前面的文章已经介绍过半导体设备、半导体材料以及芯片的制造过程。这一章我们来讲讲芯片设计，这是芯片制造中所必须有的“电路图”。

那么，这些电路图是怎么设计出来的呢？

芯片这个东西在刚出现的时候电路图设计是很简单的，看过前面文章的读者都知道，世界上第一块芯片于1958年由德州仪器的杰克·基尔比研发出来，上面只集成了一组电路，即一个晶体管和几个电容电阻。

所以，早期的芯片设计就是用手工画的，纯人肉完成电路的设计和布线。

但是芯片的发展速度很快，到了1968年的时候，仙童半导体的芯片上已经能够集成1000组电路了。这个工作量一下就大了，靠人肉显然变得很费劲。

于是20世纪70年代，人们开始使用计算机辅助进行芯片版图编辑、PCB布局布线。这个时期出现许多二维CAD（计算机辅助设计）、三维制图软件。

使用计算机辅助来画电路图，显然是真香。而且这个时期整个集成电路行业发展迅速，不少软件厂商就看到了里面的商机。

咱是不是能把这些设计软件做得更有针对性一些？搞集成电路的都是大户啊！

于是，软件开发商将不同的CAD工具组合成系统，完善了电路功能设计和结构设计，并且通过电气连接网表将两者结合在一起，这就将单纯的软件设计提升到了工程设计的档次。有了档次当然也要起个高大上的名字，所以，这个时期的这种软件有了一个新的概念：“计算机辅助工程CAE”。

CAR主要的功能包括：原理图输入、逻辑仿真、电路分析、自动布局布线、PCB后分析。

这就是后来EDA（电子设计自动化）的基础，我们如今常说的芯片设计EDA，就是从计算机辅助设计CAD、计算机辅助工程CAE、计算机辅助制造CAM、计算机辅助测试CAT发展而来。

80年代的CAR就是EDA的起步阶段，1983年 诞生了第一台用于芯片设计的工作站平台apollo。

中国的EDA产业发展其实并不算晚，是从80年代中后期开始的。国内首套EDA熊猫系统1986年开始搞，1993年问世。不过咱们国内EDA发展受各种因素的影响，后面就比较曲折了没有取得什么实质性的进展。直到近十年，才又诞生了一批比如华大九天、芯禾科技、广立微、博达微等公司，能提供部分EDA产品，这个后面会详细介绍。

为了让大家更好地理解EDA，我们先来看看设计一颗芯片需要几步，这里以逻辑芯片为例。

首先，需要明确市场的需求，定义要做的芯片产品，并且将产品的功能和性能转化为具体的规格指标。

第二步，有了芯片的规格指标以后，要定义三个关键的东西：芯片的架构、算法以及模块。

这里的架构简单理解就是，定义芯片中的各个模块按照什么模式互相配合完成工作。

算法，这一般是通信、音视频类的芯片会用得比较多。这种算法主要用来做数据处理，需要用到MATLAB这类的开发工具。先在MATLAB上做原型开发，再转化为RTL级代码。

RTL直译为寄存器转换级，你可以理解成把代码转化成电路图。因为写出来的算法代码最终是要靠各个硬件单元来完成计算的。粗暴理解就是哪些器件按照特定的方式凑一块儿，电流一输入就能算加减乘除，哪些凑一块算微分积分等等，拼拼凑凑加互相配合，最后把整套算法用硬件器件实现。

模块，就是要在你定义的架构下完成各个功能和性能需要的电路单元或者电路单元组合。

随着芯片的功能不断增多、芯片集成的规模也越来越大，就出现了专门提供常用模块的厂商，这种模块就称为IP（Intellectual porperty），也称知识产权或者IP核。

具体来说，IP 产业的发展主要分为两个阶段。

一个是 20 世纪 80 年代中后期至 2010 年前后，这个时期 IP 核逐步开始从芯片设计环节中单独出来，最典型的就是 ARM 公司的发展。

另一个阶段则是 2010 年开始的，以智能终端为驱动力，IP核产业高速发展。

这个时期除了ARM乘借智能终端的东风业务爆发增长，EDA行业的老大老二 Synopsys和Cadence 的 IP 业务也进入了高速发展期，除此之外一些晶圆厂比如台积电、三星也手握大量IP核。

