芯片产业的幕后英雄

来源:内容由半导体行业观察(ID:icbank)原创,作者:邱丽婷,谢谢。

在半导体领域有这么一类企业。与芯片设计紧密相连,为芯片成功量产提供宝贵力量,但成品中却往往看不见他们的名字,堪称是芯片产业的幕后英雄。他们就是芯片设计服务(IC Design Service)公司。从目前的发展形势来看,这样的幕后英雄正在受到越来越多的重视。

芯片开发包括产品定义、前端电路设计、后端物理实现、制造工艺、封装等多个环节,而且还常常需要组合多种不同功能的IP,使得设计难度进一步加大,然而,并不是所有IC设计公司对这些技术都有深入的了解,此时,IC设计服务企业可充分利用自己在设计方面的专长,发挥专业化分工优势,帮助设计企业提升产品的价值。

相关资料显示,芯片设计服务的兴起,主要归之于三大因素:半导体产业内分工合作的趋势、日益增长的设计技术复杂度和日益激烈的市场竞争。

首先是90年代,晶圆代工业兴起,造就了无晶圆厂的蓬勃发展,芯片设计服务公司的出现,意味着无晶圆设计公司可以全心专注于产品开发和前端设计,他们无需购买昂贵的自动化工具,也无需分心另行培养后端设计团队。芯片设计服务公司甚至可以解决后端设计人才不足的问题。

其次,随着芯片制造技术的进步,SoC渐成趋势,芯片后端设计复杂度与日俱增,成为了芯片设计及制造的瓶颈。拥有高端技术的芯片设计服务业者,拥有一次设计成功的能力,不仅为客户节省大量成本,也为客户争取到大量商机。

最后,由于国际化及自由市场机制的运作,市场竞争日益激励,产品生命周期也大幅缩短,一般公司如果没有及时推出产品 ,就会丧失稍纵即逝的机会。芯片设计服务可以通过帮助客户及时流片,在最短时间内进入量产,取得先机。

总而言之,在种种因素下,造就了芯片设计服务行业的兴起,也让半导体业者及系统厂商有了另一种选择。

对于国内而言,IC设计服务业在国内的出现可以追溯到10年以前,不过由于当时大陆地区的IC设计业刚刚起步,市场还不成熟,国内IC设计服务企业发展非常缓慢。随着摩尔定律的演进,超大规模集成电路设计复杂度正日益增加,设计难度与成本也呈指数提高,同时,本土IC设计公司成长迅速,涌现了大批小型的初创企业。由于规模小,这些新进者选择采用“轻设计”模式,以专注于各自的核心能力。

中国集成电路设计公司总数量 资料来源:DIGITIMES、集邦投资、华菁证券

此外,资料显示,先进节点较高的非经常性工程 (NRE)费用也推动企业在将设计项目转入生产阶段时更加慎重。当然也有系统厂商对于自用 ASIC的需求等方面,很大程度上促使了芯片设计服务行业的发展。

后端非经常性工程费用(按节点) 来源:世芯电子、华菁证券

主要玩家**

面对IC产业链上越来越细的垂直分工,市场在IP开发及其交换交易服务、IC设计开发服务、IC产品应用平台的方案服务、IC嵌入式软件服务、IC代工服务、IC封装测试服务,包括IC技术转让相关的风险投资服务等领域,已出现了众多各有侧重的芯片设计服务公司。

“幕后英雄”正在受到越来越多的重视。市场上的芯片设计服务公司目前主要可分为以下几类:

1、 与芯片代工企业(Foundry)建立紧密结合型的设计服务公司

这类公司的主要特征是起到芯片设计代工中心作用,是伴随着Foundry工艺的进步和Fab产能的提高,加强与IC设计公司的合作而出现的。当然从芯片代工厂的角度来看,更像是他们正在逐步走出纯粹代工制造模式。

首先是早期我国的台湾联电与台积电分别投资的智原科技(Faraday)及创意电子(GUC)。其分别是基于UMC和TSMC的工艺制程、IP及设计规则,帮助潜在流片客户跨过设计的技术门槛,从而增加订单。目前,创意电子已经成为台湾第一大芯片设计与服务外包企业。

2009年,格芯(GlobalFoundries)也投资了中国台湾地区另一家公司虹晶科技,并成为其控股股东。虹晶科技提供全套的设计服务,从IC前端的设计到后端的晶圆代工、封测都有涉足。

2010年,中芯国际投资灿芯半导体,之后灿芯半导体所有工艺产品都是与其合作的。中芯国际拥有世界先进的制造工艺、稳定的生产线、充足的产能和高品质的良率,再加上灿芯半导体的高端设计能力和定制化的IP,客户在中国就可以享受到先进制程服务。

至此全球四大半导体代工企业已经全部涉足芯片设计与服务。设计服务这一合作模式,填补了设计与芯片制造之间的“鸿沟”,尤其是面对生命周期较短的通信与消费电子产品市场,能更快做出响应。

2、直接面对市场的IC设计服务公司

这类公司的主要特征是与区域内所有的代工厂建立合作关系,根据不同的代工厂的特色和产能为客户提供多样的选择和灵活的服务。其不同于拥有芯片代工厂背景的IC设计服务公司之处,是不绑定于某一家Foundry,不承担消化产能的定量指标的职能。其中具有代表性的公司有芯原微电子、世芯电子以及摩尔精英等。

芯原微电子于近日登录科创板,有“中国芯片IP第一股”之称。资料显示,芯原股份成立于2001年8月,是一家依托自主半导体IP,为客户提供平台化、全方位、一站式芯片定制服务和半导体IP授权服务的企业。主营业务的应用领域包括消费电子、汽车电子、计算机及周边、工业、数据处理、物联网等,主要客户包括IDM、芯片设计公司,以及系统厂商、大型互联网公司等。据IPnest统计,芯原股份是我国排名第1、全球排名第7的半导体IP供应商。其中,GPU IP(含ISP)、DSP IP的市场占有率均排名全球前3,2019年全球市场占有率分别约为11.8%、8.9%。

