的晶片，卻包含了幾千萬個電晶體。

晶片是電子設備中最重要的部分，承擔著運算和存儲的功能。

我們知道建造樓房是需要施工設計圖的，有了施工設計圖，工人們才知道如何去操作。

因此，施工設計圖的重要性不言而喻。

有人把晶片製造比喻為建造樓房，晶片設計就是那張施工設計圖。

但不同的是，相比那張施工設計圖，晶片設計更為複雜，下面這張圖就可以說明。

晶片設計流程

要想造個晶片，首先，你得畫出來一個長這樣的玩意兒給Foundry (外包的晶圓製造公司)，如下圖：

放大一點：

再放大一點，我們可以看到是一個門電路! 這是一個NAND Gate(與非門)：

那上面這個玩意畫出來，究竟有哪些步驟？設計流程可以簡單分成如下：

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第一步，制定規格

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筑前，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。

IC 設計也需要經過類似的步驟，才能確保設計出來的晶片不會有任何差錯。

規格制定的第一步便是確定 IC 的目的、效能為何，對大方向做設定。

接著是察看有哪些協定要符合，像無線網卡的晶片就需要符合 IEEE 802.11 等規範，不然，這晶片將無法和市面上的產品相容，使它無法和其他設備連線。

最後則是確立這顆 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。

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第二步，設計晶片細節

制定完規格後，接著就是設計晶片的細節了。

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 晶片中，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 地功能表達出來。

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。

32 bits 加法器的 Verilog 範例

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第三步，畫出平面設計藍圖

再完整規畫後，接下來便是畫出平面的設計藍圖。

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。

控制單元合成後的結果

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第四步，電路布局與繞線

將合成完的程式碼再放入另一套 EDA tool，進行電路布局與繞線（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。

常用的演算晶片- FFT 晶片，完成電路布局與繞線的結果

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第五步，層層光罩，疊起一顆晶片

目前已經知道一顆 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。

下圖為簡單的光罩例子，以積體電路中最基本的元件 CMOS 為範例，CMOS 全名為互補式金屬氧化物半導體（Complementary metal–oxide–semiconductor），也就是將 NMOS 和 PMOS 兩者做結合，形成 CMOS。

至於什麼是金屬氧化物半導體（MOS）？這種在晶片中廣泛使用的元件比較難說明，一般讀者也較難弄清，在這裡就不多加細究。

上圖中，左邊就是經過電路布局與繞線後形成的電路圖，在前面已經知道每種顏色便代表一張光罩。

右邊則是將每張光罩攤開的樣子。

製作時，便由底層開始，依循上一篇 IC 晶片的製造中所提的方法，逐層製作，最後便會產生期望的晶片了。

整體來看，晶片設計是一門非常複雜的專業。

多虧電腦輔助軟體的成熟，才讓 IC 設計得以加速。

IC 設計廠十分依賴工程師的智慧，上面所述的每個步驟都有其專門的知識，皆可獨立成多門專業的課程，像是撰寫硬體描述語言就不僅僅需要熟悉程式語言，還需要了解邏輯電路是如何運作、如何將所需的演算法轉換成程式、合成軟體是如何將程式轉換成邏輯閘等問題。

國內晶片設計行業現狀

目前，國內晶片設計企業數量趨於穩定，截止2017年10月底，全國共有約1380家設計企業，比去年的1362家多了18家，總體變化不大。

2009-2017 年中國IC 設計公司數目（2017 為2017 年10 月）

數據來源：中國產業信息 制表：芯師爺

從設計業銷售變化情況來看， 2017年全行業銷售預計為1945.98億元，比2016年的1518.52億元增長28.15%，在全球集成電路設計業所占的比重再次大幅提高。

