十年树木,中国半导体产业链繁荣的背后

 

　　“十年树木”，自2000年国务院发布18号文件至今，中国半导体产业这颗支撑中国电子业基础的大树已然树立，十一五规划中集成电路产值翻倍的计划提前完成，十二五计划有望再次翻倍，而这是建立在中国大陆的整个半导体产业链日渐完整和成熟的基础上的，由此还造就了不少上市企业，也带来了芯片设计公司的繁荣景象，本文通过勾勒整个产业的协同发展大局，为大家揭开芯片行业繁荣背后的秘密。

　　EDA厂商不断创新顺应需求

　　芯片公司之间激烈的竞争实际上促进了它们对EDA产品的需求，因为没有后者的帮助，芯片设计公司是难以获得市场竞争力的。SpringSoft亚太区销售副总裁林荣坚认为：“对于设计的重用, 以及第三方的IP使用，更先进的设计理念和方法学的引进，都表现得比过去更加的积极，尤其是验证团队及其验证方法更加得到重视。”由于涉及重用以及IP的广泛使用，芯片设计的工作更多的是集成，而由于不同功能模块来源广泛，系统验证变得更加重要。另一方面，由于设计规模加大和集成度的提高，验证的难度和挑战也在加大。因此，多数主流芯片设计公司已经在使用System Verilog Testbench以及UVM/VMM等先进的验证方法，同时更多的验证团队独立于设计团队，并且规模甚至超过设计团队。整个IC团队的工作已经分割为：核心IP设计与验证，系统集成，系统验证。

　　相应的，对于每个设计环节的EDA工具都会充分考虑对于核心竞争力的影响，并且对于EDA厂商的服务和技术支持也有更高的要求。比如从前许多设计公司满足于整套EDA设计流程，因为这样维护成本较低，保证芯片设计可以完成。但近年来更多芯片设计公司，包括主流的国内设计公司，都已开始采用混合不同厂商的EDA流程，因为这样可以保证更好的设计效率，甚至实现主流全套流程无法实现的性能。这样的设计流程的实现除了需要IC设计公司配备更专业的CAD团队，也对EDA工具的兼容性提出了更复杂的要求。

　　Cadence中国区总经理刘国军认为芯片的开发中软件开发的工作量早已经超过硬件本身，除了芯片设计本身也需要做参考设计，方案与系统的完整性这个趋势在国内尤其明显，因为国内很多整机厂商的设计能力还比较弱，需要一些完整的方案。这就对EDA的软硬件并行设计能力和系统级设计能力提出了极高的要求。如果能够根据系统要求对芯片作顶层优化1%，那么在硬件功耗方面会有50%的提高，这个设计的效率才是最大化的。

　　为了满足芯片设计公司的设计需求，EDA厂商也使出浑身解数，调整自己的产品和服务。Mentor Graphics总裁兼首席执行官Wally Rhines在介绍自己公司的产品策略时透露： Mentor Graphics的产品重点首先是低功耗，例如Vista，能让工程师在选择一个构架之前就可以评估功耗和性能之间的取舍关系。UPF则提供了工业标准的格式，这个格式能够在RTL级优化功耗。Mentor Graphics的Olympus的高级布线技术在物理布局级别提供了很多优化功耗的手段。

　　用ESL取代RTL，成为设计的“Golden Source”。这一策略已经推动了ESL设计工具在过去十年的快速发展(12%的市场复合成长率)。Mentor Graphics在ESL综合方面有压倒性的优势，Catapult C有超过50%的市场占有率。Mentor Graphics的Vista是基于System C的工具，能够做构架设计和虚拟原型设计。这些工具都有力地推动了ESL的发展。

