芯片行业产业链梳理2022

芯片国产化率不高，现在人才缺口很多。人才流动现状是，从外资公司往国内公司流动。半导体行业门槛比较高，从业人员素质整体偏高，大部分都是211/985相关专业毕业。典型公司有：Intel（英特尔）.AMD（超威半导体）,Qualcomm（高通）,ARM（英国arm公司）,nVidia（英伟达）,海思，Broadcom（博通）,Synopsys（新思科技）,NXP（恩智浦）,Micron（美国美光）,平头哥，寒武纪，Zhaoxin(VIA-S3)（兆芯）,紫光展锐，联芯，MTK（联发科）,三星，ST（意法半导体）,Apple.TI….芯片，又称微电路（microcircuit)、微芯片（microchip)、集成电路（英语：integratedcircuit,IC).是指内含集成电路的硅片，体积很小，常常是计算机或其他电子设备的一部分。芯片，英文为Chip;芯片组为Chipset.芯片一般是指集成电路的载体，也是集成电路经过设计、制造、封装、测试后的结果，通常是一个可以立即使用的独立的整体。“芯片”和“集成电路”这两个词经常混着使用，比如在大家平常讨论话题中，集成电路设计和芯片设计说的是一个意思，芯片行业、集成电路行业、IC行业往往也是一个意思。实际上，这两个词有联系，也有区别。集成电路实体往往要以芯片的形式存在，因为狭义的集成电路，是强调电路本身，比如简单到只有五个元件连接在一起形成的相移振荡器，当它还在图纸上呈现的时候，我们也可以叫它集成电路，当我们要拿这个小集成电路来应用的时候，那它必须以独立的一块实物，或者嵌入到更大的集成电路中，依托芯片来发挥他的作用；集成电路更着重电路的设计和布局布线，芯片更强调电路的集成、生产和封装。而广义的集成电路，当涉及到行业（区别于其他行业）时，也可以包含芯片相关的各种含义。很多计算机、电子设备都含有芯片，只不过复杂程度不同，价格差别很大而已。芯片是肉眼看不见的，所以相对来讲大家觉得比较神秘，比较难理解，其实可以理解为一台电脑的微小版本，各种功能都有，比如存储功能，计算功能，图像识别功能，指纹识别功能等。被放置在硅片上的集成电路，是有专门的产业链的。这条产业链包括设计、制造、封装三个环节，技术含量逐步降低。设计就是：芯片设计就相当于是IC设计中的建筑师，主要是出设计图，这个建筑师的角色相当重要。制造就是：芯片制造的过程就如同用乐高盖房子一样，先有晶圆作为地基，再层层往上叠的芯片制造流程后，就可产出必要的IC芯片。封装就是：经过漫长的流程，从设计到制造，终于获得一颗IC芯片了。然而一颗芯片相当小且薄，如果不在外施加保护，会被轻易的刮伤损坏。此外，因为芯片的尺寸微小，如果不用一个较大尺寸的外壳，将不易以人工安置在电路板上。这就需要对芯片进行封装。其中设计环节处于整个产业链条的上游，技术含量最高。但是目前，国内的集成电路产业仍以封装为主在制造和设计上，仅有少数的几家公司在做，比如：（这里主要讲的是中国大陆哈，中国台湾的芯片实力还是很强的）芯片制造方向公司有：SMIC中芯国际、华力微电子、华虹宏力、无锡海力士芯片设计方向公司有：华为海思、紫光展锐、豪威、汇顶等。芯片封测方向公司有：江苏长电科技、力成科技、南茂科技、颀邦科技、天水华天科技、通富电子等等，一共有几十家，不在这里一一讲了。其中芯片制造和封装测试环节属于制造业，会涉及到材料和设备，所以集成电路产业链又包括原材料、设备、设计、制造和封测这5大部分，每一部分又包括很多细分领域。因此，在芯片行业中，就会包括这么几类公司：芯片设计公司，半导体相关设备制造公司，半导体制造公司，半导体封装测试公司，光罩制作公司等。因此，当我们的猎头小伙伴做芯片行业开发客户时，你要清楚，你做的是哪一个类别的客户。那么，芯片设计的主要细分类型有哪些呢？有下面4种分类方法哈。