华辰资本-半导体深度研究报告之设计-2018.12-39页.pdf

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。42019.01 Celestial Research 华辰产业研究院产业分析|设计流程（设计流程（1/51/5）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。52019.01 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62019.01 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（设计流程（2/52/5）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72019.01 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（设计流程（3/53/5）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，如存储器(DRAM)、微处理器(MPU)及微控制器(MCU)等，反映了数字芯片的现状和水平。2.专用芯片(ASIC)：是指为特定的用户、某种专门或特别的用途而设计的电路。数字芯片进行逻辑运算（架构与算法），按照摩尔定律发展，芯片功能强大，所以设计较为复杂2019.01 Celestial Research 华辰产业研究院图5 数字芯片组成产业分析|设计流程（设计流程（4/54/5）资料来源：公开信息、华辰资本整理表1 模拟芯片与数字芯片的设计差异9模拟芯片数字芯片市场和产品分析环节需求分析依照需求开发依照需求开发系统功能设计较多的考虑功能和性能，特别是仿真能力，更加综合的考虑功能、性能、尺寸以及工艺等，特别是尺寸与工艺。具体实现环节结构设计更多的考虑电路功能的仿真，包括功耗，电流，电压，温度，压摆幅，输入输出特性等参数的仿真。对模块的设计需要更多考虑因素，包括功能、操作速度、接口规格消耗功率等规格制定，以及必要的接口和相应第三方协议。依据功能将系统划分为若干功能模块，各模涉及模拟和数字的设计逻辑设计架构和算法要求不高，整体设计需要设计师逐一画可以利用成熟的IP核设计，架构与算法要求极高、架构可以分为三种大的方向：1、数据流；2、控制流；3，总线流电路设计十分依赖工程师们的设计经验，没有较多辅助工具使用每一个模块都需要很多的时间去验证通过EDA等辅助工具进行电路设计，物理设计对晶体管数量要求不高，物理设计中对工艺要求没有数字芯片高，目前仍使用0.18um/0.13um考究工艺生产周期，工艺的成品率，工艺生产时间的安排等等各方面的考究，使用最先进的制程工艺，现阶段是16/14nm。版图设计依据所设计的电路画版图，对所画的版图进行仿真，并与前仿真比较，若达不到要求需修改或重新设计版图成熟的EDA工具及相应验证工具测试验证，以及进行电路版图的转换与输出光罩制作与交付光罩层少光罩层复杂产业分析|设计流程（设计流程（5/55/5）2019.01 Celestial Research 华辰产业研究院历史沿革与产业链构成（历史沿革与产业链构成（1/21/2）资料来源：公开信息、华辰资本整理图7 芯片设计的产业链条102019.11 Celestial Research 华辰产业研究院功能与规格设计电路设计芯片设计测试与模拟光罩制作薄膜装备光刻离子注入研磨与测试切割焊接封装测试芯片制造芯片封测EDAIP历史沿革芯片设计的产业链条伴随芯片产业经历三个发展历程：以人工设计为主时代。70年代，集成电路的主流产品是微处理器、存储器以及标准通用逻辑电路。芯片制造商(IDM)在IC市场中充当主要角色，IC设计只作为附属部门而存在。EDA工具引入芯片设计：80年代，集成电路的主流产品为微处理器(MPU)、微控制器(MCU)及专用IC(ASIC)。无生产线的IC设计公司(Fabless)与标准工艺加工线(Foundry)相结合的方式开始成为集成电路产业发展的新模式。随着EDA工具(电子设计自动化工具)的发展，PCB设计方法引入芯片设计之中，如库的概念、工艺模拟参数及其仿真概念等，设计开始进入抽象化阶段，使设计过程可以独立于生产工艺而存在。