2021中国芯片设计业支撑生态面面观

文︱王树一

图︱ICCAD

近年来，魏少军教授每次在中国半导体行业协会（以下简称“中半协”）集成电路设计业分会年会（ICCAD）做报告时，都会提到，与国际先进水平相比，国内集成电路设计业的产业集中度还偏低，以规模论，前20%的企业销售额之和占全行业销售额比例往往不到80%。产业集中度低,往往导致中低端技术市场竞争激烈，利润率走低，产业资源分散也难以通过市场机制来组织攻关大规模高难度项目所需的团队和资金。

在2021年ICCAD上，魏少军在主旨报告《实干推动设计业不断进步》中指出，经中半协统计，2021年设计业企业数量达到2810家，比去年增长592家，增长比例为26.7%。他说：“设计企业数量在过去一年中再次增加超过26%，值得我们关注，因为企业数量增加过多过快，并不能说明产业的兴旺发达。”显然，随着新公司不断增加，行业集中度偏低的现象并未改善。

政策支持、资本积极、大环境又配合，芯片行业创业成为近年热潮，不断有人在资本支持下拉起团队创业，因而这几年新增企业数量都居高不下，在中国半导体行业协会统计在册的芯片设计企业有近3000家。

如果业务范围放宽到芯片，根据企查查的统计，2021年前9月，我国新增芯片企业3.21万家，同比增长153.39%。整体来看，2021年芯片企业注册量仍在不断增加，单月注册量为2020年的2倍之多。其中，6月、7月和9月新增芯片相关企业均超过4000家。

2020和2021年新增芯片企业数量均超两万家，即便其中有些是“僵尸”企业，只是看到风口跑过来想沾点便宜，但大规模新企业涌入，必然对芯片产业生态链造成极大冲击。

即便把范围缩小到在中半协登记在册的芯片设计业企业，与2015年相比，2021年企业数量增加了三倍，2000多家的增量，对人才、资金和供应商资源的需求必然也成倍增加，中国芯片设计业支撑生态到底发展得如何，能满足这近三千家芯片设计公司的需求吗？可以预计，短期内政策和资本热度都不会有大的转向，那么新增公司会不断出现，中国芯片设计业支撑生态该如何发展？在2021 ICCAD上，探索科技（techsugar）首席分析师王树一采访了多家EDA、IP、晶圆厂和设计公司高管，在他们的回答中梳理出了一些上述问题的答案。

人才短缺，是现在国内芯片行业最头痛的问题之一，其对行业发展的限制可能还要超过周期性波动的产能问题。新公司资金到位后第一件事就是要招人组团队，这新增的600家企业，每家招聘10个人，也需要6000多人，对部分目标大规模SoC市场的企业，10个人显然不够，而且由于团队还未形成成熟的培训机制，招募应届生对新创企业意义不大，那么新创企业研发人员的来源，大部分就只好从原有企业挖，这就导致了行业薪资飙涨。当前国内一线城市设计业薪资水平在亚洲已经独占鳌头，只和硅谷等欧美核心区域芯片从业者薪资水平还有差距。

国内企业挖人有多夸张，某企业负责人举例说，有些企业问人才要工资单“直接乘以2，你来不来，好的还可以乘以2.5。”而在资本推动下，校招薪水也水涨船高，不少企业形成薪资倒挂现象，即应届毕业生薪水比工作两三年的员工薪水还要高。薪资疯长，无疑推高了企业运营成本。魏少军在报告中就指出：这两年人才短缺导致企业盈利成本大幅上升，给企业原本不高的毛利空间施加了更高的压力。

事实上，这几年由于数据中心、网络通信、人工智能等新应用对人才数量需求极大，全球主要芯片设计公司都在大肆招人。根据探索科技《六个角度看沪深股市芯片设计公司与全球前十之差异》与《芯片设计业，研发定生死》两篇文章中对全球前十大芯片设计公司与国内27家芯片设计上市公司（截止到2020年12月）的年报分析，2020财年英伟达（Nvidia）、高通（Qualcomm）、美国博通（Broadcom）和AMD新增人员都超过1000人，其中新增人员最多的英伟达超过5000人。国内统计的27家上市公司中，有11家2020年新增人数超过百人。

