Fabless：半导体产业30年大变革
最新更新时间：2022-12-23
阅读数：
作者 | 肖俨衍
来源 | XYY的读书笔记
01
Fabless模式横空出世
首先，我们来简单看一下半导体产业Fabless时代之前的发展历程：1947年晶体管发明，1959年集成电路发明（具体历史详见【读书】Intel发展史：“三剑客”如何铸就芯片龙头？）。此后这两项伟大的发明开始渗透到普通人生活当中，1970年代前，普通美国人家庭里面主要两样家用电器即广播和电视，那会的电视仍然以模拟电视为主，而广播则以晶体管为主，此后惠普、德州仪器等公司又推出了口袋计算器、电子表等。1980年代，半导体消费电子领域迎来爆发，游戏主机、随身听、CD播放器、摄像机、电子打字机等一系列产品开始爆发，当然这里面最重要的就是PC。
摩尔定律造就科技产业奇迹。芯片产业崛起过程中，1959年Planar工艺发明至关重要，其允许所有晶体管等元器件在基于一个平面生产，同年德州仪器的Jack Kilby（后来收获诺贝尔奖）和Fairchild 的Bob Noyce（后来Intel创始人）发明了集成电路。1965年摩尔定律（Gordon Moore，Intel联合创始人）提出（半导体产业晶体管密度每18个月到2年增加一倍）更是为行业提供一个行为通用准则，实际上芯片产业至今也基本遵循摩尔定律规划的路径（当然也有说法说快到头了）。从制造工艺来看，一整张晶圆上能够同时生产的晶体管数量指数增长（万亿个），也导致单位晶体管生产成本指数级别下降（每个月下降5%，持续至今）。实际上，正是晶体管成本指数级别下降，造就了过去70年全球科技产业发展的奇迹。当时有一个比喻，如果航空产业也遵循摩尔定律，1978年一个从纽约到巴黎的航班耗时7小时，价格900美元到2005年，这个航班应该仅耗时1秒钟，价格是1美分。
重资产Fab模式演进，Fabless模式开始出现。制造芯片的工厂叫做Fab，其对洁净度等要求极高，直到1980年，芯片公司基本上都拥有自己的Fab（IDM模式，Integrated device manufacturer ），“Real man have fabs”是当时AMD CEO Jerry Sanders的名言（后来AMD自己也变成了Fabless），其中一个原因是当时建设Fab的成本还没有那么变态。然而，随着芯片制造工艺越来越复杂，Fab需要的投资也越来越大，到2014年一座最新技术的Fab投资高达100亿美元，这还不算购买任何原材料的成本，且其寿命为5年，这又进一步加大了产能利用最大化的难度。1980年代，为了提高产能利用率，这些IDM模式下的Fab可能会向外部公司开放一部分自己的产能，此时正好兴起一类芯片设计公司，其主要为系统集成公司开发定制化的芯片（ASIC，Application Specific Integrated Circuit），而这些芯片公司开始选择了Fabless模式。1987年，半导体纯代工厂模型开始出现（台积电为代表），其极大提升了Fabless模式确定性，因为问IDM公司要产能模式始终不稳定，因为后者产能肯定优先给自己。
Fabless模式产业链形成。从ASIC开始流行开始，Fabless芯片设计公司开始涌现，而纯代工的Fab出现进一步增强了模式确定性。此后，系统集成公司也开始尝试自己设计芯片，这就推动EDA（Electric Design Automation)芯片设计软件产业的兴起。后来，随着Fab越来越贵，很多传统IDM也开始变成Fabless（比如AMD），也有一些变成Fab Lite，即用自己传统公司生产低端产品，而高端产品依赖Fab（例如德州仪器）。最后，随着SoC系统集成芯片趋势开始流行，芯片IP授权模式重要性开始显著提升，ARM等公司开始崛起。至此，Fabless模式各个产业链环节基本成型，后文也会从各个环节诞生角度进行梳理。
02
ASIC：Fabless模式的过渡形态
