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半导体产业的分工,芯片设计服务公司大有可为

作者:SICA 发布日期:2021年11月9日 星期二

 回顾历史,半导体产业模式在不断随着市场需求而变化。像一个帝国模式的演变,以1980年作为分界线,往前则是IDM(Integrated Device Manufacture)企业一统天下,如英特尔、三星、德州仪器等;往后开始细分化,Fabless+Foundry模式开始盛行,快节奏、灵活性、低成本的模式席卷市场,新的教派也由此诞生。

上世纪80年代后期开始,诞生一批芯片设计服务公司,他们与顺时代而生的芯片设计公司一起打造产品。也随着摩尔定律不断前行的脚步,加之微型化、集成化的发展趋势,芯片设计的门槛一下拉高。此时芯片设计服务公司重要性凸显,他们在芯片设计公司和晶圆厂之间架起鹊桥。

本文将从芯片设计服务产业的历史变革、国内外市场规模、主要企业介绍和排行,以及未来发展趋势,全面阐述这个市场。

顺势而为的分工

智原科技成立于1993年;创意电子成立于1998年;芯原微电子成立于2001年,当时还叫思略微;世芯电子成立于2003年;灿芯半导体成立于2008年。这些世界知名芯片设计服务公司的成立时间与半导体产业第二、三次转移时间完全吻合。

半导体产业发源于20世纪60年代的美国,兴起了如英特尔这样IDM企业,他们涵盖芯片设计、IC制造、封装测试等各个环节,甚至也会延伸到下游电子终端。彼时的IDM企业利润较高,具有非常高的技术优势,堪称帝国。随着产业壮大,从20世纪70年代起,美国将半导体系统装配、封装测试等利润含量较低的环节转移到日本等其他地区。日本半导体产业借此积累,通过家电电子完善产业链,造就了富士通、日立、东芝、NEC等世界顶级的半导体企业。

第二次转移则是以日本半导体产业的逐渐没落/韩国和中国台湾的半导体产业兴起为标志。台积电开创晶圆代工模式让IDM的半导体世界变了模样,IDM的全流程覆盖开始细分化。第三次转移则是从韩国、中国台湾到中国大陆,伴随的是手机产业的繁荣,背后是终端产品多样化的发展,研发成本持续增加,也让IP和芯片设计服务公司得以崛起。

芯片设计服务公司的诞生是时代发展洪流下的必然产物。这类公司主要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,加强与芯片设计公司的合作而出现的。当然从芯片代工厂的角度来看,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)。其分别是基于联电和台积电的工艺制程、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。

与此模式相同,在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,两者具有战略合作关系。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SoC设计能力和定制化的IP,客户在中国大陆就可以享受到先进制程服务。

可以看出,设计服务公司与晶圆代工厂之间是相互协助、相互促进的作用。对于设计服务公司来说,用其先进的设计服务能力,与代工厂先进的制程技术相结合,能够为芯片设计公司、IDM与系统厂商等下游客户提供完整的解决方案;设计公司也能透过与代工厂战略联盟的关系,在晶圆采购上得到质量保障,更精准的控制交货期,更有效率地提升对客户的服务品质;也因为这种战略联盟,让其人才及资源将可增加且更为完整,整体资源运用将更具效率,并发挥综合效应。

对于代工厂来说,本质工作在制造层面,专注于工艺制程技术的提高,并以此为核心竞争力,想要获得芯片设计能力可以投资相关芯片设计服务公司来获得,以战略合作方式维持并提高原有竞争优势;代工厂在专注工艺制程技术提升的同时,也持续深耕制程相关IP,而定制化、与产业应用层面有关的IP,则由芯片设计服务公司提供;芯片设计服务公司对芯片设计过程中的需求,可以作为代工厂制程技术发展的参考,并强化代工厂核心竞争力,协助代工厂进入各个应用领域,开拓市场。

全球市场稳步成长

据上海集成电路行业协会统计,2021年全球芯片设计服务的市场将达到161.6亿元,相较去年同比增长12%。随着设计服务的需求不断增大,到2025年,全球设计服务市场将达到226亿元,未来五年CAGR为9.4%。从2018年底2019年初开始,消费电子需求疲软,5G手机并没有如市场预期一样爆发,导致了以智能手机为主的消费电子的市场下滑。种种需求方面的种种原因导致了整体半导体市场的下降,导致了设计服务市场的暂时下滑。

 

1 全球芯片设计服务市场规模预测

 

放眼全球设计服务市场变化趋势,其未来成长主要得益于以下几个方面:

全球集成电路市场需求旺盛。据SIA统计,2020年全球半导体产业销售额为4390亿美元,与2019年的4123亿美元相比增长了6.5%,全球半导体产业呈现乐观的发展态势。未来随着物联网、云计算、人工智能、大数据和5G等新兴应用的发展,促进芯片设计领域需求。

技术发展对定制芯片的需求倍增。如5G和网络传输等电信设备商新一代芯片升级需求;数据中心扩容,云多样化带来的机会;消费类终端设备对更高画质的渴望;头部互联网厂商自定义芯片的拓展;新能源汽车和自动驾驶对汽车芯片的探索。新兴技术的不断升级,增加了整个市场对设计服务的需求。

系统厂商对自主芯片的需求不断增加。如今不少系统厂商需要定制研发自由品牌芯片,芯片设计公司提供的芯片产品已经不能满足系统厂商的需求。系统厂商对芯片的需求是设计服务公司新的收入增长来源,系统厂商选择设计服务公司而非芯片厂商,一方面是因为芯片厂商和系统厂商造芯会形成竞争,另一方面,芯片公司所设计的产品为通用产品,系统厂商需要根据自身需求进行定制化,提高产品差异化、增加特定功能性能、降低成本。

设计门槛变高增加产业需求。随着设计、制造技术的发展,集成电路设计步入SoC时代,设计变得日益复杂,制程的微缩让设计公司的成本大幅提高,从而门槛变得极高。此外,SoC设计的各阶段都遭遇验证与分析的瓶颈,再加上若采用外部的IP,整合的难度将大幅提高。此时,只有从布局规范到设计法则的各项设计解决方案并与后端制程密配合,才能提供客户高附加价值服务。拥有专业设计服务能力的公司能力被凸显。

1 全球前五大设计服务公司销售额排名

 

 

 

2 2020年全球设计服务市场份额构成

 

据上海集成电路行业协会整理,全球前五大芯片设计服务公司分别为创意电子、世芯电子、芯原股份、智原科技、灿芯半导体。五大设计服务公司的总营收占据了全球超50%的市场份额,设计服务市场的集中度较高,头部企业占据了超一半的市场份额。同时设计服务存在许多规模小的企业,有不少几个人组成的团队,根据项目经营。这主要是因为终端应用市场的需求多而零散,存在很大的长尾市场,对硬件成本要求很低,所以形成了众多小而散的企业。未来,设计服务供应商通过提供高效优质的集成电路设计服务,使得芯片设计公司、系统厂商和互联网公司得以专注于发展其核心技术优势,如产品定义、系统架构、软件开发以及品牌营销等,从而推动产业高效率发展。

未来随着头部系统厂商如手机厂商、互联网企业涉足芯片领域,先进工艺的需求不断提升,同时FPGAASIC的趋势等都会成为设计服务公司的主要新增市场。拥有从前道到后道设计实力的厂商,即可以给客户提供完整芯片的厂商将更具优势。

创意电子成立于1998年,总部位于中国台湾,提供定制化IC服务,拥有先进工艺、低功耗嵌入式CPU设计能力,搭配与台积电以及封测公司合作关键技术,适用于通信、运算与消费电子的ASIC设计。2003年,台积电参与投资创意电子,且是最大投资股东。2020年创意电子营收达30.9亿元,其中16/12及7nm的营收占比为33%。创意电子囊括的服务包括设计服务、Turnkey服务以及IP,先进工艺与台积电同步,谷歌、苹果等都是其客户。

世芯电子成立于2003年,2014年在中国台湾证券交易所挂牌上市。目前在美国,日本,中国上海、无锡、济南和台湾地区设有分部。世芯电子专注于集成电路后端设计,创立时即获得了思科公司、软银集团及台积电三大科技巨头的投资,是台积电全球七大VCA价值链整合供应商之一 。此外,企业还因比特币挖矿ASIC而名声大噪,索尼第二代游戏机曾使用其设计的图形ASIC。2020年世芯电子的营收达16.3亿元,在全球设计服务市场中排第二。世芯电子提供ASIC及晶圆产品、委托设计两部分业务,其中ASIC及晶圆产品业务在2020年营收占比97.52%。世芯电子除了提供后端设计服务,也提供客户从设计到晶圆制造、封测一站式(Turn-Key)完整服务。世芯电子主要与台积电有一定的合作。

芯原微电子成立于2001年,总部位于中国上海,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。2020年营收达到15.06亿元。主要面向为面向消费电子、汽车计算机及周边工业数据处理等应用领域。芯原微电子依托数字IP来提供设计服务,与多家晶圆厂进行合作,公司至今已拥有高清视频、高清音频及语音、车载娱乐系统处理器、视频监控、物联网连接、数据中心等多种一站式芯片定制解决方案,以及自主可控的图形处理器IP、神经网络处理器IP、视频处理器IP、数字信号处理器IP和图像信号处理器IP五类处理器IP。