Fabless则为无晶圆厂模式，仅进行芯片产品的设计开发，制造和封测交由代工厂和封测厂进行，这种经营模式可有效降低成本和产品开发周期。目前多数芯片设计公司均采用这种模式。IP核+SoC：90年代，随着Internet的兴起，芯片产业跨入以竞争为导向的高级阶段，产业结构向高度专业化转化成为一种趋势，开始形成了设计业、制造业、封装业、测试业独立成行的局面。设计业中，独立IP的芯片知识产权公司,开始出现，系统级芯片（SoC）结合IP授权模式逐渐流行。产业分析|资料来源：广证恒生、华辰资本整理表2 芯片产业链下的特质与核心竞争、国产情况11芯片产业链与国产化竞争力设计：算法+硬件架构+电子工程，研发和技术壁垒极高。核心领域和国际领先水平差距巨大。制造：电子工程+制造。研发、资本投入、产能壁垒高，大基金一期重点投资，目前先进制程正在赶超、主流制程即将投产。封测：电子工程+制造。相比于制造壁垒较低，有望率先实现突破的领域。设备和材料：受益国内晶圆厂投资热潮，高端设备和材料国产化进程缓慢。产业链特质核心竞争力壁垒高低国产化进程驱动力设计算法+硬件架构+电子工程研发和技术高中低端迅速，核心领域差距巨大成本优势和市场政策和资本定制化服务能力低制造电子工程+制造研发和技术高先进制程赶超、主流制程投产政策和资本资本投入高产能和定价权中封测电子工程+制造研发和技术中参与国际竞争并购、市场和优势资本投入中产能和定价权中设备制造研发和技术高制造设备国外垄断、封测设备少数替代国内晶圆厂投资资本投入高材料化工+制造研发和技术、成本中LED/光伏等泛半导体材料国内晶圆厂投资2019.01 Celestial Research 华辰产业研究院产业分析|历史沿革与产业链构成（历史沿革与产业链构成（2/22/2）数字芯片架构（数字芯片架构（1/31/3）资料来源：公开信息、华辰资本整理图8 一种总线流的芯片架构图12架构类型通用型数字芯片运用越来越广泛，数字逻辑也变得越来越复杂，所以芯片设计必须从架构和算法上进行考虑，架构可以分为三种大的方向：数据流：数据从输入到输出是一条直线，并没有折回的数据，这是纯数据处理的一种架构，这种芯片功能比较单一；控制流：基于状态机或者CPU形式的一种架构设计。简单点的芯片就采用状态机。复杂的就必须采用CPU作为控制内核，比如单片机就是以CPU为控制内核，外加RAM,ROM所形成的一类控制类芯片；总线流：是基于总线的芯片设计架构，最典型的就是SOC类芯片，总线上连接着一个或多个CPU,RAM,ROM，I2C，UART等等之类的各种组件。由这些组件的不同排列组合，形成满足各种不同需求的芯片.例如不同的ARM类芯片。2019.01 Celestial Research 华辰产业研究院产业分析|资料来源：公开信息、华辰资本整理图9 集合多种功能模块的芯片模型13SOC技术SOC（System-on-chip），集成电路（IC）向集成系统（IS）转变下产生的，集合多种工艺集成技术和面向应用的系统级芯片。背景：20世纪90年代在芯片进入亚微米和纳米加工时代，受到使用ASIC实现芯片组而衍生出来。在单一集成电路上将计算机所有不同功能块一次直接集成于一颗硅片上，实现一个复杂的电子系统，包含完整系统并有嵌入软件的全部内容，如手机芯片、数字电视芯片等。定义狭义上：SOC是信息系统核心的芯片集成，将系统关键部件集成在一块芯片上广义上：SOC是一个微小型系统2019.01 Celestial Research 华辰产业研究院数字芯片架构（数字芯片架构（2/32/3）产业分析|资料来源：公开信息、华辰资本整理图10 Soc内嵌系统与功能图SOC设计过程SoC形成包含三个方面：给予单片集成系统的软硬件协同设计与验证开发和研究IP核生成及复用技术，特别是大容量的存储块嵌入的重复应用等。超亚微米（USDM），纳米集成电路的设计理论与技术。关键技术总线架构技术、IP核可复用技术、软硬件协同技术、SoC验证技术、可测性设计技术、低功耗设计技术、超亚微米电路实现技术等。此外还要做嵌入式软件移植、开发研究，是一门跨学科的新兴领域；发展状况当前SoC性能原来越强、规模越来越大，一般要大于ASIC，同时由于纳米工艺带来的设计困难，使得SoC设计的复杂度提高。其设计中，仿真与验证最为复杂，耗时最长，约占整个芯片开发周期的50%-80%；SoC技术基于平台的设计最大程度达到系统设计重用，分享IP核开发和系统集成成功，不断重整价值链。