从供给驱动到需求驱动。1980年之前的芯片产业运行模式更多是供给驱动——芯片设计公司如（Intel）研发设计和制造相应产品，卖给下游客户。然而，随着电子产业发展不断深入，系统越来越复杂，下游客户产生了越来越多定制化的需求，原有模式不能完全适应市场发展方向。另一方面，当时的芯片设计公司对于下游行业认知，以及下游系统集成公司对于芯片设计认知都不足，这就孕育了ASIC赛道——最著名两大玩家是VLSI和LSI logic（后文还会详细写），早期的行业模式是系统集成公司完成芯片前端设计（一般是软件设计），然后交给后端ASIC公司进行后端实体电路设计和生产。早期ASIC模式并不被看好，因为其高昂的成本以及少数的客户，然而随着行业发展不断纵深，行业获得不错发展势头，2000年LSI Logic营收达到27.5亿美元。
早期ASIC的全流程。首先，系统集成公司会选择一家ASIC公司沟通自己模糊的定制化需求，而ASIC公司则会提供一个标准化单元库供系统集成公司排列组合达成自己想要的功能（最早使用设计软件叫Schematic editor），这个设计流程生成的成果叫netlist，其主要就是一些单元和连接的组合列表。为了验证软件设计的可行性，需要软件仿真功能（那个时候直接制造硬件也是很高成本的，人工验证也已经不可行，太复杂了），不断的修改错误直到确认软件设计方案完备后，netlist就会被交付给后端ASIC厂商，他们会将netlist通过Place and route 转化为实物布局（Physical Layout），netlist只是一堆列表，而Place and route会增加实物产品各种细节，包括检查信号传输速度是否和设计相符。其最终设计会被存储到一个磁带中，用来做制作实物芯片，这个环节又叫Tape out。在生产环节有两种类型，分别是Gate-array和Cellbased，前者其晶圆上已经有了很多标准单元，ASIC芯片更多是根据程序将这些单元连接起来；而后者则是根据设计重新制造整个芯片。前者便宜和速度快，但是灵活性差，ASIC效率不高，前者逻辑有点类似后文要写的FPGA。最后，样品会被寄回系统集成公司进行实物测试，如果满意则最终转化为订单。
高粘性，但竞争相对激烈。ASIC公司对定制化芯片photomask（光掩模，就光刻的模具）有独家专利权，即使这个设计由系统集成商提供，ASIC公司也拥有独家生产权利（系统集成商不能简单交给其他人生产）。因此，ASIC拥有较高粘性，对于系统集成商来说要更换供应商可能就意味着设计从头来过。然而，ASIC模式本身却没有太高门槛，此后包括Intel、富士在内诸多公司进入ASIC领域，慢慢大家意识到小批量的订单盈利性很差，而大批量的定制化订单每年又屈指可数，导致行业竞争激烈。头部公司如VLSI 和LSI只能凭借一些高难度设计获取一定溢价。最终，VLSI在1999年被飞利浦半导体以10亿美元收购（现在叫NXP），而LSI则于2013年66亿美元被Avago收购。
分工进一步细化，系统集成商争夺更强主动权，传统ASIC模式被挑战。半导体产业进一步发展方向一方面是纯代工的Fab如台积电诞生，另一方面是系统集成商在芯片设计领域专业能力不断提升，且随着EDA设计软件的普及，ASIC几乎被完全绕开了——系统集成公司可以使用EDA软件完成前后端设计，直接和代工Fab合作进行芯片生产，这样系统集成商可以拥有芯片设计完整产权，也不会被ASIC公司裹挟（独家权），其可以随便更换代工厂。当然，一部分系统集成商也还是低估了芯片设计的难度，最终他们还是选择一部分设计流程外包，这时候诞生的ASIC公司更多选择了Fabless模式了，大多数时候他们会负责全部或者部分实体设计部分，然后和Fab合作搞定制造过程。
VLSI简介：革新芯片设计软件。公司成立于1979年，其立足点首先是革新了芯片设计的软件，当时芯片设计还是基于多边形编辑逻辑（Polygon-based layout），而当时芯片产业已经过了可以手动设计的时代了，VLSI致力于打造下一代芯片设计软件。然而，其第一桶金却来自于主机游戏行业，生产当时游戏主机使用游戏插卡（ROM），这些收入被公司用来研发芯片设计软件——最开始其芯片设计软件聚焦于电路验证，此后基于客户需求开发了标准元器件单元库，获得了客户青睐。由于是ASIC模式，其需要深度服务客户，所以公司需要在不同地区都有办公室，VLSI选择在区域上聚焦欧洲的客户（后来投资了ARM），而且最开始客户则主要是PC的Tier1厂商。随着其IP标准库越来越受客户欢迎，VLSI干脆自己开发了PC Chipset（安装CPU和内存后就可以使用），1990年VLSI的Chipset成为畅销产品（当然后来被亚洲产品打败了）。此外，VLSI还和苹果、Acorn合资成立了ARM，VLSI为后者提供了整套芯片设计软件工具。