智原科技1993年成立于中国台湾新竹科学园区,主要产品种类有ASIC及晶圆产品、委托设计和IP授权,并在中国台湾证券交易所上市。联电是智原科技最大股东,持股比例为13.77%,通过与联电深度合作,搭起代工厂和芯片设计服务公司的桥梁。2020年智原科技的营收达12.6亿元,其销售最大市场是亚太地区,占比高达75%,美国及日本则占总营收13%。智原科技的优势在于和联电及三星晶圆厂为战略合作伙伴,提供市场主流与FinFET工艺的ASIC设计服务。资料显示,智原已经完成超2200个客户端产品设计方案,每年芯片出货量达数亿颗。

灿芯半导体成立于2008年,是一家定制化芯片(ASIC)设计方案提供商及IP供应商,定位于55nm/40nm/28nm/14nm以下的高端系统级芯片(SoC)设计服务与Turn-Key服务。灿芯半导体总部位于中国上海。2010年与中芯国际结盟成战略伙伴,公司自主品牌的“YOU”系列IP和硅平台解决方案,经过完整的流片测试验证,可广泛应用于消费类电子、物联网、可穿戴设备、通讯、计算机及工业等领域。灿芯业务主要分为IP和芯片定制服务:IP业务方面,灿芯专注于国产IP的开发,尤其是中芯国际工艺节点的模拟IP,其核心产品为高速接口IP。芯片定制服务涵盖前端到后端,尤其在14nm工艺节点,在国内领先。

国内市场或爆发

 

3 国内芯片设计服务市场规模预测

 

据上海集成电路行业协会数据显示,2020年中国设计服务市场规模为43.3亿元,较去年大幅增长23.4%。据调研情况显示,由于各种因素的影响,今年市场仍将处于一个高速增长状态。预计大幅增长36%,整体市场规模将达到58.9亿。到2025年,全国设计服务市场规模将达到100.3亿,未来5年CAGR高达18.3%。

目前国内设计服务产业乐观的发展态势,得益于以下几个原因:

国内半导体市场发展迅速,需求量旺盛。如今中国在全球半导体市场规模的占比超50%,并呈现持续扩大的态势,中国是全球最大的电子产品生产基地,也是全球最大集成电路市场。技术和产业环境的优化正在快速升级,5G、自动驾驶、新基建、数据中心、物联网等领域的需求非常旺盛,未来还存在较大发展空间。

终端需求增加,本土设计公司的快速发展。终端电子产品如手机、平板、智能家居等市场不断扩容,系统厂商和互联网公司的定制需求明显增加。此外,随着中国半导体产业发展,本土产业链逐步完善,中国芯片设计公司数量快速增加,给设计服务公司提供了成长的环境。

自主、安全芯片的需求。如今集成电路产业上升到国家战略的高度,但许多核心技术和构授权基础上。核心技术和知识产权的受制于人具有着较大的技术风险。由于这些芯片底层技术不被国内企业掌握,因此在安全问题上得不到根本保障。IP和芯片底层架构国产化是解决上述困境的有效途径,市场对国产芯片的“自主、安全、可控”的迫切需求为本土半导体IP供应商提供了发展空间。

国际形势变化,国内设计服务厂商需求增加。目前国际设计服务公司正在对中国大陆的客户订单做缩减,从而国内设计服务厂商国内订单的需求因为国际形势的变化而增多。未来几年,国内需求的增加促使国内设计服务厂商的营收不断增加,该趋势至少将维持五年。

2 国内前五大设计服务公司排行

 

 

 

4 2020年国内设计服务市场份额构成

 

据上海集成电路行业协会整理,国内前几大芯片设计服务公司分别为芯原股份、灿芯半导体、国奇科技、芯动科技芯荣微电子。国内设计服务市场最主要两大玩家是芯原股份与灿芯半导体,行业集中度非常高。与此同时,国内还存在许多小而散的设计服务公司,因为需求的冗杂和增加,让几人团队的设计服务公司可以存活,然而随着芯片流片成本随着工艺节点的微缩而不断增加,小团队承担风险的能力较弱。因此未来随着先进工艺的发展,设计服务的市场中头部企业的市场份额将不断扩大,创业虽然容易,但要做大规模非常难,一方面小公司没有抗风险能力,订单也朝不保夕。另一方面,创业公司还有人才不足、招聘难等问题,导致持续化发展存在很大问题,未来业务会向龙头企业倾斜。