2014-2016 年中國IC 設計公司營收情況（2017 為2017 年10 月）

數據來源：中國產業信息 制表：芯師爺

2017年我國晶片設計業的從業人員規模與2016年的基本相同，略有增長，大約為14萬人。

2016-2017 年中國不同方向IC 設計的收入規模（單位：億元）

數據來源：中國產業信息 制表：芯師爺

從事通信晶片設計的企業從去年的241家增加到266家，銷售額增長了30.7%，達到899.74億元。

從事多媒體晶片設計的企業從去年的43家到增長72家，銷售總額下降了0.63%，達到175.57億元；

從事模擬晶片設計的企業數量從219家減少到180家，銷售額增長了5.14%，達到68億元。

從事功率器件設計的企業從77家增加到82家，銷售額增長了155.14%，達到76.67億元，為2017年增長最快的產品領域；

從事消費類電子晶片設計的企業數量從上年的589家增加到610家，銷售增長45.2%，達452.33億元，繼續保持了2016年的快速增長勢頭。

從事智慧卡晶片設計企業從上年的69家減少到62家，但銷售總和上升了5.68%，達到139.15億元。

從事計算機晶片設計的企業數量從去年的107家減少到85家，但銷售提升了13.99%，達到128.28億元。

2017年各類晶片設計企業數量及銷售額

數據來源：中國產業信息 制表：芯師爺

2004年全球IC設計公司前50名中沒有一家中國本土IC設計公司，2015 年海思半導體已經進入前十名，2016年海思與紫光展銳進入全球前十。

此外北京豪威、中興微電子、華大半導體、智芯微、匯頂科技等也進入前50，足以說明大陸本土IC設計公司的實力以及發展速度。

中國大陸十大晶片設計廠商

據集邦諮詢最新研究報告指出，2017年中國IC設計業產值預估達人民幣2006億元，而2016年中國IC設計業的銷售額為1644.3億元，年增率為22%，預估2018年產值有望突破人民幣2400億元，維持約20%的年增速。

根據集邦諮詢預估的2017年IC設計產業產值與廠商營收排名，今年前十大IC設計廠商排名相較於2016年的狀況略有調整，大唐半導體設計將無緣前十，兆易創新和韋爾半導體憑藉優異的營收表現進入營收排行前十名。

數據來源：集邦諮詢 制表：芯師爺

備註：1）排名僅統計公司總部位於中國大陸的企業

2）豪威、ISSI等被中資收購，但截止數據統計前（2017/12）還未交由中古企業經營

1.海思半導體

官網：http://www.hisilicon.com/

公司簡介：海思半導體有限公司成立於2004年10月，前身是創建於1991年的華為集成電路設計中心。

海思公司總部位於深圳，在北京、上海、美國矽谷和瑞典設有設計分部。

海思的產品覆蓋無線網絡、固定網絡、數字媒體等領域的晶片及解決方案，成功應用在全球100多個國家和地區；在數字媒體領域，已推出SoC網絡監控晶片及解決方案、可視電話晶片及解決方案、DVB晶片及解決方案和IPTV晶片及解決方案。

主要產品：麒麟980、麒麟970、麒麟960、麒麟950、麒麟935、麒麟930、麒麟928、麒麟925、麒麟920、麒麟910T、Hi3789MK3V2

2.紫光展銳

官網：http://spreadtrum.com/en/index.html

公司簡介：紫光集團於2013年收購展訊通信，2014年收購銳迪科，並於2016年將兩者整合為紫光展銳。

作為紫光集成電路產業鏈中的核心企業，紫光展銳致力於移動通信和物聯網領域核心晶片的自主研發及設計，產品涵蓋2G/3G/4G/5G移動通信基帶晶片、物聯網晶片、射頻晶片、無線連接晶片、安全晶片、電視晶片等。

目前，紫光展銳的員工數量超過4500人，在全球擁有14個技術研發中心，8個客戶支持中心，致力成為全球前三的手機基帶晶片設計公司、中國最大的泛晶片供應商和中國領先的5G通信晶片企業，並通過自主創新和國際合作的雙輪驅動，穩步成為世界數一數二的晶片設計企業。

主要產品：移動通訊晶片「虎賁」、泛連接晶片「春藤」

3.中興微電子

官網：https://www.zte.com.cn/china/

公司簡介：深圳市中興微電子技術有限公司（以下簡稱「中興微電子」）於2003年註冊成立。

中興微電子以通信技術為核心，致力於成為全球領先的綜合晶片供應商。

中興微電子前身是成立於1996 年的中興通訊 IC 設計部， 主要從事有線、無線晶片的設計和開發工作，基帶晶片從 3G、 WiMax、 LTE 等所有制式都是自主研發。

中興微電子掌握國際一流的IC設計與驗證技術，擁有先進的EDA設計平台、COT設計服務、開發流程和規範，自研晶片研發並成功商用的有100多種，覆蓋通訊網絡、個人應用、智能家庭和行業應用等「雲管端」全部領域，在國內處於行業前列。

主要產品：NB-IoT晶片朱雀RoseFinch 7100

4.華大半導體

官網：http://www.hdsc.com.cn/

公司簡介：華大半導體有限公司（簡稱華大半導體）是中國電子信息產業集團有限公司（CEC）整合旗下集成電路企業而組建的專業子集團。

旗下有三家上市公司，總資產規模超過100億。

2014年5月8日在上海成立，專業從事集成電路設計及相關解決方案。

2017年位列國內集成電路設計企業第四名，在智慧卡及安全晶片、智慧卡應用、模擬電路、新型顯示等領域占有較大的份額。

主要產品：新型顯示、模擬電路、RFID、MCU、智慧卡

5.匯頂科技

官網：https://www.goodix.com/

公司簡介： 匯頂科技是一家基於晶片設計和軟體開發的整體應用解決方案提供商，目前主要面向智能移動終端市場提供領先的人機互動和生物識別解決方案，並已成為安卓陣營全球指紋識別方案第一供應商。