分拆和被收购。1991年，VLSI被分拆为两家公司：EDA设计软件公司叫Compass Design Automation，而VLSI则变身纯芯片设计和制造企业。然而，分拆后的EDA公司难以摆脱VLSI的限制，始终盈利不佳，但其继承VLSI的标准IP库仍然具有价值，1997年以4400万美元被Avant！收购，而后者则在2001年被Synopsys收购。而VLSI剩下业务则在1990年代年营收达到6亿美元，其主要涉及无线通讯、数字视频、PC显卡、ASIC定制等行业。1999年，飞利浦半导体以10亿美元收购VLSI。
03
FPGA：通用VS专用的中和方案
前身PLD。1970年代，有两种类型的集成电路TTL和PLD，前者是一系列固定元器件晶体管的组合，一台PC可能需要多个TTL，然后叠加内存和CPU。TTL最早制造工艺是Bipolar，后来转为MOS。然而，正如前文所言，真正体量足够大的ASIC场景很少，导致其不能完全适应定制化需求。PLD（programmable logic device）是一张空白的集成电路，客户可以根据自身需求根据软件来定义其功能，由于硬件可以通用化生产，用软件来自定义，其同时兼具了通用（硬件生产）和专用（软件自定义）。
FPGA诞生。PLD早期一大缺陷是没有flip flop，无法存储电路状态。此后一项新技术其基于前文所提到的gate-array技术，即晶圆上提前布局好相关晶体管布局，之后根据需要进行对应连接。1984年Xilinx赛灵思意识到，他们可以将PLD和Gate-array技术结合，打造FPGA（field-programmablegate-arrays），这些硬件可以通过编译内存芯片实现整个芯片的编程。FPGA兴起还得益于后来自动化变成软件的繁荣，使得客户编程FPGA和设计ASIC程序类似，后来也引入了硬件描述语言Verilog，VHDL等来进行编程，只要将这些程序写入一块内存，FPGA就可以安定义运行。
FPGA使用场景。赛灵思是FPGA品类的开拓者，其最开始就选择了Fabless模式，最开始高管基于私人关系搞定了日本Seiko为其代工，1995年，赛灵思代工交给了UMC（纯代工Fab），相比于ASIC，FPGA在硬件生产商更加标准化，电路验证也相对简单。最早FPGA被用来替代PC中除了CPU和内存以外的硬件，此后其开始开拓一些需要高频变动的使用场景，比如通讯网络，其通讯标准会不断迭代升级。这些场景中，你不可能等到标准升级后再更新硬件。当然，如果使用其他通用硬件，你仍然可以通过定义软件来实现功能化定制，然而FPGA是一种介于软件定义和通用硬件中间解决方案，其效率更高。比如Cisco，其会在除最高端产品以外采用FPGA。FPGA另外一个重要场景则是芯片orSoC（系统）样品测试和仿真，软件仿真速度太慢（至少在当时），而使用FPGA模拟一个对应的芯片或者SoC，效率则要高很多。
系统集成时代的FPGA。进入System on a chip时代，FPGA也可以被集成，也可以主动集成其他芯片，比如CPU（一般是ARM或者PowerPC），当然FPGA最大弱点可能就是能耗太大（对于移动设备是个问题）。从FPGA软件设计环节，不同于传统EDA一般由专业第三方提供，FPGA的设计工具一般由FPGA厂商自己提供，主要原因还是赛灵思和Altera后来几乎垄断了这个市场，EDA公司进入这个领域就不划算了（硬件厂商不适配你，你根本没法弄）。此外，FPGA公司还为客户提供IP库供选择，最开始都是一些简单基础IP，后来也建立了第三方开发者生态，用来丰富IP库服务。