　　Calibre是业界的物理验证的实际工业标准。到目前为止，Calibre是唯一拥有已验证的20纳米规范文件的验证平台。如今对28纳米和20纳米的设计进行多角多模(multi-corner multi-mode)优化的需求一直在增加，Mentor Graphics的Olympus已经从中受益。Mentor Graphics的嵌入式软件业务是公司增长最快的业务之一。“Embedded Sorcery System Analyzer”在今年的嵌入式系统会议上赢得了最佳展览奖。在嵌入式软件方面，开源和Linux是驱动力量，而Mentor Graphics是领导厂商。

　　Cadence的核心产品战略则是硅实现，也就是从逻辑到生产的整个流程。他们在全球已经有十几个20纳米的芯片实例，而国内首颗40纳米芯片，就是展讯在人民大会堂发布的TD手机芯片也是Cadence帮助实现的。同时为了增强这方面的技术实力，他们最近收购了两家公司。目的就是为了提高芯片设计公司的开发效率，尤其是日益繁重的软件开发，系统优化和系统验证，解决客户开发周期和系统复杂度可靠性的这对矛盾。

　　设计服务商成为产业链的串联者

　　对国内许多芯片公司来说，光有EDA工具也不够，还需要设计服务商来帮助设计。而且设计服务商这几年的在产业链的角色也已经开始慢慢转变。灿芯半导体SOC部资深总监杨展悌认为：“目前芯片的趋势是越来越往软硬件高度整合的方向迈进，并且不论在功能、功耗或价格等方面，都要有一定程度的市场区隔与定位，才能占有一席之地。这意味着一颗成功的芯片对工艺、周边串口以及整体功能的要求极高。之后仍需考虑在整个产业链合作伙伴的配合等因素。 这些都不是一般中小型IC设计公司能独立完成的，因此设计服务这一角色，已从以前的后段turnkey服务， 进入到今天的整体方案提供者， 接下来进入到未来的IC产业链整合者的角色。”

　　设计服务商的功能是越来越重要了，尤其在中国，很多整机厂商其实不具有芯片设计开发能力，但是他们能够获得国家的“核高基”芯片项目，这个时候就需要把这些项目外包给设计服务商，让他们来帮助开发。这类项目在很多设计服务商那里要占到一半的业务，这个也算是中国的特色业务吧。

　　当然设计服务商最重要的客户还是芯片设计公司，而这几年他们对设计服务的要求也是水涨船高。对此灿芯的杨展悌透露，芯片公司的要求主要体现在下面三点：

　　(1)IP的丰富性：芯片设计公司透过设计服务商来完成产品的一个主要原因是对于IP的需求，特别是在目前高速的串口以及高精度的模拟模块。这种需求是不分工艺的， 从0.18um到40nm都有。 因此设计服务商必须和第三方IP供应商及代工厂合作，来满足客户对IP的要求。

　　(2)解决方案的完整性：除了IP之外，整个IC由前端到后端的设计开发都要能满足客户的时效性与正确性。比如一个SoC，IP只是周边的部分，客户在CPU的选择与取得、使用开发板来平行开发软件、在先进工艺芯片的信号完整度与良率、后段到流片的严谨度与测试方法等等，都考验设计服务商是否有此完整的解决方案与实际成功案例，这是整个流程的问题，而非单一的环节。

　　(3)价格的竞争性：芯片市场价格的竞争人尽皆知，要在甚短的生命期得到一定的市占率，最后决定的因素就是价格。 市占率大，就有较大的议价能力， 进入良性循环， 反之被淘汰， 因此IC市场大体上来说只容得下前三名。谁能提供较低的成本， 谁就有吸引芯片设计公司最大的条件。

　　以上三点使得设计服务商成为整个产业链的串联者，它需要提供各类IP，提供整个设计流程的技术方案和支持，还要与晶圆代工厂合作帮助客户流片成功，整个过程中，与上下游的协作与互动是最最重要的。