產品和解決方案主要應用於華為、OPPO、vivo、小米、中興、魅族、錘子、Amazon、Samsung、Nokia、Dell、HP、LG、ASUS、acer、TOSHIBA、Panasonic等國際國內知名品牌。

主要產品：屏下光學指紋識別技術、活體指紋識別方案、IFS、蓋板指紋識別方案、Coating指紋識別方案、Goodix Link、AMOLED

6.智芯微

官網：http://www.sgcc.com.cn/html/sgcc_main/index.shtml

公司簡介：北京智芯微電子科技有限公司（簡稱智芯微公司）成立於2010年，是國家電網公司所屬晶片設計企業，註冊資本50億元。

擁有廣州分公司、深圳市國電科技通信有限公司（簡稱深國電）、國網思極紫光（青島）微電子科技有限公司等3家分子公司。

智芯微公司打造基於頂層自主晶片引領和支撐，以安全傳感、終端通信、能效控制為依託的業務發展模式，建設成為以智能晶片為核心的整體解決方案提供商。

已開發「安全、主控、通信、傳感、射頻識別（RFID）」五大類 67 款晶片產品，累計銷售各類晶片 8億 顆。

主要產品：通信晶片、射頻晶片、傳感器

7.士蘭微

官網：http://www.silan.com.cn/all/default.aspx

公司簡介：杭州士蘭微電子股份有限公司（上交所股票代碼：士蘭微，600460）坐落於杭州高新技術產業開發區，成立於1997年。

士蘭微是專業從事集成電路晶片設計以及半導體微電子相關產品生產的高新技術企業，公司現在的主要產品是集成電路和半導體產品。

主要產品：半導體分立器件成品、半導體分立器件晶片、計量類電路、MEMS傳感器、消費類專用電路、數字音視頻（含CD音響）電路、音響系統電路、功率驅動模塊、LED照明驅動電路、電源管理電路、MCU電路

8.韋爾半導體

官網：http://www.willsemi.com/

公司簡介：海韋爾半導體有限公司是一家以自主研發、銷售服務為主體的半導體器件設計和銷售公司，公司成立於2007年5月，總部坐落於有「中國矽谷」之稱的上海張江高科技園區，在深圳、台灣、香港等地設立辦事處。

公司主營產品包括保護器件 (TVS、TSS)、功率器件 (MOSFET、Schottky Diode、Transistor)、電源管理器件 (Charger、LDO、Buck、Boost、Backlight LED Driver、Flash LED Driver)、模擬開關等四條產品線，700多個產品型號，產品在手機、電腦、電視、通訊、安防、車載、穿戴、醫療等領域得到廣泛應用。

主要產品：保護器件、肖特基二極體、場效應電晶體、雙極性電晶體、電源管理、模擬開關、USB-C接口電路、射頻器件、音頻器件

9.中星微電子

官網：http://www.vimicro.com.cn/introduction.htm

公司簡介：1999年,在國家工業和信息化部（原信息產業部）的直接領導下，在發改委、財政部、科技部、商務部、北京市人民政府和中關村管委會等有關部門的大力支持下，由多位來自矽谷的博士企業家在北京中關村科技園區創建了中星微電子有限公司，啟動並承擔了國家戰略項目——「星光中國芯工程」,致力於數字多媒體晶片的開發、設計和產業化。

2005年，中星微電子在美國納斯達克證券市場成功上市，成為第一家在納斯達克上市的具有自主智慧財產權的中國晶片設計企業。

此外, 中星微電子還是中國「數字多媒體晶片技術國家重點實驗室」的依託單位，並承擔了國家發改委、信息產業部、科技部、商務部等多項重大項目。

主要產品：SVAC視頻安全攝像頭晶片、人工智慧SVAC視頻安全頭晶片、神經網絡處理器、H.264解壓縮晶片、高清圖像採集模塊、PC攝像頭晶片

10.兆易創新

官網：http://www.gigadevice.com/

公司簡介：北京兆易創新科技股份有限公司（簡稱「兆易創新」，滬市股票代碼603986），成立於2005年4月，是一家以中國為總部的全球化晶片設計公司。

公司致力於各類存儲器（SPI NOR FLASH®、SPI NAND FLASHTM）、控制器（GD32TM MCU）以及eMMC的設計研發，研發人員比例占全員比例60%以上，在中國大陸（北京/合肥/西安/上海/深圳）、香港、台灣、韓國、美國、日本、英國等多個國家和地區設有分支機構，營銷網絡遍布全球，並與多家世界知名晶圓廠、封裝測試廠結成戰略合作夥伴關係，為客戶提供優質便捷的本地化支持服務。

主要產品:NOR Flash、SPI NAND Flash、GD32®Cortex®-M MCU