从中半协统计数字来看，2021年芯片设计业从业者人数比2020年增加约2.1万人，如果这2万人平均分到近3000家设计公司中，每家公司只分得不到8个人。考虑到上规模企业对人才需求量更大，想必有很多厂商将处于长期缺人状态。

如何缓解人才短缺压力？增加人才供给肯定是长期解决之道。但与软件业不同，芯片设计业的工程师需要更完整的知识体系，很难靠职业培训来培养合格的芯片设计业工程师。

台积电中国区业务负责人罗镇球笑言，中国大陆半导体公司数量和摩尔定律一样，每两年翻一番。“越来越多的公司加入推动行业发展是好事，但需要的人才仅靠大学培养是不够的。大学学习至少要四年的时间。”罗镇球认为，即使从现在开始扩招，也要四年以后才见到成效，他说：“人才（短缺）是半导体产业面临的问题。”

情况可能比罗镇球说得还要严重，因为传统上芯片设计业工程师以硕士研究生为主，在《芯片设计业，研发定生死》中，对此有做统计：统计的9家台系芯片设计公司中，员工学历达到硕士及以上的比例分为两档，一档是60%以上，一档是40%以上。由于各公司当中博士员工比例一般为2%左右，所以台系设计公司是名副其实的硕士收割机，硕士学历员工比大学本科等其他学历员工数量都多。沪深27家公司中，硕博比例超过40%的有7家，其中芯原股份比例最高，达到73%。低于20%的有6家，富满微电子垫底，硕博比例为2%。

由于人才缺口大，已经有部分企业开始从本科招生设计工程师。当然，并不是所有工种都只能从教育体系来培训，版图和部分测试类工作，非常适合职业培训。这次受访企业和机构中，南京ICisC就有产业人才培养服务，其中南京集成电路产业服务中心（南京ICisC）在公共技术服务的同期，为聚焦产业人才资源，打造集成电路人才高地，重点打造南京集成电路培训基地为企业提供产业人才培养服务，据总经理李辉介绍，对落户在区域内的企业提供从招聘到培训的完整流程，同时联合校企共同培养，实现从“选育用”到“育用选”。

然而，如前所述，在芯片设计这样一个对知识体系要求严格的行业里，职业培训只能解决特定职位的部分供应，对多数职位而言，还是要靠高校扩招来解决，在集成电路上升为一级学科以后，未来几年，可以期待一下供应端的增长，而薪水大幅上涨，也不完全是坏事，以前很多电子行业毕业生毕业就转行去了互联网，而在本行业起薪大幅提升后，留下来的学生越来越多，也开始吸引相近专业的学生转投入集成电路行业中，这对人才长期供应而言，显然是一个好的开始。

除了学校正规教育和职业培训，实际上员工企业内训（所谓on-job training，即用实际项目来培训新员工）也是人才培养的关键一环，传统上，中国大陆设计公司在这一环做得还不够好，中国台湾地区主要设计公司都很注重on job training计划。

虽然台积电不是设计公司，但其在岗培训的方式也值得大陆企业参考，据罗镇球介绍，台积电每次在一个新址建厂，都会从当地招聘一批员工，送到在台湾地区的公司总部受训半年，然后将这批员工与总部的一批“老师傅”都排到新厂，去组装机器、设置产线直到最后实现量产。当年台积电上海松江工厂设立时，从中国大陆招募了400名员工去台湾总部培训半年，培训完成后，这400名大陆员工与500名台湾总部的员工一起到上海把产线安装调试好。罗镇球说：“慢慢把技术教下去，大概是在10年之前，大陆的员工已经成长为上海松江厂的骨干力量，这一个过程。”

人才难以催熟，工具的作用在产业发展中将更加突出，这从工具市场规模快速增长也能体现出来。新思科技（Synopsys）中国区副总经理许伟表示，随着社会向数字化转型速度加快，新思科技营收也水涨船高，2006年新思科技营收达到10亿美元，之后花了8年时间，在2014年突破20亿美元，从20亿美元到30亿美元（2018年）只花了4年时间，而到2021年新思科技营收已经突破40亿美元，“新思科技营收数字在加快前进，我们认为数字社会对芯片、工具和IP的需求，都在加速增加，EDA和IP将是未来产业发展无限可能的催化剂。”

