大国崛起（三）：造芯片到底有多难-芯片设计篇

摘要：先来看一下芯片全流程的关键设备/材料和主要生产厂家，我们会发现美日欧几乎是垄断了芯片全产业链，各自分工有侧重。

先来看一下芯片全流程的关键设备/材料和主要生产厂家，我们会发现美日欧几乎是垄断了芯片全产业链，各自分工有侧重。

美国：主要搞EDA软件和各种芯片制造设备（单晶炉，CMP抛光机，刻蚀机，离子注入机，CVD/PVD薄膜沉积设备，检测与量测设备），典型代表企业是应用材料Applied Materials、科磊KLA-Tencor和泛林Lam Research。欧洲：荷兰ASML的光刻机全球市场份额94%（日本的尼康和佳能虽然也做光刻机，但主要是28nm及以上的中低端制程，且市场份额小，存在感不强），德国和西班牙的高纯度气体。日本：把材料科学做到了极致，例如光刻胶、掩膜、CMP抛光液、研磨浆、溅射靶材、切割钢丝、金刚石刀片、切割液封装基板、引线框架、环氧树脂、导热材料、焊线/焊球等，典型代表企业是信越化学Shin-Etsu、JSR、东京应化TOK和富士美Fujimi。

国内在关键设备和材料上也有供应厂家，这几年进步很快，目前主要集中在中低端制程或某些细分领域，要全面对先进制程进行国产化替代，还需要一些时间。

芯片全产业链关键设备和材料

贰：芯片设计

芯片设计是一项高度复杂和系统化的工程，涉及多个专业领域的协同工作，专业性极强。现代芯片设计必备的工具是EDA（ Electronic Design Automation），即电子设计自动化。早期，由于芯片简单，元器件少，设计师可手工完成芯片设计、布线，现在的芯片动辄几十亿、几百亿的晶体管，手工就无法实现了，必须依赖EDA工具。

EDA电路图

70年代中期，“设计自动化研讨会”创建，同时开发出了第一款电路布局、布线工具，芯片设计开始逐步走向自动化。

1980年，卡弗尔·米德和琳·康维发布了一篇论文，名为《超大规模集成电路系统导论》，提出了利用编程语言来进行芯片设计的新方案。

1981年，EDA开始商用。

1986年，设计语言Verilog诞生，可以用来进行各种层次的逻辑设计，也可以进行数字系统的逻辑综合，仿真验证和时序分析等。

1987年，美国国防部设计出了VHDL语言，主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口。

2000之后，逐渐形成了美国EDA三巨头Synopsys（新思科技）、Cadence（楷登电子）、Siemens EDA（原Mentor Graphics，2016年被西门子收购），三家占据全球80%以上市场份额。国内华大九天、概伦电子等厂家当前也只是在细分领域取得突破，暂难以进行全流程国产替代。除EDA工具外，还有与其绑定的Matlab&Simulink工具也是很难替代的。EDA工具与下游的晶圆制造设备也存在强耦合关系，牵一发而动全身。

EDA三巨头

此外，指令集架构也是需要在设计阶段明确的：采用ARM还是x86，直接购买ARM核心还是基于ARM授权自研核心。目前，美国限制ARM向华为授权最新版本的ARMv9指令集架构，逼迫华为基于老版永久授权的ARMv8自研了泰山核心，泰山核心后续发展可能依赖开源RISC-V或自研架构（如华为已布局的达芬奇AI架构）。