第一种按电路规模分：啥叫电路规模呢？主要是指集成度规模，比如小规模集成电路（100个元器件以下）、中规模集成电路（不超过1000个元器件）和大规模集成电路（1000个元器件以上）。现已出现了超大规模集成电路，其集成度更高，可包含十万个元器件以上。具体缩写有：－SSI、MSI、LSI、VLSI、ULSI--具体名称什么意思就不讲了，大家自己去百度哈第二种按电路用途分：啥叫电路用途呢？主要是指芯片应用的领域。具体分为：－通用IC和专用IC(ASIC,ApplicationsSpecificIntegratedCircuit)通用IC: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IC的现状和水平。专用IC(ASIC):是指为特定的用户、某种专门或特别用途而设计的电路，如专用的电源芯片、数模转换芯片、LCDdriver、图形芯片等。第三种按电路性能分：啥叫电路性能呢？电路分为进行数字信号处理的数字电路和进行模拟信号处理的模拟电路，这两个性能是不同的，数字信号以二进制0与1两个状态表示，模拟信号是用电压、电流或者频率的大小来表示的。所以按照电路性能分为：－数字ASIC和模拟ASIC·第四种按制造方法分：－全定制集成电路－半定制集成电路－可编程集成电路－全定制集成电路按规定的功能、性能要求，对电路的结构布局、布线均进行专门的最优化设计，以达到芯片的最佳利用。这样制作的集成电路称为全定制电路。－半定制集成电路由厂家提供一定规格的功能块，如门阵列、标准单元、可编程逻辑器件等，按用户要求利用专门设计权的软件进行必要的连接，从而设计出所需要的专用集成电路，称为半定制电路。－可编程的集成电路是此集成电路内部有可供用户自行编程的ROM区。它可以是EEPROM(紫外线可擦除的可编程，或者其它形式的可编程存贮器。用户可以在这个区域内编写简短的程序（用机器语言），它多用在单片机，FPGA....给应用带来很大的方便。这里，我用第二种电路用途分类，来举个例子，像高通、博通、英伟达和英特尔等企业生产的芯片主要用于：电脑、手机的CPU和存储器的，属于通用类芯片。像TI、NXP、ADI、紫光展锐、豪威等企业生产的芯片主要用于：电器、汽车、工业领域的，属于专用类芯片。当然，通用类芯片的技术含量最高，也是目前我们国产化最难，进度最慢的细分市场。既然说到了人工智能芯片，下面我们重点讲讲这个类别，也是当下很火的细分。人工智能芯片也叫AI芯片。AI芯片其实也是做数字IC,只不过会更多的需要侧重AI的算法。AI芯片所应用的领域更多的会和算法有很大的关联。比如说各种识别，语音识别、视频识别、语义识别等。有了专业的AI芯片作为识别的处理中心，精度和速度会提升非常多！在5G的架构下，AI已是下个世代科技革命和产业变革的重要驱动力量。AI将能催生出新的技术、产品、产业，及企业营运模式，进而引发经济结构大转变，甚至提升整体经济生产力。AI产业的发展有三个基本要素，即演算法，数据和运算力，其中，运算力的关键在芯片。中国当下最受瞩目的AI半导体厂华为海思、寒武纪、地平线、比特大陆、燧原等各自有专精的领域。另外互联网公司阿里巴巴（平头哥）、腾讯、百度、头条等都在涉及AI芯片这个领域。海外的Google、Facebook、Amazon、微软等公司早就进入芯片这个领域。那么互联网公司为什么要造芯片呢？？芯片的设计过程一般分为两个部分，分别为：前端设计（也称逻辑设计）和后端设计（也称物理设计），这两个部分并没有统一严格的界限，凡涉及到与工艺有关的设计都可称为后端设计。前端设计出来的网表只是一个模拟的结果，只是逻辑上的电路结构，所以又叫逻辑设计。（网表是个文本文件，接下来我们会有专门的解释。）