目前，IP 核已经变成芯片系统设计的基本单元。

当下CPU IP核占据最大的市场份额，但随着各种接口、GPU、数模、存储IP技术的不断成熟，未来非CPU的各种IP核市场份额将会不断提升，比如新一代高速接口IP PCIe4.0/5.0、USB3.2、Bluetooth5、HDMI2.1等等。

另外人工智能算法也成为新的IP核香饽饽，近年来各大IP核供应商纷纷推出AI定制或者与AI相结合的IP核，比如Synopsys 公司就推出了高性能嵌入式视觉处理器 IP“DesignWare EV 系列”，国内的寒武纪也曾经给华为提供过NPU IP。

综上，芯片设计一般不是从零开始的，而是基于一些列成熟的IP模块，在这些IP模块基础上再根据自己定义的功能和性能进行设计。

如果没有IP模块，那么通常来说设计一款处理器需要三到四年，成本在1亿到两亿美金。有了IP模块能极大程度减少投入，时间能减少至少一半，花1000万到5000万美元就能搞一搞。

IP 核模块有行为、结构和物理三级不同程度的设计。对应描述功能行为的不同分为三类，即软核、完成结构描述的固核和基于物理描述并经过工艺验证的硬核。

软核，它是IP核应用最广泛的形式，以HDL语言的形式存在。用VHDL等硬件描述语言来描述功能模块，包括逻辑描述、网表和帮助文档等等。并不涉及用什么具体电路元件实现这些功能，通常以加密形式提供，实际的RTL对用户不可见。

你可以理解成就是一堆程序语言，里面的具体电路就是个黑盒子，但你添加到设计里面能用。

固核，它是以网表形式提交给客户，也是IP核的主流形式之一。固核对软核进行了参数优化，用户可以通过文件或者图形用户接口（GUI）进行参数调整。

硬核，它提交给客户的是芯片制造掩膜版结构的全部版图和详细的全套工艺相关文件。这种硬核由于与成套工艺绑定，所以没有灵活度，如果工艺升级那么相应的硬核需要重新验证、重新搞物理设计。

前面我们已经看到由于IP核一般就是一堆指令集、代码、网表等文件，所以IP核行业的商业模式主要就是“授权费 (LicenseFee)和版税(Royalty)”。

芯片设计公司要设计芯片，首先跟IP公司交一笔授权费，获得专利授权和一堆文档。授权费一般约在 100万美元到1000万美元，具体多少取决于所购授权技术的复杂程度，比如古早的ARM11就比最新的ARM V9便宜很多，这笔钱得一次性付清。

这里面还有不同的授权模式，以ARM公司的授权模式为例。

第一种、使用层级授权，这是最低的授权等级。用户只能购买已经封装好的ARM 处理器核心，不可以更改原有的设计。你要想实现更多的功能和性能，那就只能通过增加额外的DSP核心来搞。

由于担心对知识产权保护不力，ARM对很多中国企业采取这一级别的授权。这里也可以看出，IP核不是有钱想买就能买的，技术在谁手里，谁的话语权就比较大。

第二种、内核层级授权，这就可以以一个内核为基础然后加上自己的外设，形成新的微处理器。像三星、德州仪器、博通、飞思卡尔等这些一线厂商拿到的就是ARM这个层级的授权。

第三种、架构/指令集层级授权，这个就是你能改ARM的架构，就连指令集也可以自己扩展或者缩减。这个层级的授权目前有苹果、高通、Mavell以及华为拿到了。华为就是基于ARM V8自研了达芬奇架构。

此外，根据不同的用途也有不同的授权：

第一种、单用途授权，这种授权比较便宜，比如Cotex-A系列只要100万美金授权费，每颗芯片版税2%左右，但只能在某一个特定领域使用ARM技术。这种授权比较适合创业公司。