FPGA市场发展。2012年，FPGA市场大约是45亿美元，赛灵思有50%左右市场份额，营收22亿美元，Altera营收为18亿美元，两家市占率合计90%。2015年，Intel以167亿美元收购了Altera。此后，半导体制程到28nm以下，FinFET等新工艺开始普及，而赛灵思在20nm、16nm制程上跟台积电合作，而Altera和Intel合作则持续跳票，赛灵思一下扩大了领先优势（Altera后来聚焦云计算领域，有一定优势）。2020年，AMD以490亿美元价格收购了赛灵思。2021年，FPGA市场规模为62亿美元，预计到2026年提升到92亿美元，主要驱动力来自自动驾驶、AI、物联网等新型方向的发展。
赛灵思（Xilinx）：FPGA龙头。赛灵思的创始人均Freeman、Vonderschmitt和Barnett均出自Zilog，这家前Intel员工创立的芯片设计公司。Freeman在工作中发现了一种可编程逻辑电路，其相对于设计ASCI耗时几个月，其可以在1天之内实现类似定制化功能。基于此，他们产生研发可编程硬件的想法，然而Zilog当时主业还是通用型芯片，对于拓展可编程硬件兴趣不高，于是三人一起创立赛灵思，专门研发可编程芯片FPGA。Vonderschmitt在创业之前，在Zilog和RCA拥有最丰富的经验，他首先确立了赛灵思Fabless模式，其次凭借私人关系搞定日本Seiko作为代工厂，此后AMD成为赛灵思第二供货商（难怪后来AMD收购了它）。在初代FPGA设计之初，设计宗旨之一就是尽可能简单——其重复使用很多SRAM和EPROM等基础部件，也使得其制造过程易于验证和纠错（甚至对于Fab来说，制造FPGA变成了检验工序水平的基础任务）。1985年，赛灵思第一款FPGA XC2064正式推出。
04
Foundry（代工厂）：巨头的游戏
Fab兴起。随着半导体技术越来越复杂，制造环节Fab的投资也越来越大。而由于技术迭代速度很快，Fab的使用周期却始终有限，于是在有限时间尽可能提高产能使用率成为最重要经济指标（不用就在亏钱）。最后，半导体消费端却拥有明显的周期性，于是Fab在高峰期经常供不应求，而低谷期则产能过剩。1980年代，纯代工的Foundry开始出现，最开始他们主要是接IDM厂商一些超出自身产能的订单，是行业的补充。1987年，台积电TSMC成立（台湾举全省之力，前身是台湾工业技术研究所,ITRI），此后UMC（联华电子）也加入到代工序列中来，此后新加坡的Chartered Semiconductor也成立。纯代工模式诞生后，Fabless的芯片设计公司可以公开便捷地、且确定性很高的获得代工资源（IDM模式他们需要和Intel等巨头搞关系，不透明且不稳定）也开始蓬勃兴起，他们不再需要重金投入制造环节，而是将精力聚焦在芯片设计环节，制造事情交给台积电等代工厂就行。
Fabless和IDM互相渗透。1990年时代，IDM仍然主要基于自己的Fab生产芯片。然而，随着芯片技术发展，Fab越来越变成重资产：2002年，Intel建设一座Fab需要20亿美元，2006年三星建Fab花了40亿美元，2013年GlobalFoundries建Fab花费超过100亿美元。而且，对于一座投资成本是30亿美元的Fab，其每年摊销就高达10亿美元，需要50亿美元营收才能回本（当时基本上等于AMD的营收）。越来越大的投资预示着越来越大的风险，很多传统IDM都开始转型Fabless，AMD在2009年宣布将Fab资产剥离成立GlobalFoundries，自己则转型Fabless聚焦芯片设计（具体见【读书】AMD发展史：坚守长期，终获成功)，此外包括Sony，英飞凌在内的芯片公司都转型了Fabless。此外，传统的IDM如Intel、三星、IBM等则开始进入foundry代工厂生意：IBM为Micro代工逻辑芯片，而Intel则为Altera代工FPGA。