SoC技术平台在关注面积、延迟、功耗的基础上，向成品率、可靠性、EMI（电磁干扰）噪声、成本、易用性等转移，系统级集成能力快速发展；当前无论国外还是国内，在SoC设计领域竞争不断激烈；142019.01 Celestial Research 华辰产业研究院数字芯片架构（数字芯片架构（3/33/3）产业分析|资料来源：公开信息、华辰资本整理图11 ARM Cortex-A73 SoCARM 架构体系ARM是高级精简指令集的简称（Advanced RISC Machine），它是一个32位的精简指令集架构，但也配备16位指令集，一般来讲比等价32位代码节省达35%，却能保留32位系统的所有优势。ARM处理器的主要特点是：体积小、低功耗、低成本、高性能ARM被广泛应用在嵌入式系统中，支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好的兼容8位/16位器件；大量使用寄存器，指令执行速度更快；大多数数据操作都在寄存器中完成；寻址方式灵活简单，执行效率高；指令长度固定；Load_store结构：在RISC中，所有的计算都要求在寄存器中完成。而寄存器和内存的通信则由单独的指令来完成。而在CSIC中，CPU是可以直接对内存进行操作的 流水线处理方式；地位ARM 作为业界顶尖的32 位RISC 嵌入式处理器，占有嵌入式处理器75以上的市场。它不生产和销售芯片，只是出售芯片技术授权。ARM 嵌入式微处理器是一种高性能、低功耗的RISC 芯片，大量应用于电子设备、无线系统、汽车、工业控制等各类产品中。ARM 公司提出用于SoC 设计中的AMBA 总线结构，由于它的高性能，以及ARM 微处理器的广泛应用，已经成为了SoC 设计中使用相当广泛的总线标准。152019.01 Celestial Research 华辰产业研究院主流芯片架构（主流芯片架构（1/41/4）产业分析|资料来源：公开信息、华辰资本整理表3 英特尔与ARM的架构竞争与对比X86架构是芯片巨头Intel设计制造的一种微处理器体系结构的统称。如今我们所用的PC绝大部分都是X86架构。其采用CISC（Complex Instruction Set Computer，复杂指令集计算机）架构。与采用ARM的RISC不同的是，在CISC处理器中，程序的各条指令是按顺序串行执行的，每条指令中的各个操作也是按顺序串行执行的。顺序执行的优点是控制简单，但计算机各部分的利用率不高，执行速度慢。CPU的研发三个步骤：指令集 CPU内核（微架构）CPU芯片研发指令集：微处理器的芯片级“语言”；CPU内核（微架构）：CPU的基本组成单元，具体电路实现方式被称为微架构，是技术壁垒最高的部分；CPU芯片研发：利用指令集和微架构进一步开发CPU芯片。英特尔和ARM垄断指令集和微架构英特尔的X86指令集主要应用于PC和服务器市场，市占率接近100%；ARM指令集聚焦于低功耗设计，占据智能手机95%市场份额、物联网MCU50%市场份额。16公司INTELARM指令集X86ARM核心/微架构Haswell系列Cortex系列应用场景PC和服务器嵌入式领域：智能手机，物联网市占率接近100%智能手机95%，物联网MCU 50%授权使用AMD和VIA苹果，三星，高通，华为，紫光，瑞芯微，全志科技2019.01 Celestial Research 华辰产业研究院主流芯片架构（主流芯片架构（2/42/4）产业分析|资料来源：电子工程世界、华辰资本整理图12 MIPS架构logo图MIPS 架构MIPS架构（英语：MIPS architecture，为Microprocessor without interlocked piped stagesarchitecture的缩写，亦为Millions of Instructions Per Second的相关语），是一种采取精简指令集（RISC）的处理器架构，1981年出现，由MIPS科技公司开发并授权，广泛被使用在许多电子产品、网络设备、个人娱乐装置与商业装置上。最早的MIPS架构是32位，最新的版本已经变成64位；MIPS的基本特点是：1.包含大量的寄存器、指令数和字符；2.可视的管道延时时隙；这些特性使MIPS架构能够提供最高的每平方毫米性能和当今SoC设计中最低的能耗。中国无晶圆厂晶片供应商如神州龙芯、珠海炬力以及北京君正等业者都是MIPS的使用者，但是整体市场份额已经远远落后于intel和arm。