第二种、多用途授权，就是你能用于多种产品。这个费用就比较高了，适合大型公司，在一段时间内尽量多搞点不同用途的芯片赚回本来。

第三种、终身多用途授权。上面的授权是有期限的，过期需要续费才能继续用。这种一般就是使用期10到20年。

第四种、订购授权。可以根据这个授权购买ARM一整套产品技术而且期效比较长。但这种贵，一般得几千万美金。

第五种、学术授权、设计入门等特殊授权。这种价格低，但做出来的芯片不可销售。

上面讲的是IP核的授权费，等芯片设计好生产出来开始销售的时候，每颗芯片还需要给IP公司交“版税”。这个版税通常根据芯片销售的平均价格抽点1%到3%。

现在随着芯片制程不断演进，单颗芯片上集成的电路越来越多，所使用的IP数量也大幅度增加。举个例子，在28nm芯片制程时，单颗芯片可以集成IP的数量是87个，到了7nm制程时，可集成的IP数量达到178个。

从这里我们也可以看到IP核行业对于芯片设计的重要性。但这个行业的技术壁垒较高，IP核产业的全球市场规模在40亿美金左右，排名前三的是ARM、Synopsys和Cadence，市场份额分别为40.8%、18.2%以及5.9%，全球前十大IP供应商占了全球78.1%的市场。

IP核行业玩的不仅仅是技术，生态也同样重要。

比如龙头老大ARM，它在验证、IP授权、架构、软件支持、物理设计、芯片原型开发等环节上都能提供服务支持。一整套组合拳打下来，能让芯片设计公司大幅度节省设计成本，比如28nm的芯片如果没有ARM生态的支持搞下来估计要4200万美元，有了支持大概2000万美元就能设计出来。

提供IP核的第二和第三名的Synopsys和Cadence，它们的主营业务是EDA，一边用他们的EDA工具设计芯片，一边配套给你提供IP。而且这两家公司为了完善自己的生态那是不断搞并购，尽量为客户提供一条龙服务。

此外，由于IP核和芯片设计公司的整个研发体系是深度耦合的，所以客户的迁移成本极高。所以，这个行当对于新的竞争者来说难度很高。

我们来看一下国内IP核产业的发展情况。

总体来看，从市场环境来说是有利的。这里分三个方面：

第一、这几年中国芯片制造及相关产业发展很快，本土产业链逐步完善。晶圆代工、封测等产业环节实力 正在不断提升。这对于芯片设计行业来说，相当于产业链下游有了支撑。

另一方面，中国的作为制造业大国，在电子整机的制造上基本算是主场。这对于芯片设计公司来说就是庞大的客户群体在家门口。

在这种情况下，国内芯片设计公司数量获得了快速增加。2015 年中国的芯片设计公司只有 736 家， 到2019 年已经增长到了1780家，年均复合增长率为 24.71%。

第二、中国绝大部分芯片设计都是用的国外公司的IP核，一方面成本很高，另一方面由于各种摩擦会有潜在风险。而且IP核作为芯片设计的核心技术之一，是中国芯片国产化的战略必须。

第三、随着 5G 物联网时代的到来，芯片用量、品类和迭代速度将上升到新的高度。而且物联网的芯片种类多，但大部分从复杂程度来说比电脑、手机CPU要低不少，我们有机会从细分领域切入。此外，人工智能算法芯片，在算法上中国并不落后。

以上三个方面，都为国内IP核产业的发展提供了好的市场机遇。

国内做芯片IP核的公司主要有，和芯微电子、芯原微电子、苏州国芯、芯动科技以及龙芯等。另外，中芯国际（SMIC）也在利用其晶圆厂的优势与各合作伙伴进行IP核技术的积累。

和芯微电子是中国大陆第一家掌握USB 2.0和音频编解码核心技术并实现批量生产的企业，也是国内规模最大的数模混合IP核供应商。其自主开发的USB 2.0 PHY IP技术已达到国际先进水平，量产数量过亿。

公司目前拥有自主知识产权集成电路IP产品11类60余种，主要包括USB 3.0 PHY、PCIe1.1 PHY、PCIe2.0 PHY、SerDes PHY、Rapid IO、SATAII PHY、DDR2 I/O