关于芯片设计的一些基本知识

引言：之前给大家介绍了芯片的制造和封装。今天这篇，我们来看看芯片的设计。

█芯片的设计理念

众所周知，芯片拥有极为复杂的结构。

以英伟达的B200芯片为例，在巴掌大的面积上，塞入了2080亿个晶体管。里面的布局，堪称一个异次元空间级的迷宫。

英伟达B200芯片

如此复杂的架构，无论是制造还是设计，都具有极大的难度。

早期集成电路刚刚诞生的时候，晶体管的数量并不多，结构也不复杂。

所以，基本上都是设计工程师直接在图纸上绘制电路的物理版图，然后把版图送到制造工厂，工厂进行生产。

早期的手绘门电路图纸（来自仙童半导体）

他们手工绘制的版图是非常精细的，直接具体到了晶体管的物理层级，包括布局布线等。

早期手工制作光 掩模（1970年）

随着集成电路变得越来越复杂，他们仍然采用这种方式，先画底层细节，然后进行“拼接”，最终组成一个完整的集成电路。

这种设计理念，叫做自底向上（Bottom-Up）设计。

英特尔4004芯片的设计图（1971年）

这里就要说明一下， 一颗芯片从设计的角度来看，是分为不同层级的。

从上到下，依次是：系统层、RTL层、门级层、晶体管层、布局布线层、掩膜层。

系统层，是最高层，是站在整个宏观的角度对芯片进行整体设计。

RTL层，是寄存器传输层（ Register Transfer Level ）。门级层的“门”，就是门电路。门电路是由晶体管搭建的。

掩模，在之前晶圆制造里介绍过，就是光掩模版，是芯片设计的最终产物，是最底层的、最能够从细节对芯片进行描述的东东。掩模层，是最底层。

自底向上（Bottom-Up）设计适用于早期的集成电路和PCB传统电路。

到了上世纪70-80年代，集成电路发展为大规模和超大规模集成电路，晶体管数量超过1万。

此时，再采用自底向上（Bottom-Up）方式就不合适了。于是，自顶向下（Top-Down）的设计理念 开始崛起。

简单来说，就是不再从细节开始入手，而是“先宏观，再微观”——先做系统级设计，然后再做RTL级设计（逻辑功能设计）。等上层设计完成后，再进行下层设计（ 门级层、晶体管层、布局布线层和掩膜层），完善每一个细节 。

自顶向下（ Top-Down）设计理念一直到现在都是主流。对于日益复杂的芯片架构来说，这种方式具有更高的效率、更短的设计周期，以及更低的设计成本。

逐级的设计，伴随着逐级的 仿真 验证，所以，这种设计方式的成功率也很高。

█芯片的设计工具

工欲善其事，必先利其器。想要高效进行芯片的设计，当然不能一直依赖于手工作业。

上世纪70年代，随着计算机技术的不断成熟，芯片设计逐渐从手工设计走向了计算机辅助设计阶段，出现了ICCAD（IC Computer Aided Drafting） 。

早期的CAD（1967年）

到了80年代，又出现了CAE （ Computer Aided Engineering，计算机辅助工程）。 CAD专注于产品设计建模与绘图，而CAE侧重于工程仿真与性能优化‌。

再后来，大名鼎鼎的EDA（ Electronic Design Automation，电子设计自动化 ）诞生了。

EDA技术的演进阶段

大家需要注意， EDA并不是一个具体的软件，而是一类软件的统称。它不仅仅用于芯片的设计、验证和仿真，也用于芯片的制造流程。

换言之，EDA贯穿于芯片的整个研发和生产周期， 能够帮助工程师完成大量的细分任务，可以显著提高设计效率、精度以及成功率。

很多人都知道光刻机，也知道光刻机是我们被“卡脖子”的一个关键点。事实上，在EDA方面，我们也是被“卡脖子”的，问题同样很严重。

从全球范围内来看，处于EDA行业第一梯队的，就是三家公司——Synopsys（新思科技）、Cadence（铿腾电子）、Siemens EDA（原Mentor）。

他们都于上世纪80年代创立于美国，目前拥有完整的、全流程的EDA产品体系，市场占有率超过70%，竞争优势非常明显。

国内虽然也有华大九天等一些EDA企业，但市场份额较小，和第一梯队的差距较大。

前几天传出新闻，漂亮国那边又在EDA上搞事，对我们进行封禁。这也是一件麻烦事。

█芯片设计的投入成本

在之前的文章中，小枣君介绍过，芯片的研发和制造有非常明确的分工。

除了极少数公司（IDM， 整合元件制造商） 设计、制造、封测全都做之外，大部分公司都只做其中一块（Fabless、Foundry、OSAT），或者是某个更加细分的领域。