后端设计将前端设计产生的门级网表通过EDA设计工具进行布局布线，进行物理验证并最终产生供制造用的GDSII数据（GDSII格式是一种二进制的数据结构，是现在业界公认的半导体物理版图存储格式，它是以数据流形式存储数据的）。在做布局布线的时候，按照工艺的不同，做出实际的GDS网表，和实际工艺厂做出的芯片就是一样的了。所以称为物理设计。好，下面我们开始讲前端设计的流程。前端设计主要有7个流程，分别是规格制定详细设计HDL编码仿真验证逻辑综合静态时序分析STA和形式验证。1、规格制定就是制定芯片规格，类似于像功能列表一样，是客户向芯片设计公司提出的设计要求，包括芯片需要达到的具体功能和性能方面的要求。在芯片设计中，最重要的步骤就是规格制定。这个步骤就像是在设计房子前，先决定要有几间房间、几间浴室等，有什么建筑法规需要遵守，在确定好所有的功能之后再进行设计，这样后面才不用再花额外的时间进行后续修改。IC设计也需要经过类似的步骤，才能确保设计出来的芯片不会有任何差错。2、详细设计就是，芯片设计公司根据客户提出的规格要求，拿出设计解决方案和具体实现架构，划分模块功能。这就是设计芯片的细节。这个步骤就像初步记下房子的规划，将整体轮廓描绘出来，方便后续做出详细的制图，比如每个房间分别怎么设计。3、HDL编码就是，使用硬件描述语言VerilogHDL语言将模块功能用代码来描述实现，也就是将实际的硬件电路功能通过HDL语言描述出来，形成RTL(寄存器传输级）代码。HDL编码就相当于用电脑软件在电脑上模拟设计出整个建筑的造型，各个房间内部的结构布局等。4、仿真验证仿真验证就是检验编码设计的正确性，检验的标准就是第一步制定的规格。看设计是否精确地满足了规格中的所有要求。规格是设计正确与否的黄金标准，一切不符合规格要求的，就需要重新修改设计和编码。仿真验证和前面步骤的设计是反复迭代的过程，直到验证结果显示完全符合规格标准。该部分称为前仿真，主要是用仿真验证工具来对RTL级的代码进行设计验证。接下来逻辑综合之后再一次进行的仿真称为后仿真，大家要注意区别哈。5、逻辑综合－英文叫DesignCompiler是仿真验证通过后所进行的逻辑综合。逻辑综合的结果就是把设计实现的HDL代码翻译成门级网表netlist.综合需要设定一些约束条件，比如，综合出来的电路在面积，时序等目标参数上需要达到的一定的标准。一般来说，综合完成后需要再次做仿真验证（这个就是刚才前面提到过的后仿真，之前的称为前仿真）。6、静态时序分析STA静态时序分析STA也属于验证范畴，它主要是在时序上对电路进行验证，检查电路是否存在建立时间（setuptime)和保持时间（holdtime)上面是否符合标准。7、形式验证形式验证也属于验证范畴，前面提到的静态时序分析STA是指在时序上对综合后的网表进行验证，这里提到的形式验证是指从功能上对综合后的网表进行验证。仿真验证逻辑综合静态时序分析STA和形式验证，还是以造房子作为例子的话，就是指按照设计要求不停地在电脑上修改调整，直到满足期望，最终出来可供实际建造的房子的电脑设计图纸。好，前端设计的流程暂时说到这里。从芯片设计程度上来讲，前端设计的结果就是得到了芯片的门级网表电路。什么叫门级网表电路？英文名是Gate-Levelnetlist在电路设计中，网表（netlist)是用于描述电路元件相互之间连接关系的，一般来说是一个遵循某种比较简单的标记语法的文本文件。门级（gate-level)指的是网表描述的电路综合级别。顾名思义，门级网表中，描述的电路元件基本是门（gate)或与此同级别的元件。下面我们来讲一下后端设计流程，英文叫Backenddesignflow,后端设计流程一共有6个流程，分别是DFT布局规划（FloorPlan)CTS布线（Place&Route)寄生参数提取和版图物理验证：1、DFTDesignForTest,可测性设计。是指在芯片设计的时候就把测试的功能加进去，方便将来的测试。