EDA工具的作用与IP化设计理念，就是通过计算机放大个人能力，减少人为错误，减少重复工作，提高开发效率，降低人力依赖。在《新思的EDA哲学：简繁之间，功力毕现》中，探索科技（techsugar）曾对EDA工具的发展方向做过概括：EDA工具一端连接思路活跃的工程师，一端连接规则严谨的物理世界。所以，EDA工具提高升级也沿着两个方向走，一个方向面向工程师，即工具的易用性，简化难度，降低门槛，让更多人可以从事芯片开发；一个方向是面向物理世界的，即功能性，规则要够细，功能要够强，规模要够大，效率要够高，做好芯片工艺升级换代的支撑。

先来看第一个方向，在早期，EDA工具的别名是设计自动化，当前人工智能算法在EDA工具中的一大功用就是降低工程师劳动强度，降低使用门槛，从而吸引更多人参与到芯片开发工作中来。新思科技推出的自主性人工智能设计工具DSO.ai（设计空间优化工具）就是一个样板案例。如今可量产的大型SoC集成晶体管数量可达数百亿个，在一颗芯片中让数百亿晶体管各安其位是一个巨大的工作量，其求解空间规模可能是围棋的数万亿倍，在如此巨大的空间进行搜索是一项非常费时耗力的工作，传统设计方法是通过不同工具仿真获取的各种数据（数据量以TB计算），依照工程师的经验在分析不够全面的情况下，做出决策，这通常会导致决策困难与过度设计约束。

新思科技的DSO.ai解决方案可提取由芯片设计工具生成的大量数据流，并利用这些数据来观察设计演变过程，探索设计空间，同时调整设计选择、硅技术参数和工作流程，以指导设计向多个目标同时优化的方向发展。利用人工智能技术，可实现技术标准化，并将标准化技术在整个系统开发过程中重复使用，从而确保开发工作始终保持在专家级水准，还可以降低对计算资源的消耗。借助新思科技的DSO.ai，设计团队可以重构芯片设计的工作流程，以充分先进工艺特性，实现更好的PPA（性能、功耗和面积三大设计目标），并大幅缩短开发时间。

如今，三星电子和瑞萨电子等企业已经率先将DSO.ai应用于其最先进芯片开发流程中，据三星电子反馈，在其最新移动芯片开发过程中，DSO.ai可应用于设计开发的每个阶段，已为三星节省数周人工设计工作。大型SoC开发动辄需要数百上千人团队参与，能节省数周人工设计工作自然意义非凡。

楷登电子（Cadence）中国区总经理汪晓煜也对人工智能/机器学习在EDA上的应用做了解读。他表示，机器学习在EDA领域的应用有两个方向，一个方向是把机器学习算法和EDA工具算法有效融合在一起，让产品变得更加智能化，这是机器学习作用于EDA本身；另一个方向是针对设计流程做智能化处理，提升设计效率，首先Cadence针对大规模数字后端设计做最优化产品，优化数字实现流程。

其次，集成度提高、系统复杂度提升和IP化设计，让芯片验证已经超越设计，成为大型SoC开发中最耗时耗力的工作。汪晓煜说：“做过验证的都知道，回归测试需要消耗大量的资源和时间，通过将机器学习引入验证流程，使用Cadence的新工具，与传统回归测试相比，可仅用10%的时间，来实现相同的覆盖率，因而生产率可以提升十倍。”

鸿芯微纳首席技术官王宇成也关注到复杂SoC开发时间与人力消耗大的问题。“后端工具运行时间可以到40个星期，差不多一年，甚至运行两年也是有可能的，如果能缩短工具运行时间，提高生产效率，那么工具的价值就增加了。”王宇成表示，大芯片开发时，工具运行时间越来越长，EDA工具厂商必须直面开发复杂度不断提升的现实，通过与用户沟通协作，在保证PPA的前提下，让工具能够支持更大容量的设计，并减少执行时间。

王宇成认为，降低开发时间与人力消耗，可以从三个维度考虑。首先是在工具中引入人工智能算法，当前主流EDA公司都已经在持续推进；第二是充分利用先进的计算能力，从云计算、人工智能算法和异构加速等多方面去构建EDA的算力支撑；第三是改善设计工艺流程，提高开发效率。