行业集中度不断提升。虽然两种模式相互融合，但共同点是行业集中度不断提升，130nm工艺时候，全球有22家IDM，到45nm数量下降到9家IDM和5家代工foundries，到22nm时候，只有3家IDM和4家foundries。到如今5nm阶段，代工厂foundries只有台积电了（三星和Intel可以算IDM），实在太烧钱了。2013年，台积电营收为201亿美元，远远领先第二名Globalfoundries 51亿美元，第三名三星是46亿美元。2012年，Foundries生产的芯片占全球芯片产量的三分之一，预计到2017年达到45%。随着FinFET新工艺出现，台积电进一步保持优势地位，其在28nm制程以下一骑绝尘，此后Globalfoundries宣布放弃7nm制程研发，转而聚焦更加成熟工艺的优化（太烧钱了），而三星则押宝Gaafet（3nm以下制程新工艺），意图弯道超车。
台积电简介（TSMC）。1980年代ASIC兴起给行业带来最大变化是从供给驱动（IDM厂商驱动）到需求驱动（系统集成厂商驱动）。而1987年台积电成立后，叠加芯片软件设计EDA行业发展，系统集成公司在芯片设计领域走得更深，而台积电则完全聚焦制造端，重构了芯片设计开发制造全流程：芯片代工厂提供设计流程和相关设计参数体系，而系统集成上则提供GDSII文件和测试程序，后来台积电也开始提供基础元器件库。然而，随着芯片设计越来越复杂，芯片设计周期和代工周期之间差距越来越大，这不利于代工厂提高产能利用率，于是在65nm制程时候，台积电牵头设立一个Open Innovation Platform(OIP），其意在整合Foundries，EDA和IP授权三方，新工艺必须和EDA软件配合才能使用，而在SoC系统集成时代，一般集成电路有50%甚至更多是使用IP库（台积电提供5500种IP供客户使用），这三方通力合作能够极大降低芯片设计和代工之间的时滞，从而提高台积电产能利用率。此外，从资本开支来看，台积电每年都是数百亿美元（2022年360亿美元），保持持续对于新技术投入（还投资了ASML13亿美元，跟光刻机搞好关系也很有必要）。最后，台积电的创始人张忠谋，其在德州仪器工作25年，其负责设计产品后来在IBM代工生产，因此也很早见识了Foundries模式。1983年，他离开了TI加入General Instrument，之后他回到台湾，在全省力量支持下，继承了台湾ITRI研究所的资源创立了台积电。1931年出生的张忠谋在台积电工作到2018年（77岁），也是传奇了。
05
EDA软件：大象的心脏
对于芯片产业来说，EDA设计软件就像大象的心脏，相比于庞大的大象，其体积小得可怜(100亿美元市场空间）。然而，它却是不可缺少的部位。一般来讲可以把EDA软件发展分为五个阶段：
阶段一：从手工到计算机设计。1970年代中之前，芯片全流程都是手工完成的，包括设计、布局、验证、掩膜制作等。其中光掩模制作的方法叫Rubylith，其类似在设计布局上拓出来的。然而，随着芯片越来越复杂，这种方法显得不够用了，芯片需要一种更加自动化的设计流程。于是三家公司Calma，Application，ComputerVision开始开发设计软件，他们主要聚焦Layout到Tape out偏后端环节，芯片设计师设计好芯片后，可以上传Layout布局，然后软件可以扫描布局然后输出到磁带上，这个过程就叫Tape out，此后光掩模可以自动化生成。此外，通过软件来仿真系统的正确性也是客户的刚需，除了Layout和一些仿真功能靠采购外，IDM开始内部开发其他流程的设计软件。最后，当时EDA软件商业模式是软硬件捆绑模式，也即客户购买硬件从而捆绑软件（专用硬件），实际上这个模式一直延续挺久，到后来EDA软件公司转型纯软件还有担心软件不如硬件能买得起价格。
阶段二：分工细化。1980年，一本《Introduction to VLSI System》的书第一次公开了设计芯片的全流程，其产生了划时代的意义：大学、研究机构、系统集成部门可以开始探索特定芯片设计，从而打开了ASIC的大门。随着分工细化，ASIC设计流程被分为两大阶段：前端，也就是系统集成公司负责设计架构和软件仿真（基于一些标准单元），最终生成netlist；后端，也是半导体芯片公司是进行实体设计、验证和生产。这时候，EDA软件公司主要聚焦的是前端设计，诞生新公司包括Mentor Graphics，Valid Logic Systems，Daisy Systems。Mentor Graphics软件仅适配Apollo工作站（软硬件捆绑）。前一阶段三家公司基本都没有跨过这个阶段，只有一个例外就是Calma其定义了GDSII流格式，是一个数据库文件格式。它用于集成电路版图的数据转换，很长时间内成为行业标准，直到40年后，才开始被新的格式OASIS替代。