　　以灿芯半导体为例，它的技术提供者之一是美国的Open Silicon, 其团队来自Intel。 因此灿芯的设计流程可谓承袭Intel，成熟与严谨的流程弥补了客户在设计与生产等方面的不足。在目前由0.18um到40nm许多的案例上，都有极高的成功率。 在晶圆厂的支持方面，中芯国际于2010年投资灿芯，灿芯也由此成为中芯国际的专属设计服务伙伴。灿芯不仅在财务上得到后盾，在先进工艺上有更大的发挥空间，以及在设计后段有着更紧密而有效率的支持。在IP的取得方面，除了中芯国际的庞大IP库，能满足客户的大部分需求外， 他们也与Synopsys， ARM等等一级 IP供应商签订战略联盟，让客户在选择不同工艺的高速串口IP，中央处理核心等等模块时，有着更佳更多的选择。

　　IP需求量持续增加

　　由于ARM授权模式的盛行，各类标准IP在芯片设计中的使用量越来越大。这些IP的大量使用，为SoC的开发带来了极大的便利性，尤其是在中国市场，这一需求非常旺盛，据业内人士透露，Synopsys的IP业务中，中国市场占据了25%的市场份额，这远远高于其EDA工具所占据的份额。这使得IP业务也成为EDA厂商竞相逐鹿的一个市场，Cadence也在这个业务方面投入了巨资购买IP。根据CEVA市场经理Eran透露：最近几年本土设计公司需求趋势主要是1、完整IP方案，包括处理器内核、使用标准总线协议的完整系统 (包括DMA、外围设备和接口)，以及完整的软件方案。2、更加重视通信和多媒体处理功能。当然传统的IP供应商还是占据主导地位，ARM是这个市场的领头羊，他们在今年与灿芯签订了一个全套产品线的战略合作授权协议，大大扩展了他们的服务对象和服务方式。同时准备在张江建立自己的研发中心，为中国市场提供更好的技术服务。

　　晶圆代工厂强调服务

　　晶圆代工厂是芯片设计的最后一道工序，所有设计的芯片最后都要流片成功才能量产，代工厂的生产工艺和技术服务对芯片设计公司也非常重要，这决定了一款芯片最终的功耗与成本。说到国内设计公司对晶圆厂的需求，华虹NEC销售与市场副总裁高峰认为：“由于普遍规模较小，研发能力与设计经验欠缺，国内设计公司更迫切需要代工厂突破传统晶圆代工模式，不仅能提供传统的制造服务，更需要提供包括工艺平台选择、单元库/IP/PDK在内的设计平台服务以及DFM、良率提升，封装测试在内的一站式全套服务。”说到中国本体的晶圆代工厂不能不提中芯国际，它的规模在世界上可以排在前四名，在国内率先提供了40纳米的制造工艺。中芯国际持续多年向国内设计公司，院校和科研机构提供MPW等服务。对于重要的战略合作伙伴，内部有专职的团队负责提供全方位的技术支持。另外，还有许多有特色的设计服务，例如提供ESD保护方面的设计检查等。目前的IP合作伙伴已经扩展到全球几十家IP供应商，有ARM，Synopsys等主流供应商，也不乏众多国内外中小型IP设计服务企业。对所有在开发的第三方IP设计项目，中芯国际内部也有一个严格的质量监督的流程，帮助IC设计公司把好第一关。为了更好的支持和协调中芯国际和设计服务公司的发展, 近期专门成立了ASIC管理团队, 跟踪和协助与设计服务相关的业务发展。

　　相对于中芯国际，华虹NEC和华润上华在生产工艺方面更加擅长模拟芯片和存储芯片的工艺，近年来，国内模拟芯片设计公司发展迅速，引发了对模拟芯片代工工艺的巨大需求。相对于数字IC，模拟器件要求代工的最大特点就是标准化程度差，导致移植性低，每家工厂做出的产品都有不同之处，这就要求设计公司与Foundry之间更加紧密的技术合作，设计公司需要代工厂提供客制化的工艺技术平台与器件结构以提升其产品的差异化创新优势。凭借与重要战略客户多年来的成功合作，模拟/电源管理芯片已发展壮大成为华虹NEC特色工艺平台之一，去年该业务实现了同比50%的高速增长率。