支持三维封装与芯粒（Chiplet）开发是EDA发展的另一个方向，即包容更复杂的设计、实现更强大的功能。新思科技许伟表示，3D封装是延续摩尔定律很有效的途径之一，在高性能计算、GPU、NPU和大型网络芯片中，都有极其广阔的应用空间。许伟强调，过去在开发3D封装的时候，开发环境不统一，实施团队分工也不明确，架构、设计和封装等不同团队之间的沟通非常麻烦，很容易出问题。为解决这些问题，新思科技在业界首次推出3D IC统一开发平台3DIC Compiler。“使用3DIC Compiler去开发多die（单颗裸芯片）芯片集成，就像在单芯片一样的工作环境，统一高效。”

许伟认为，芯片性能提升，已经不能再仅关注芯片性能指标本身，需要更多从系统和应用层面来整体考虑性能优化，因此新思科技提出系统摩尔定律（SysMoore），即提倡开发人员将应用场景视作一个整体来进行系统级优化，从架构、电路实现到软件和具体实施，乃至产品的生命周期管理，都要协同考虑，方可突破当前硅工艺升级换代红利减退的限制，以从系统层面大幅提升性能，继续延续摩尔定律对性能提升指数型增长的指引。

3D IC是一个系统性的工程，涵盖了设计、封装、实现等多个层面。Cadence能够提供统一的一体化平台Integrity 3D IC。汪晓煜说，“近几年，Cadence已经逐渐补齐3D IC平台所需要的工具，例如多物理仿真、热分析、信号完整性分析等，再加上原有的模拟、数字，封装SIP设计能力等，我们在Integrity 3D IC进行全面整合，建立统一数据库，构建我们 3D IC的最大价值。”

西门子EDA、芯耀辉、芯华章和国微思尓芯等厂商，也对EDA工具发展趋势作出了相应解读。

2021年全行业最关注的问题非产能短缺莫属，而且由于部分行业芯片短缺过于严重，缺芯已经出圈成为社会问题，尤其是受影响最大的汽车行业，屡屡爆出因为芯片产能不足而导致的停产限产新闻，由于增加汽车芯片供应不免影响到其他产品的排期，所以芯片短缺逐渐成为全行业焦点。

台积电罗镇球将产能紧张归结为两个因素，一个经济因素，一个是非经济因素。他表示，2020年2月份的时候，全球晶圆产能并不满载，但后来新冠疫情爆发及中美贸易摩擦引发行业变化，大部分公司都担心产能不够，库存不足，纷纷加大下单量，从而导致产能紧张，这是非经济因素所致。终端设备厂商就经常遇到所需元件短缺的问题，整个市场上到处是元件凑不成套的问题。”

除了引发芯片公司备库存，新冠疫情也加速了全社会数字化进程。新冠疫情爆发以后，远程办公与远程教育等需求大幅增加，笔记本电脑出货量创出历史记录，平板电脑也从之前颓势中走了出来。罗镇球说：“在数字化进程上，我们大概在一年时间里做了以前要花十年才能做完的事情，这部分需求是真实的，这是经济因素导致的需求增长。”

新增公司数量多，也会对晶圆制造厂产能产生影响。根据中半协数据，2021年新增近600家芯片设计公司，而2020年也增加近500家，这两年新冒出来的1000多家设计公司，成立之后最重要的三件事就是抢钱、抢人、抢产能，钱和人到位之后，能不能抢到产能，甚至工艺试车（MPW）机会，对这些企业而言可能是生死存亡的考验。没有流片或试车机会，产品就出不来，产品出不来，再好的市场时机都要错过，但新公司的产能需求特点是少量多样，必然对晶圆厂的产能排期产生影响。

继上届年会之后，中芯国际资深副总裁彭进再次因产能问题在ICCAD会场向与会者鞠躬致歉。在解读产能供给情况时，彭进提供的一个数字引起我的注意，他说，新需求的增加，直接导致中芯国际今年（指2021年）新产品数暴涨30%，而2020年新产品数只比2019年增加5%。

