撰寫年分:2021
​作者:東尼

​IC 設計 Integrated Circuit Design  Part 1

全面解析 IC 設計產業鏈

 

IC(Integrated Circuit,積體電路)在生活中無處不在,從手機、電腦到家電、洗衣機都需要依靠多顆 IC 來協助,各種 IC 的作用大相逕庭,常見的 IC 種類包含 CPU、觸控 IC、網通 IC、DRAM、手機 SOC 等,因此也孕育出數以千計的 IC 設計公司。IC 設計公司顧名思義,主要工作就是設計每個晶片上的功能、程式碼、元件以及元件之間的電路;除此之外也需要設計用於 IC 製造的光罩。IC 設計公司「Design House」,又稱為「Fabless」,因為 IC 設計公司不會建立自己的工廠製造晶片,而是委由台積電、聯電、格羅方德(Global Foundries)等晶圓製造商來生產。像是三星、Intel 這類同時擁有設計晶片能力和晶圓廠,稱為 IDM (Integrated Device Manufacturer) ,在半導體發展早期多為這類型的垂直整合;但隨著台積電的出現,帶動專業分工,也因此出現一眾專精於設計晶片的輕資產公司。也因為 IC 製造製程微縮的技術門檻越來越高、成本大幅增加,每年的資本支出動輒數百億美金,因此從 1970 年代開始,IDM 為主的垂直整合 IC 公司逐漸成為現今主流的專業分工模式。

一、半導體產業鏈

下圖中 IC 設計部分包含了SIP 矽智財公司、EDA 電子設計自動化以及 IC 設計公司、IC 設計服務公司,每個種類都扮演不同的角色。這系列文章將集中於這些內容深入分析。

IC 設計

1. SIP 矽智財公司(Silicon Intellectual Property)

由於單一晶片的功能日趨複雜,在設計上難度也逐漸提升,IC 設計公司不可能再自行設計晶片上的每個單元與每條電路,因此矽智財公司應運而生。矽智財公司的角色是將完整功能的功能單元(Funtion Unit)或區塊(Block)設計圖以授權方式販售給 IC 設計公司、融入自己的晶片當中。根據市調機構 Verified Market Research 研究,2019 年矽智財市場規模達到 53.3 億美金,預期未來每年可成長 4.58%,2027 年將達到 74.4 億美金;雖然成長不算快,但矽智財市場是寡佔市場,全球最大矽智財公司是安謀 ARM,其他公司包括新思科技 Synopsys、Imagination Technologies 等。未來集成更多功能的系統單晶片 SOC(System on Chip)更是需要依靠矽智財公司的協助,才有機會設計出強大又多工的晶片。

 

2. 電子設計自動化 EDA(Electronic design automation)

在 IC 日漸複雜的情況下,IC 設計公司無法再依靠人工設計所有細節,因此自動化工具將顯得十分重要,EDA 工具提供模擬、分析、合成、自動配置、繞線、驗證等功能,將各個功能單元安排在最好的位置,以達成最高效能。根據統計,EDA 產值大約 97 億美金,主要業者為美國的 Synopsys、Cadence 以及被西門子併購的 Mentor Graphics,這三間公司囊括 EDA 超過七成的市占率。EDA 產業在各軟體間沒有統一標準,因此當 IC 設計公司採用其中一間的 EDA 工具後,就難以換移至其他間,高昂的顧客轉換成本,也為這些公司帶來高度的顧客忠誠度。因此當 2018 年美國開始在經濟上制裁中國時,EDA 成為重要利器,因為相關軟體幾乎掌握在美國手上且轉換不易。

 

3. IC 設計服務公司

IC 設計服務公司主要為企業客製化晶片,通常分為委託設計以及委託製造。委託設計 NRE(Non-Recurring Engineering)當少部分企業有特殊需求、公規晶片無法滿足的時候,就會委託 IC 設計服務公司協助為其客製化特定應用積體電路 ASIC 晶片。委託製造又稱為 Turnkey,由於將設計好的晶片導入工廠需要耗費大量時間成本以及經驗磨合,因此小型 IC 設計公司不易取得產能;委託設計 IC 的客戶也因為在與晶圓代工廠合作量產方面沒有經驗,需要請 IC 設計服務公司委託製造,因此台灣著名的 IC 設計服務公司創意及智原,背後分別有兩大晶圓廠台積電及聯電支持,提供產能及技術支援。通常這類公司也會為其客戶尋找矽智財 SIP 模組的服務,作為矽智財交易的平台,但目前佔比較小。

二、重點公司介紹

1. ARM 安謀

 

全球最大矽智財公司,成立於英國劍橋,現在為日本軟銀持有,2020 年輝達 Nvidia 宣布將以 400 億美元併購 ARM。這間搶手的公司主要提供各式 SIP,ARM 架構的特色為高效能、低耗能、低成本,雖不自行推出晶片,但在晶片世界裡極為重要,在智慧型手機時代,每台手機內都有 ARM 架構的晶片,高通、聯發科等都需要跟 ARM 購買矽智財。現在這場戰火從手機蔓延至筆電及桌機,過往主要以 x86 架構為主的電腦 CPU,在 2020 年 Apple 推出基於 ARM 架構的 M1 晶片給 Mac 使用;Nvidia 也在 2021 年 GTC(Nvidia 年度技術大會)宣布將推出基於 ARM 架構的 Grace CPU,應用於資料中心 AI 運算,可以與 GPU 良好搭配,號稱效能將達到現今 CPU 的 10 倍;這些應用將使未來 ARM 成長可期。

IC 設計

 

2. 新思科技 Synopsys

 

少數矽智財及 EDA 上市公司上市公司。新思科技在 EDA 領域為第一把交椅,擁有最全面的產品線,在部分產品如半導體工藝模擬 TCAD (Technology Computer Aided Design)更有超過 90% 的市占率,也透過大量併購中小型 EDA 公司──像是台灣的 EDA 廠思源科技──藉以維持產業龍頭地位,也建構起一座護城河。新思科技因為主要花費為併購以及研發費用,因此有極高毛利率,大約在 75% 上下。

IC 設計

 

Reference: 產業分析(徐作聖、陳仁帥著)