2002年成立的世芯电子,主要提供ASIC芯片设计技术服务,在16纳米、12纳米、7纳米等节点制程技术上均拥有可靠的实证纪录。与世界著名代工厂及IP公司皆有策略联盟协议,以提供客户完整解决方案。多次为海外公司成功地提供了基于45纳米以下、低功耗工艺的大型高端芯片的设计服务。

成立于2015年的摩尔精英则是业内一匹快速崛起黑马,提供芯片设计和供应链整合的一站式芯片服务,致力于“让中国没有难做的芯片”,以“芯片设计云、供应链云、人才云”三大业务板块,打通设计和供应链的关键环节,降低产业链各环节交易成本,从而提升芯片研发效率、缩短研发周期、降低成本和风险。摩尔精英拥有从180nm到8nm的设计服务能力,支持Turnkey、NRE和驻场等灵活服务模式,提供从Spec/FPGA/算法到芯片交付,包括:架构规划、IP选型、前端设计、DFT、验证、物理设计、版图、IT/CAD、流片、封装和测试等服务。与依托自主研发IP的设计服务厂商不同,摩尔精英搭建了汇聚全球三方IP的平台,全面释放技术潜力,并革新IP授权的商业模式,延迟收费节点,共享收益,降低芯片创新创业门槛。

3、EDA/IP供应商来提供辅助性芯片设计服务

这类公司的主要特征是以设计服务业务将其设计方法学、IP及EDA工具渗透到客户具体项目中,从而间接促进其产品销售。其中最典型的EDA/IP厂商有Cadence以及Synopsys。

Synopsys的芯片设计服务业务主要为客户提供训练、设计辅助、咨询、IP定制化修改等服务,根据其年报显示,该业务去年营收3.6亿美元 ,占整体营收的10.8%。

Cadence的芯片设计服务业务主要集中于协助客户做复杂设计开发 ,包括低功耗设计、IC封装、基板设计、功能定义、数字执行 、数模混合信号设计和系统层面设计等。根据其年报显示,该业务去年营收1.3亿美元,占整体营收的6%。

发展至今,设计服务业已经有近30年历史。《国金证券》在研报中指出,早期更多是提供标准单元库以及像创意电子作为晶圆代工厂和芯片设计公司之间的桥梁出现。随着AIoT、人工智能、5G 等新兴产业的快速发展,通用芯片难以满足所有需求,部分需求转向定制化开发。

专用ASIC相比通用型芯片拥有巨大的效率优势,使得传统的芯片需求者开始更多参与芯片自研。而这些新参与者缺乏半导体设计相关的积累 ,芯片设计服务能弥补这种不足。反过来更多的定制需求也可以帮助定制服务供应商累计设计经验和量产经验。

2018年初,联发科正式宣布大力拓展ASIC设计服务业务,这也是基于其20年芯片设计经验和IP积累,以及市场需求做出的决定。服务对象主要面向系统厂商和IC设计公司。

实际上,该公司在2011年就开始提供ASIC设计服务了。而随着ASIC设计需求日益增涨,这个市场每年的规模超过200亿美元,且一直保持高速增长,正是看到这一点,联发科才高调入场。

联发科ASIC设计服务部门是一个独立部门,据悉,其ASIC设计服务最先看好的就是向产业链上游芯片设计板块渗透的互联网巨头们,而这些互联网或终端巨头引导着上游芯片业的走向,也占据着产业链整体利润的大头儿。这些对于未来的IC设计服务业务来说,具有很大的吸引力,需要提前布局,抓住先机。

2019年5月,美满电子也宣布与格芯已达成协议,将收购格芯专用集成电路(ASIC)业务Avera Semiconductor。据悉,该业务单元帮助芯片设计师研发全定制芯片中的半定制芯片。Marvell希望在其他市场中来加强其基站ASIC定制业务。

Broadcom(博通)在ASIC领域早有涉及,近日,其与诺基亚宣布合作开发5G ASIC芯片。合作范围包括新的定制处理器,处理器将被整合至诺基亚“由ReefShark驱动的5G”组合中。不仅如此,外资指称,博通一直默默协助Google TPU研发生产,贡献大量营收。

JP Morgan分析师Harlan Sur指出,博通不只协助设计芯片,也提供芯片生产、测试、封装的关键知识产权权。与此同时,博通也与Facebook、微软、AT&T等合作,研发其他ASIC芯片。

格芯除了投资公司涉足IC设计服务,在过去几年里,一直在拓展IP合作伙伴规模,以提升其ASIC设计服务水平,这同时也是吸引新客户的方法之一。格芯一直在大力拓展用于SOI的IP合作伙伴规模,以形成更好的生态和服务能力。

半导体产业分工合作势态在不断发展中愈发成熟,芯片设计服务业也找到了其专属定位。不过,目前芯片设计服务业仍然是较为新兴的模式,相关数据显示,目前芯片定制在全球IC设计领域渗透率仅约2%,预计到2029年渗透率有望达到15%,未来十年全球芯片定制服务行业复合增速有望达到28%。

在物联网和AI的大势下,IC设计服务这一模式将会越来越受到业界的欢迎,特别是大型的互联网企业,不约而同地渗透到了上游的芯片设计领域,它们对相关设计服务的需求更加迫切。在业内,目前主要设计服务公司专注于各自的领域,业务重合度不大,因此该产业将拥有非常广阔的发展空间。

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