所以，芯片内部往往都自带测试电路。DFT的常见方法就是，在设计中插入扫描链，将非扫描单元（如寄存器）变为扫描单元。还是以造房子作为例子的话，DFT就是当房子最终电脑设计图纸出来后，再用工具仔细检查测试一下，是否还有不符合要求的地方。2、布局规划（FloorPlan)布局规划就是确定芯片如何布局，是芯片设计过程中最复杂、最耗时的阶段之一。它涉及到将网表放置在芯片的画布（2D网格）上，要尽可能使得功率、性能和面积（PPA)降至最低，同时还要注意密度和布线拥塞方面的限制。并直接影响芯片最终的面积。大家都知道我们希望满足同样功能的情况下，芯片面积越小越好。比如手机芯片，只有芯片小了，手机尺寸才能变小。不然都是我们上个年代用的大哥大手机，那么大还只有打电话发短信的功能。3、CTS时钟树综合ClockTreeSynthesis,时钟树综合，简单点说就是时钟的布线。由于时钟信号在数字芯片中具有全局指挥作用，它的分布需要对称式的连到各个寄存器单元，从而使时钟从同一个时钟源到达各个寄存器，时钟延迟差异达到最小。这就是为什么时钟信号需要单独布线的原因。4、布线（Place&Route)就是大家俗称的PR,这里的布线就是普通信号布线，包括各种标准单元（基本逻辑门电路）之间的走线。比如我们平常听到12纳米，7纳米工艺，实际上就是这里金属布线可以达到的最小宽度，从微观上看就是MOS管的沟道长度。5、寄生参数提取由于导线本身存在的电阻，相邻导线之间的互感，耦合电容在芯片内部会产生信号噪声，串扰和反射。这些效应会产生信号完整性问题，导致信号电压波动和变化，如果严重就会导致信号失真错误。提取寄生参数进行再次的分析验证，分析信号完整性问题是非常重要的。并且随着工艺进步对寄生参数提取精度和速度都提出了更高要求。6、版图物理验证是指对完成布线的物理版图进行功能和时序上的验证，验证项目很多，主要有LVS,DRC,ERC三种方法。LVS(LayoutVsSchematic)验证，简单说，就是版图与逻辑综合后的门级电路图的对比验证：DRC(DesignRuleChecking)验证：简单说，就是设计规则检查，检查连线间距，连线宽度等是否满足工艺要求，ERC(ElectricalRuleChecking)验证：简单说，就是电气规则检查，检查短路和开路等电气规则违例等等。实际的后端流程还包括电路功耗分析，以及随着制造工艺不断进步产生的DFM(可制造性设计）问题，在此就不详细说了。版图物理验证是芯片流片（芯片生产）之前的最后一道验证工序，在所有的检查和验证都准确无误的情况下，芯片设计阶段就告完成，下面将进入晶圆厂进行制造。物理版图以GDSII的文件格式交给芯片代工厂（称为Foundry)在晶圆硅片上做出实际的电路，再进行封装和测试，就得到了我们实际看见的芯片。什么是EDA工具呢？EDA工具是电子设计自动化（ElectronicDesignAutomation)的简称，是从计算机辅助设计（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。利用EDA工具，工程师将芯片的电路设计、性能分析等设计出IC版图的整个过程交由计算机自动处理完成。在没有EDA工具之前，搞电路要靠人的手工，对于大规模集成电路有上亿晶体管的设计用手工简直是不可为的。可以说因为有了EDA工具，才有了超大规模集成电路设计的可能。更进一步说厂商要研发设计出高端的芯片，离开了EDA工具显然是无法完成的。简单的来讲，EDA软件工具就是设计电子芯片，电路板必需的软件，涵盖了芯片设计、电路板设计布线、验证和仿真，测试等所有方面，并且没有其它软件工具可以替代。可见EDA软件工具在芯片行业的重要性。所以在行业内，EDA软件称为－－电子工业之母，EDA软件是芯片设计，电路板设计最上游、最高端的产业。如果说芯