芯动科技(Innosilicon)是中国一站式IP和芯片定制服务及GPU领军企业,提供晶圆厂工艺IP核和ASIC定制解决方案。公司15年来立足本土发展,所有IP和芯片全自主可控,经过数十亿颗量产打磨,连续十年中国市场份额遥遥领先,正在推出国内首个数据中心高性能服务器GPU——“风华”。

无锡华大国奇科技有限公司(国奇科技)是一家高端集成电路设计生产服务企业,国奇科技为客户提供从规格书到芯片(SPEC-to-CHIP)的全流程一站式服务以及分段定制服务。国奇科技还在倒装芯片(Flip-Chip)设计、大功耗高热度封装设计方面有丰富经验。国奇科技和业界领先的IP供应商合作,给客户提供IP整合方案,并在ARM、MIPS等数字IP固化方面有一定成绩

合肥芯荣微电子有限公司(ChipMotion Microelectronics Co., Ltd.)成立于2015年09月,是一家以芯片设计技术、供应链整合见长的芯片设计服务公司。公司定位于成熟制造工艺,可向广大客户提供从规格书设计到芯片的整体或部分设计外包服务、知识产权(IP)核设计服务、芯片制造服务等服务。

设计服务的价值

芯片设计服务公司是全球产业链分工趋势的产物,为设计和系统公司架起和晶圆厂之间的 桥梁。在设计公司和系统公司需求不断增长的当下,设计服务公司的未来增长动力也主要来自于这种需求中。

首先对于初创企业来说:

1.最明显的就是降低人力成本。芯片设计看似轻资产运作,实则一个完整的芯片设计过程,需要前后端多项步骤,也就是需要完整的设计团队。对于设计公司来说,人才就是核心生产力,在当下人才紧缺的时期,初创企业需要设计服务公司来协助补充一些步骤,从而降低了初创公司的人力成本。

2.完善后端设计。对于创新型企业来说,其核心优势在前端设计过程中的逻辑,而后端的布局布线等设计,可以交给设计服务公司来做,芯片设计服务公司对后端设计具有丰富的经验,从而缩短了公司的产品上市时间。

3.提供必要的IP。一般来说,公司半导体IP研发流程主要包括产品市场调研、技术可行性分析、产品规格制定、研发计划制定、IP架构设计、IP设计实现、IP设计验证、IP性能测试以及设计验收。而初创公司采购IP需要大量的资金,IP积累需要较长的时间,设计服务公司可以通过自身的IP积累,为初创企业提供在设计过程中的IP。

4.对接晶圆制造厂。初创设计公司缺少自身核心算法或IP,也缺乏流片经验和后端设计经验,也不了解工艺在工艺选型和IP选型时会遇到的困难。设计服务公司可以基于自身核心技术与项目经验能够更好地填补了这一空白,从而对初创设计企业价值巨大。

对系统公司来说:

1.增加了对芯片产品开发的需求。过去系统公司选择自行研发ASIC/SoC,使其系统产品拥有差异化优势以维持竞争力,或是委托可靠的ASIC合作伙伴,统包生产流程,包含设计、制造及封测等。然而,当工艺制程技术不断发展,技术研发、机器设备及厂房投资的花费快速攀升,现存大型IDM厂商无法负荷基础设施的投资而被专业晶圆代工厂所超越,于是更多的系统公司开始将资源集中于产品的规格及前端设计,将后端设计及产品生产外包给专业的设计服务公司。

2.缩短芯片研发周期。芯片设计服务公司如创意电子、灿芯等,借由与策略伙伴(包括晶圆制造、封装、测试厂)合作,提供晶片制造、封装及测试等完整的解决方案,系统公司借由享有更快速的产品上市时间、更低的成本与更专业的设计能力。

3.加速系统公司掌握核心芯片。如今系统公司基于对安全可控需求的考虑,探索自主芯片的可能性,而组建团队闭门研发到产品上市需要很长的周期。并且与已有采购芯片模式来比,大大增加了成本。此时,芯片设计服务公司可以加速系统公司掌握核心芯片,做到自主芯片可控,增加公司整体市场竞争力。

4.协助系统公司把控芯片全流程。创意电子、灿芯半导体等芯片设计服务公司,拥有全流程的设计服务能力,这种能力当下非常稀缺。可以帮助系统公司、设计公司完成设计开发与设计成果转化

细分化是产业发展的必然趋势,芯片设计服务的诞生是这一趋势下的产物。设计服务公司搭起设计公司和代工厂之间的桥梁,在面对初创企业和系统公司时,设计服务公司的价值不容忽视,这也是他们未来成长的密码和关键。

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