2017年9月，Imagination Technologies宣布将公司卖给中资凯桥，并同意将旗下MIPS CPU业务卖给Tallwood Venure Capital。其于2012年1亿美元并购MIPS172019.01 Celestial Research 华辰产业研究院主流芯片架构（主流芯片架构（3/43/4）产业分析|资料来源：电子工程世界、华辰资本整理图13 RISC-V基金会的成员18RISC-V的冲击RISC-V（第五代精简指令集）是David Patterson教授基于其30多年在精简指令集RISC领域的深入积累，在2010年到2014年期间带领团队研发出的最新一代CPU芯片设计指令集。RISC-V是基于精简指令集计算(RISC)原理建立的开放指令集架构(ISA)，特点RISC-V指令集完全开源、设计简单、易于移植Linix系统；采用模块化设计，拥有完整工具链；基于RISC-V指令集架构可以设计服务器CPU，家用电器CPU，工控CPU和传感器CPU。作为一个开源的指令集架构，RISC-V让用户有机会避免Intel x86知识产权体系的锁定和ARM高昂的芯片特许使用费，这使得全球芯片行业的企业都对RISC-V报以极大的关注和兴趣。RISC-V带给中国CPU和芯片行业发展的历史性机遇中国面临的知识产权受限、生态体系缺失、研发成本高昂、市场需求复杂等因素，有可能借助RISC-V的开源性而有所突破。开源开放突破知识产权壁垒；流片验证确保体系完整；精简指令降低研发成本；扩展模块满足不同应用场景需求。由于RISC-V具有与众不同的模块化架构，能够灵活搭配，可以满足各类应用场景对处理器芯片的不同要求。物联网、云计算、人工智能、大数据、辅助及自动驾驶等诸多定制化的工业、民用等领域，RISC-V都能够提供灵活高效并且相互兼容的解决方案定义安全自主可控芯片，因RISC-V的扩充弹性优势，中国有机会定义自已的安全和其他扩充指令集。2019.01 Celestial Research 华辰产业研究院主流芯片架构（主流芯片架构（4/44/4）产业分析|图14 EDA一种编辑展示图19电子设计自动化EDAEDA是电子设计自动化（Electronics Design Automation）的缩写，在20世纪60年代中期从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）的概念发展而来的；设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言VerilogHDL完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作；利用EDA工具，电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程的计算机上自动处理完成；EDA设计可分为系统级、电路级和物理实现级；2019.01 Celestial Research 华辰产业研究院资料来源：电子工程世界、华辰资本整理产业分析|电子设计自动化电子设计自动化EDAEDA资料来源：公开信息、华辰资本整理图15 FFT IP core的用户界面IP核IP核，全称知识产权核（英语：intellectual property core），是在集成电路的可重用设计方法学中，指某一方提供的、形式为逻辑单元、芯片设计的可重用模组；IP核特点：IP核通常已经通过了设计验证，设计人员以IP核为基础进行设计，可以缩短设计所需的周期，IP核可以通过协议由一方提供给另一方，或由一方独自占有；IP核划分三类，分为软核、硬核和固核软核通常是与工艺无关、具有寄存器传输级硬件描述语言描述的设计代码，可以进行后续设计；硬核是前者通过逻辑综合、布局、布线之后的一系列表征文件，具有特定的工艺形式、物理实现方式；固核则通常介于上面两者之间，它已经通过功能验证、时序分析等过程，设计人员可以以逻辑门级网表的形式获取；202019.01 Celestial Research 华辰产业研究院产业分析|IPIP核（核（1/21/2）该IP核完成实数、复数信号的FFT以及IFFT运算，提供三种结构，分别为：流水线，Streaming I/O结构：允许连续的数据处理；基4，Burst I/O结构：提供数据导入导出阶段和处理阶段；基2，Burst I/O结构：使用最少的逻辑资源，其配置界面有3页，第一页主要用于配置实现结构；第二页配置数据位宽以及数据处理操作；第三页配置数据缓存空间；资料来源：公开信息、华辰资本整理图16 ARM Processing IPIP核作用IP核是芯片开发与系统设计的基本单元。