阶段三：打通前后端。半导体公司开始疲于开发后端设计软件，于是开始转而采购第三方EDA软件；系统公司开始追求打通前后端设计的全流程EDA软件。于是，聚焦后端设计的EDA软件开始出现，改变了行业的竞争格局，这里面最重要的就是Cadence，其来自于SDA和ECAD两家公司合并，其聚焦后端Layout布局和验证，此后通过一系列收购（包括1989年7200万美元收购Verilog仿真语言发明公司Cateway），在第三阶段脱颖而出。Arcsys也是这个阶段出现的公司，其聚焦自动化放置和布局（place and route）EDA软件最核心一步，也是盈利能力最强的一步），同样通过一系列收购其最终成为Avant！。
阶段四：从原理图到编程——提效。1990年代中期，这个阶段最大变化就是Synthesis-baseddesign，其将传统基于电路原理图（Schematic-based design）转型为基于编程语言合成方法，在软件仿真环节极大提升了效率。这个阶段最重要新玩家是Synopsys，其一方面推出逻辑优化产品，能够将前端基于电路原理图的netlist方案进行优化，另一方面则开发可以读取Verilog的工具，自动生成一个相同功能的netlist，然后对其进行优化，这一套流程至今仍然是EDA设计的行业标准，其在效率、功能等角度都有优化。1998年左右，EDA软件行业在设计环节Cadence是垄断地位，Place and route布局布线）环节Cadence和Avant！平分秋色，在软件仿真环节Mentor，Cadence和Synopsys都有产品，但是Synopsys显著领先；在实体验证环节Cadence领先，Avant！和Mentor也都有产品。
阶段五：全流程产品。芯片设计流程繁杂且细分，到1990年代中期，各个环节基本都有专门设计软件，但是没有一家能够提供全流程的设计工具。此后，行业掀起了收购整合的浪潮，其中Cadence收购Synthesis工具公司，Synopsys收购了Avant！，而Mentor收购了place and route公司。Cadence和Synopsys成为了行业领先的整合服务商，一般大公司会采购他们allyoucaneat套餐，然后再从Mentor等公司采购一些小工具（还有三家中型EDA软件公司Atrenta，Apache是ANSYS的子公司，以及Silvaco）。进入2000年后，EDA软件行业整体发展速度减缓，2008年到2012年VC投资EDA领域从1.7亿美元下降到2900万美元。然而，EDA软件公司创业资产投入小，且回报还算可以（一般做成了就被大公司收购），因此也还陆续有公司出来。此后，随着半导体加工工艺不断精进，结构设计也越来越复杂，这些新工艺的EDA软件开发也基本只有大公司能够负担起成本。
Mentor Graphics简介。Mentor的创始人来自Tetronix（示波器龙头），其后来创业进军CAE领域（计算机辅助设计），1981年Mentor Graphics成立，其首先是抛弃了传统EDA公司同时开发硬件和软件模式，而是选择和Apollo服务器合作（这也为后来其更快适配通用硬件提供了便利）。早期，Mentor开发三款产品IDEA1000，其能够准确读取设计图，然后进行实物验证仿真；此外IC Station，是一款IC设计布局和布线的工具；Board Station，针对PCB设计的布局和布线工具。Mentor公司营收于1990年达到4.4亿美元，此后，EDA软件开始与软件解绑，营收有所下滑。为了追求给客户提供一条龙服务，Mentor公司后来进行多元化布局，但是不但没有跟上行业最新趋势，原有优势领域也开始丧失。后来，其开始聚焦自己擅长领域（多元化，一条龙也不是那么容易），同时聚焦行业刚需，积极抓住行业新趋势、新问题的战略，重回向上发展通道。此后，Mentor开始在一些电子系统设计例如汽车、航空航天等领域进行开拓，寻找新空间。2017年，西门子以45亿美元收购了Mentor，两者协同，开始进军芯片设计以外领域如机械、电子系统、测试系统等。