国内的很多知名芯片公司，例如华为海思、中兴微电子、寒武纪等，都是Fabless（ 无晶圆芯片设计企业）。

小米前两天发布了自己的手机SoC芯片——玄戒O1。他们也是Fabless，只负责设计，芯片制造还是交给了台积电（3nm工艺）。

芯片设计的难度，由芯片的种类、功能和性能所决定。

数字芯片处理数字信号，通常都可以做很大规模，尤其是现在很多CPU、GPU、NPU计算芯片，还有手机SoC芯片，结构都极为复杂，晶体管数量极多，设计难度极大，成本也极为高昂。

设计这种高端芯片，往往需要几百甚至几千人的专业技术团队，耗费一年甚至几年的时间，投入上亿甚至上百亿美元的资金。芯片工艺制程越先进，成本就越高。

芯片的设计成本估算（单位：美元），仅供参考

成本中，包括了专业人才的薪资（芯片设计人才的薪资很高）、EDA工具的授权费、IP核（待会会提到）的采购费、设备购买费以及运营费用等。

模拟/射频芯片，处理模拟信号，往往是针对一些具体的功能，规模远不如刚才说的高端数字芯片。另外还有一些数模混合信号芯片，例如ADC（模数转换）、DAC（数模转换），也是针对一些具体应用。这些芯片，大部分相对数字芯片来说简单一些。

对于较为简单的芯片， 一些中小型团队，借助目前比较齐全的芯片设计软件工具平台 （例如EDA） 和硬件设备，也能够进行自主设计。当然，哪怕是简单的芯片，设计周期大概是1-1.5年，耗费资金在百万至千万级。

特别值得一提的是，芯片设计具有极高的风险性。

如果流片（芯片设计最后要进行流片，相当于做一个测试版）失败，损失会非常大（28nm单次流片需要1000万元，7nm需要超过1亿美元）。

直接经济损失还只是一方面。流片失败还会拉长芯片的研发周期，导致错失市场机遇。

严重情况下，流片失败可以直接导致一家公司破产倒闭。

█IP核

芯片设计，也是有一些“捷径”的。例如采用IP核。

IP核，即知识产权核，代表着一种预先定义、经过验证且可重复使用的模块化功能单元。它是构建大规模集成电路的基础元素。

简单来说，你在设计一个复杂芯片的时候，不必每个部分都从零开始，一些成熟的或通用的功能单元，你就可以直接购买IP核，大幅减少芯片设计的工作量。

手机SoC芯片的设计理念，其实就来自于IP核的复用。

手机SoC芯片

根据特性，IP核可以分为硬核、固核和软核。具体区别可以参考下面的表格：

目前，芯片IP核的主要市场份额也被欧美企业所占据，其中Arm、Synopsys和Cadence位列市场前三。

大家发现了，Synopsys和Cadence不就是刚才EDA三强的第一和第二吗？

没错，搭配捆绑销售，软件授权和IP核授权一起卖，效果更好，利润更高。

在芯片设计的产业链中，上游的EDA工具和IP核授权环节毛利率高达90%以上。然而，这些利润基本上都被刚才说的那几家公司所占据。

目前，EDA工具的国产化率尚不足5%，高端IP核仍严重依赖进口，形势真的是不容乐观。

根据有关机构的数据显示，2020至2024年间，全球芯片设计市场的复合增长率是9.8%，2024年市场规模突破4800亿美元。中国市场的增长更为惊人，占比从19%迅速提升至28%。

随着整个社会数字化转型的不断推进，还有AI浪潮的蓬勃发展，相信包括芯片设计在内的整个芯片产业还会继续高歌猛进。这其中，蕴藏着巨大的商业机会和挑战。

好啦，以上就是今天文章的全部内容。

这期是关于芯片设计的一些基本知识铺垫，算是一个“开胃菜”。

下一期，我们就要进入“正餐”环节，详细介绍芯片设计的完整流程步骤。

敬请关注！