到了SOC 阶段，IP核设计已成为ASIC电路设计公司和FPGA提供商的重要任务，也是其实力体现。对于FPGA 开发软件，其提供的IP核越丰富，用户的设计就越方便，其市场占用率就越高。独立设计成果被交换、转让和销售专业IP核公司芯片从头开发成本太高，企业无法承担，而且也并没有必要从0开始设计；当前出现更多成熟的设计模组，可以重复使用；如ARM芯片开发，并将技术授权其他芯片开发设计公司。其他得到ARM芯片的IP核，并根据细分市场的需求进行有针对性的开发。ARM提供广泛地产品，包括：32位RISC微处理器、图形处理器、视频引擎、软件(enabling software)、单元库、嵌入式存储器、高速连接产品(PHY)、I/O(外设)和开发工具。ARM公司综合了全面设计、培训、支持和维护方案等服务，通过协同众多技术合作伙伴为业界领先的电子企业提供快速、可靠的完整系统解决方案；212019.01 Celestial Research 华辰产业研究院产业分析|IPIP核（核（2/22/2）二、市场分析资料来源：广证恒生、wind、华辰资本整理图17 2010年到2017年全球各地区IC设计产业营收比重比较23图18 IC设计公司变化（单位：家）69%4%1%17%5%4%53%2%1%16%11%17%0%10%20%30%40%50%60%70%80%美国欧洲日本台湾中国大陆其他地区20102017124.30 186.2225.7235.18269.92363.85526.4621.68808.81047.413251644.32073.5390052.51%49.80%21.21%4.20%14.77%34.80%44.68%18.10%30.10%29.50%26.50%24.10%26.10%23.40%0.001000.002000.003000.004000.005000.000.00%10.00%20.00%30.00%40.00%50.00%60.00%IC设计业营收同比534569632681736136213800%7%11%8%8%85%1%0%20%40%60%80%100%0500100015002011201220132014201520162017芯片设计公司数量增长率市场变化从全球市场来看，美国是IC设计的主要获利方，并占据全球一半以上份额，其次是台湾地区，依旧保持了其在IC设计上的市场占有率。国内市场增长较大，全球其他地区增长了13%。整体看，芯片设计的格局没有发生较大变化，国内以及全球其他地区需求带动设计市场份额有所提高从国内看，2016年国内芯片设计的从业公司迅速增长，公司总数达到1362家，同比增长85%，2017年又增加18家。但是近88.62%的企业员工人数不足100，规模小。国内IC设计产业的产值也不短增长，从2012年开始，经历了近6年的持续增长势头，预计2020年，产值达到3900亿元，年复合增长达到24%。目前国内IC设计产业已超越封测成为IC产业链中占比最高的环节。图19 国内IC设计产业营收规模（单位：亿元）1.16%1.45%8.77%88.62%员工1000员工500-1000员工100-500员工小于100图20 2017年我国集成电路设计企业员工分类2019.01 Celestial Research 华辰产业研究院市场分析|芯片设计市场（芯片设计市场（1/31/3）资料来源：公开信息、华辰资本整理图21 世界前50Fabless模式IC设计公司中的中国公司数量（单位：家）国内IC企业竞争力开始上升，但是通用芯片方面依然薄弱世界前50Fabless模式IC设计公司中的中国公司数量从2009年的1家，到2017年达到10家，反应国内IC设计企业的竞争力不断提高。通信芯片、PC和智能移动终端等应用的CPU和存储器在全球芯片消费市场上仍占主导地位，其芯片设计技术壁垒高、产业集中，目前仅掌握在以Intel、高通、三星为代表的少数企业手中，国内在这些领域方面，除通信芯片取得一定进展外，其他方面还很薄弱，但已开始布局产业链条。国内IC设计公司在存储器等领域落后，美、韩处于明显领先地位，其垄断了应用范围最广、市场规模最大的存储器DRAM、NAND Flash。兆易创新、长江存储着手突破。