Cadence简介。公司成立于1988年，但实际历史可以追踪到1982和1983年SDA和ECAD两款软件成立，以及后续两家公司合并成为了Cadence。早期这两款软件创新首先是纯软件模式，抛弃了之前EDA软件和硬件捆绑的模式，支持所有的第三方通用工作站，这也成为其初期获取用户核心之一。此外SDA软件借鉴了伯克利大学教授Alberto Sangiovanni（这是一位EDA领域的大神）提出的“设计框架”（Design Framework）的思想，提供一套大众化的设计语言和数据库，使得设计者可以整合一系列不同设计工具进来。此后，Cadence通过一系列关键的并购打通了前后端设计的布局，特别是1989年收购Verilog语言的发明公司Gateway Design，开创了使用编程语言设计电路时代（告别了之前基于电路图纸设计时代，当然此后关于到底是Verilog还是VHDL问题，行业争论了很久），Cadence将Verilog开源，使之后来远比VHDL流行。1991年，Cadence 收购Valid Logic，行业第二收购了行业第三，成为了行业第一，后者主要聚焦系统设计，包括多芯片系统和电路板等。1990年代后，Cadence通过一系列内生外延实现了芯片设计全流程软件工具覆盖，特别加强了在IP库领域的布局，其为客户提供一系列内容、验证IP等IP库供客户选择，实际上EDA软件巨头如Cadence和Synopsys都是仅次于ARM的半导体IP授权公司。2012年，Cadence营收达到13.3亿美元，员工数量5200名，2013年IP授权收入约占公司营收的15%。总结一下，Cadence竞争壁垒主要包括：1.端到端的芯片设计全流程布局，芯片设计涉及流程非常多且繁杂，尤其对一些高精尖工艺的布局。2.IP库的积累；3.和主流Fab紧密合作，在工艺早期就参与进来。
Synopsys简介。1986年，公司创始人De Geus等创立一家叫Optimal Solutions公司，1987年搬到硅谷后改名Synopsys，其最大创新就是打造了Design Compiler took，将芯片设计从原理图导向（Schematic based）升级到了编程语言导向，其契合了集成电路越来越复杂的发展趋势，使用Synopsys的设计流程，其至少效率提升30%。1992年，公司IPO上市，此后公司同样通过一系列并购的方式聚合了芯片设计全流程的EDA工具，包括1997年收购了SPICE仿真公司EPIC Design。此后其通过收购Avant！（2001年），补强了自身在后端设计领域布局。之后，公司又收购了Magma Desgin Automation，补强在IC implementation和模拟电路设计等领域布局。此外，公司也积极补强在IP领域布局，推出了DesignWare系列IP库，并通过一系列收购补强积累，2011年，公司宣布与台积电在29nm制程上合作DesignWare IP库（工艺越来越复杂，IP库越需要和Fab深度结合提高可用性）。在面对AI、云计算、自动驾驶等一系列新的技术方向，Synopsys也是积极布局，2018年推出Fusion Technology，聚焦基于AI和云的设计平台。
06
IP授权：在SoC趋势下迅速崛起
SoC集成和ASIC趋势造就了IP授权。初期，集成电路所有部件例如CPU、内存、IOs都是独立的元器件形式存在，然而随着技术发展，他们开始集成到一块芯片上，这就是SoC（System on a chip）。Soc相比于传统独立形式对于系统集成商更友好（一揽子解决所有问题），且SoC拥有更好的性能，且能够节约设备设计空间因此能够获取更高溢价，成为行业趋势。与此同时另外一个趋势就是前文提到的ASIC趋势，当系统集成公司更深度依赖EDA软件进入IC设计领域时，尤其是打通了前后端设计后，其越来越像个芯片设计公司，要更高效实现这一步，标准化、模块化就是降低门槛必要条件，而这里面重要环节就是基于IP授权模式标准元器件IP库。
