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浅析新三板半导体的芯片设计(二)

2020.9.29

1. 功能设计阶段:确定产品的应用场合,设定诸如功能、操作速度、接口规格消耗功率等规格制定,作为电路设计的依据。可同时规划软件模块及硬件模块的划分。

2. 设计描述和行为级验证:依据功能将SOC(System-on-a-Chip,系统级芯片),划分为若干功能模块,并决定实现这些功能将要使用的IP核。此阶段间接影响SOC内部架构、各模块间互动的讯号,及未来产品的可靠性。之后,用VHDL 或Verilog 等硬件描述语言实现各模块的设计,和电路仿真器进行功能验证。该阶段仿真未考虑电路实际延迟,也无法获得精确结果。

3. 逻辑合成:确定设计描述正确后,使用逻辑综合工具(synthesizer)进行综合。综合过程中,需要选择适当的逻辑器件库(logic cell library),作为合成逻辑电路时的参考依据。综合工具支持的HDL语法均是有限的,一些过于抽象的语法只适于作为系统评估时的仿真模型,而不能被综合工具接受。

4. 门级验证:门级功能验证是寄存器传输级验证。主要的工作是要确认经综合后的电路是否符合功能需求,一般利用门电路级验证工具完成。注意,此阶段仿真需要考虑门电路的延迟。

5. 电路布局与绕线:将设计好的功能模块合理地安排在芯片上,规划好它们的位置。各模块之间的连线通常比较长,因此,产生的延迟会严重影响SOC的性能,尤其在0.25微米制程以上,这种现象更为显著。目前,这一个行业仍然是中国的空缺。

整个集成电路市场IC设计将近1000亿美元体量,前五名占据50%的市场份额,其中博通和高通占据30%。市场集中度非常高。

美国最近升级对华为的打压措施,禁止华为使用芯片设计中最常用的EDA软件。

EDA,电子设计自动化(Electronics Design AutomaTIon),作为计算机辅助工具,EDA工具软件可大致可分为芯片设计辅助软件、可编程芯片辅助设计软件、系统设计辅助软件等三类。可以进行电路设计与仿真,PCB自动布局布线,可输出多种网表文件与第三方软件接口。

作为芯片设计的关键软件技术,没有EDA几乎就无法研发出芯片,而高端的EDA软件目前被Cadence、Synopsys、Mentor三家美国公司垄断,这三家EDA软件公司占据了国内95%的市场份额。

根据芯片功能的不同,可以将集成电路可以分为 CPU、GPU、FPGA、AISC、存储器、模拟电路等:

(1) CPU

中央处理器(CPU,Central Processing Unit)是一块超大规模的集成电路,是一台计算机的运算核心和控制核心。它的功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。

CPU 根据架构的不同主要可以分为四类:

X86:适合 windows 系统,ZL在英特尔和 AMD 的手中,其他厂商很难取得授权。

ARM:适合手机和平板上的安卓和 IOS 系统,ZL在 ARM 公司手中,需要付费使用。

MIPS、RISC-V:开源的指令集,可以免费使用,但是支持的应用生态较少。

PowerPC:PowerPC 架构 CPU 主要被 IBM 用于其小型机上。

从目前的 CPU 市场来看,国内在各类架构的 CPU 均有企业涉足,其中 ARM 架构的 CPU 海思取得了较大成功,MIPS 架构的 CPU 北京君正的在物联网领域有较大优势。

(2) GPU

图形处理器(英语:Graphics Processing Unit,缩写:GPU),又称显示核心、视觉处理器、显示芯片,是一种专门在个人电脑、工作站、游戏机和一些移动设备(如平板电脑、智能手机等)上图像运算工作的微处理器。目前,在桌面 GPU 市场,全球市场份额基本被英伟达和 AMD 占据,在手机 GPU 市场,以苹果、高通和 ARM 的 GPU 为主。

(3) FPGA

FPGA 是现场可编程门阵列,是指一切通过软件手段更改、配置器件内部连接结构和逻辑单元,完成既定设计功能的数字集成电路,又称为"万能芯片"。FPGA 的一大特点是可以通过编程实现任意芯片的逻辑功能,包括 ASIC、DSP 甚至 PC 处理器等。目前,FPGA 市场已经被 Xilinx 和 Atlera 两大巨头垄断,合计占据 90%市场,拥有 6000 多项ZL对后来者形成了巨大的ZL壁垒。我国目前 FPGA 领域的参与者主要有紫光同创(紫光集团的子公司)、高云半导体、上海安路、京微齐力,与国际巨头还有较大差距,主要以中低密度FPGA 为主,国内市场占有率不足 3%。


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