2411002468101220092017市场领域标的赶超逻辑中低端MCU中低端市场兆易创新成本和需求相应优势，国外厂商退出NOR Flash存储兆易创新电源管理芯片芯朋微、中感微新兴市场/新技术物联网、汽车电子晟矽微电、明波通信市场优势、定制化服务能力中高端市场国防军工、超算领域的CPU龙芯、申威、飞腾政策和资本存储器DRAM、NAND Flash兆易创新、长江存储政策和资本信息安全算法华澜微政策和资本表4 国内主要企业芯片设计的对应领域与赶超逻辑2019.01 Celestial Research 华辰产业研究院市场分析|芯片设计市场（芯片设计市场（2/32/3）资料来源：广证恒生、华辰资本整理图22 国产化的主要路劲25图23 主要存储器企业的产能规划国内IC企业竞争力开始上升，但是通用芯片方面依然薄弱国家投入大量资金布局CPU、存储器等高端通用芯片。并相应的给与相应企业政策扶持，进行国产替代化的发展规划，但整体的生态体系建设面临很大困难；国内IC设计公司在存储器等领域落后，兆易创新、长江存储以及福建晋华获得政府的产业基金投资，资本的扶持加大产能的扩展，从而进行市场的拓展。按照国家集成电路产业发展推进纲要的要求，到2020年，IC设计业的销售总额要达到3500亿元人民币。以2018年的全行业销售总额做基数，在未来两年中实现16.6%的年均符合增长率就可以达到。2014年9月24日大基金成立，初期规模1200亿元，截止2017年6月规模已达到1387亿元。“大基金”一期的重点在制造，目前的投资中，制造的投资额占比为65%、设计占 17%、封测占 10%、装备材料占 8%。大基金新一轮的投资即将展开，从资本上继续带动产业链的不断发展。2019.01 Celestial Research 华辰产业研究院市场分析|芯片设计市场（芯片设计市场（3/33/3）表5 市场主要广泛运营的EDA工具26EDA市场主要的企业1Cadence成立于1987年，世界EDA运用最广的软件，包括了芯片设计整理流程所需要的工具电路图设计工具(Compaser)、电路模拟工具（Analog Artist）,版图设计工具（Virtuoso Layout Editor）,布局布线工具（Preview）射频仿真工具（Spectre RF）;数字仿真工具（Verilog-xl）：,版图验证工具（Dracula）2Synopsys提倡高层设计，当前已经有80%的ASIC由高层设计该公司的综合工具支持VHDL全集，允许概念及验证，可以生成特定工艺的门级网表，公司通过并购具有电路仿真工具Hspice,底层设计能力提到提升3Mentor成立于1981年，具有EDA全产品线，包括设计图输入、数据电路设计工具、模拟电路分析工具、数/模混合电路分析工具、逻辑综合工具、故障分析仿真工具；PCB设计、ASIC设计与校验、系统设计工具、数字信号处理（DSP）工具和FPGA设计工具4Zeni中国熊猫系统的改进版，是我国20世纪80年代后期由中国华大电子自主开发完成，全向全定制和半定制的芯片而设计，可支持10万个元件规模设计能力，包含了原理图编辑、版图编辑器、版图验证工具、寄生参数提取工具和信号完整分析工具5Silvaco包含工艺计算机辅助设计，其TCAD产品是器件工程师进行物理的仿真来进行设计与预测半导体器件的制作与性能，其仿真技术可用于模拟半导体的材料注入、扩散、刻蚀、淀积、光刻、氧化与硅化过程6Tanner后端板图设计是其强项原理图输入工具、电路仿真工具、门级仿真工具、版图设计工具、以及版图与原理网表进行对比的比较工具2019.01 Celestial Research 华辰产业研究院资料来源：电子工程世界、华辰资本整理市场分析|EDAEDA行业竞争（行业竞争（1/21/2）资料来源：电子工程世界、华辰资本整理表6 国内外EDA对比27市场小，寡头竞争EDA是集成电路领域内很小但又非常重要的存在，全球芯片设计公司都离不开这个服务。从数据上看，整个EDA的市场规模仅为六十亿美元，过去几年的成长率也不过是区区4%左右，相对于几千亿美金的集成电路产业来说，微乎其微。现在的EDA产业主要由Cadence、Synopsys和西门子旗下的Mentor Graphics垄断，约占市场95%的份额。国内EDA情况从业公司数量得到发展：2008年国内从事EDA研究的公司也有了华大电子、华天中汇、芯愿景、爱克赛利、圣景微、技业思、广立微和讯美等几家。