捆绑销售模式获得成功。随着纯代工foundry模式崛起，TSMC台积电之流发现IP标准元器件库跟代工有着天然结合点，于是他们从1990年开始由他们采购Artisan libraries的IP授权库（2004年被ARM收购），免费开放给客户使用，等于将IP库的成本摊到了晶圆代工价格中，这种模式收获了成功，升级了IP授权公司商业模式。ARM也在1990年代正确时点，出现在了正确的地方，其CPU的IP后来成为移动通讯行业标准。然而，大多数的IP库其实没有差异化，比如USC和PCI接口，因此当时大量IP授权公司进来后，行业竞争导致授权价格下降，小公司因此活不下去。随着竞争加剧，三类IP公司获得了可持续性竞争力，一类就是CPU，其技术含量要求更高，且一旦成为行业标准就有很强的网络效应，这代表公司包括ARM，MIPS等，RISC-V开源标准的CPU近年来发展迅速；其二是芯片上连接IP，network on a chip架构，同样有较高技术含量和行业标准；其三是模拟电路IP，比如DDR PHY，将SoC和内存系统实体连接的环节，一般系统公司不会费力去开发这些部分。
Imagination Tech简介。1985年，VideoLogic在英国成立，其第一款PowerVR架构的图像渲染技术，其能够选择性的将看得见的像素进行渲染，而传统模式是不管是否看得见都渲染，PowerVR模式内存利用率等显著更高。1994年公司上市后改名Imagination Group。1995年，和NEC合作开发了世界上第一款PC 3D显卡PowerVR，并且搭载到Compaq等PC，以及Sega的游戏主机等产品。1999年，为了将产品运用更大市场，公司改为IP授权模式，同时公司也改名Imagination Technologies，此后PowerVR架构GPU IP宣布进军移动通讯市场，2005年公司推出了重量级产品PowerVR SGX GPU，其增加了3D阴影可编辑等功能，其SDK开放也开启了其开始孕育出庞大开发者生态，截止2013年PowerVR Insider 社区有4万会员。2006年，Intel和苹果都投资了Imagination，其GPU逐步成为移动设备行业标准，2013年搭载其显卡IP出货量达到10亿，是移动设备上最成功的显卡IP。此后Imagination开始拓展一系列SoC的IP（基于在GPU地位），包括DSP等领域，于2013年收购MIPS意在拓展在CPU领域布局（后来又出售了，看样子CPU的羹还是不容易分），目前是打造一站式SoC解决方案。2013年，Imagination是全球第三大半导体IP授权企业。2014年，Imagination和辅助驾驶系统集成商MobilEye达成合作协议，为后者提供高效视频处理解决方案。
07
展望未来：产业链面临重塑
Fabless模式兴起是全球化协作共赢典型代表，面临变革。过去30年全球化最重要的产物就是芯片产业，而这个协作成果（指数级别降低的芯片成本，和指数级别提升的芯片性能）也确实支撑了全球经济过去30年高速发展。然而，美国大有要打破这个趋势的现状，一方面压制中国获取最先进半导体工艺(中国有全球最大的半导体需求市场），一方面加速自己的短板例如Fab迁移到美国本土。过去30年大家选择合作，迎来了共赢。未来30年，很可能是协作减少，大家共同的福利都要降低的阶段，与之而来的来也是芯片行业发展减缓，科技创新速度减缓，从进步论变成周期论了。变革的另外一方面就是系统集成公司越来越强势了，类似苹果、云计算亚马逊等公司都开始全面自己开发芯片，这毫无疑问会对除Fab以外行业其他玩家造成显著影响。
- END -
本文转载自XYY的读书笔记，内容仅供交流学习之用，如有任何疑问，敬请与我们联系info@gsi24.com。
▼ 往期精彩回顾 ▼
中国50家最强半导体独角兽诞生！总估值达8584亿！（附名单）
颠覆Cortex-M0 MCU 计算力！澎湃微S038系列创“芯”记录
京公网安备 11010802033920号