2018年，华大九天、芯禾科技、广立微、博达微等几个企业从国产EDA阵型中突围而出；各方面差距依然很大：国产EDA同头部公司存在很大差距，包括从业人员，技术能力，研发投入等；见左图。成立于2010年的芯禾科技则是国产EDA的另一股实力，为半导体芯片设计公司和系统厂商提供差异化的软件产品和芯片小型化解决方案，包括高速数字设计、IC封装设计、和射频模拟混合信号设计等。这些产品和方案可以应用到智能手机、平板电脑和可穿戴等移动设备上，也可以应用到高速数据通信设备上。国内EDA头部EDA市占率不足5%三家占95%从业人员1500人，大部分在外企本土企业工程师不足300人Synopsys 7000多的研发人员当中有5000多从事EDA的研发，其他从事IP研发产品不够全仅能提供三分之一产品全产品研发投入华大九天，十年间所花费的研发资金约几亿元Synopsys 2017年的研发投入约为8.1亿美元PDK不足无法接触到先进工艺的核心部分无法积累更多的集成电路工艺设计包（PDK）晶圆厂台积电和三星等开发早期就引入诸如Cadence和Synopsys2019.01 Celestial Research 华辰产业研究院市场分析|EDAEDA行业竞争（行业竞争（2/22/2）图22 IP核全球销售额（单位：亿美元）28图23 IP核国内企业购买比例市场需求增加，核心掌握在寡头手中随着SoC的兴起，购买IP核+自研SoC成为芯片设计的主流模式，全球各企业对IP核的数量、质量和服务的需求不断增加.Gartner统计，2013年，IP核市场销售额达到24亿元，Markets and markets 预计2017年全球市场可达到57亿美元。国内绝大部分厂商使用第三方IP核授权研发CPU，自主研发的难度较高。据CSIP统计，国内购买IP的支出相当高。指令集和微架构的技术壁垒极高，设计难度大；国际芯片巨头公司无不是在相关领域掌握核心技术，控制芯片架构、IP及指令集的供应，进而掌握全球的芯片供应.Intel控制全球绝大部分PC处理器市场，而95%以上移动终端的处理器用的都是ARM的架构和IP。245701020304050602013年2017年资料来源：电子工程世界、华辰资本整理2019.01 Celestial Research 华辰产业研究院市场分析|IPIP核市场（核市场（1/21/2）未使用第三方IP12%使用预算20%以下50%使用预算比例在20%-40%38%未使用第三方IP使用预算20%以下使用预算比例在20%-40%资料来源：方正证券、龙芯官网、华辰资本整理图24 龙芯对外授权的IP国内情况部分拥有核心技术和自主知识产权的企业在市场上具有较强的竞争力，如寒武纪在AI芯片领域拥有自主指令集并已授权第三方芯片厂商使用，比特大陆更是依赖自己挖矿机芯片的超强算力占领全球70%以上的挖矿机市场。龙芯也开始对外推出自身的芯片核授权服务。自主研发指令集和微架构需要全盘建立全新的标准。部分企业基于RISC-V指令集架构设计服务器CPU，家用电器CPU，工控CPU和传感器CPU。GSMA指出，4G华米发布全球智能穿戴领域首颗RSIC-V芯片17号，并表示其为全球智能可穿戴领域第一颗人工智能芯片“黄山1号”。同时，“黄山1号”是也是全球首款RISC-V开源指令集可穿戴处理器，拥有AI驱动、闪电性能、苗条耗三大特点，相比Arm Cortex-M4架构处理器运算效率高出38%。292019.01 Celestial Research 华辰产业研究院市场分析|IPIP核市场（核市场（2/22/2）资料来源：广证恒生、公开信息、华辰资本整理图25 IC设计公司的竞争力构架核心竞争力来源1.IC设计公司的核心竞争力取决于技术能力；2.需求响应和定制化能力带来的产品力；3.芯片产品力和外部需求变化共同决定芯片销量和公司业绩；构建竞争力的优势芯片技术壁垒高，技术人员、知识产权（专利）和经验需要较长时间积累，以CPU为代表的大规模集成电路设计技术壁垒极高，赶超难度大。竞争力构建有两个方向：1.快速的需求响应：国内厂商贴近最大的消费市场，需求响应和定制化能力有优势；2.定制化服务的成本优势：在主要应用于消费电子、智能家电、物联网和汽车电子等领域的MCU及SoC芯片方面，目前国内主要以中小企业为主，而这类企业中拥有核心技术和持续研发能力、需求响应和定制化服务能力的企业将获得市场竞争的主动权。30产品储量/公司业绩产品：功能、性能、功耗、尺寸、良品率、成本