新产品数的增加，自然有因为新需求出现而导致的增长，但无论是手机产业链本土化，还是新能源汽车需求增加，从芯片层面来看，纯粹的新技术并不多。而2020年新增的近500家芯片设计公司，如果大部分没有倒掉，应该正开始要流片做产品了，这些企业去晶圆代工厂开账号下订单，自然应该统计为新产品。按中半协的统计，相比2019年年，2020年芯片设计企业数量增加比例为25%，这样看和新产品数量增加30%倒大致能对起来。

半导体行业产能周期性波动特征明显，历史级缺货之后，各方大建产能，而且部分产能并非参照市场需求来搭建。中芯国际彭进在演讲中表示，中美等国都是按需求本地化来进行产能建设，因而产能重复建设很多。台积电在2020年公布了其在美国亚利桑那州兴建及运营先进晶圆厂的计划。公司同时还在中国大陆扩增28纳米工艺产能。目前，南京厂 28纳米扩产计划如期推进，预计于2022年下半年开始量产， 2023年达到月产4万片的规模。

产能在大幅扩充，因疫情导致的额外需求也将逐渐恢复正常，一旦疫情结束，或政治风险降低，潜在的产能过剩风险非常大。

锐成芯微首席执行官沈莉就表达了担忧。她说：“历史上每一次产能紧缺拐点的来去，波动都非常剧烈，这一次（产能紧张周期）特别长，特别深，大家要做好思想准备，希望产能松弛是一个比较缓慢的过程，一点点挤掉冗余需求，而不是悬崖式下跌，那会伤到整个行业。”

沈莉的担忧不无道理。虽然市面上一派鲜花着锦、热火烹油的热闹景象，尤其对于这三五年内出现的公司而言，2021年能否拿到产能是一个关口，一旦形式逆转，是否有足够的现金储备熬过价格战，将是另一个关口。

产能紧张的情况下，芯片产品出现了历史上少见的全线涨价。拿到产能的企业，均在2021年获得了相当丰厚的收益，根据魏少军的报告，本土芯片公司在多媒体、导航、模拟、功率和消费电子等领域的销售额都在提升。其中，模拟电路销售增长230.5%，达到541.4亿元；功率电路增长152.8%，达到291.5亿元；消费类芯片增长94.2%，达到2065.8亿元。

但由于部分骨干企业被制裁，直接被关闭生产制造渠道，或被列入实体名单，因而本土芯片在通讯、智能卡和计算机三大类销售出现了较大幅度的衰退。

但制裁也给了更多中国企业去挑战美国优势领域的机遇。GPU就是这样一个市场，GPU市场基本被国外垄断，而GPU技术壁垒高，研发投入大，回报周期长，如果不是美国制裁，应该较少资本会投入到这个领域，但因为中美贸易摩擦带来潜在的国产替代机会，过去两三年国内出现了至少十数家以GPU为主业的新公司。

此次受访的芯动科技与沐曦集成电路均在征战GPU市场，其中沐曦集成电路将目光锁定在主要用于计算的通用GPU方向，而芯动科技已经于2021年推出了首款国产高性能GPU芯片“风华1号”。芯动科技工程副总裁毛鸣明表示，与国内大部分GPU公司选择通用计算方向不同，芯动科技以图形渲染为出发点，通过渲染结合智能计算，服务国内产业链，并提供差异化竞争能力。芯动科技副总经理敖钢也直言：“最终GPU市场应用最广的还是高端渲染结合通用计算的领域，我们做出来的产品一定能兼顾，并且真正满足市场需求而不是资本需求。客户的成功就是我们的成功！我们希望与客户共赢，与行业共赢。欢迎有意向的客户与我们携手，打造具有顶尖差异化优势的产品，赋能客户的生态。”

虽然横向比，与美国的差距仍然很大，但纵向来看，经过多年发展，中国芯片设计业已经取得了长足进步。以产品布局为例，本土芯片不仅在中、低端芯片领域具备较强的竞争力，在高端芯片领域也开始努力摆脱全面依赖国外产品的被动局面。魏少军表示，国产集成电路产品已涵盖数字、模拟、数模混合、射频、功率、计算、存储、接口等所有领域。即便在电子设计自动化工具（EDA）、知识产权核心（IP核）等领域也有了比较好的积累，可以对设计企业发展提供必要的支撑。他说：“中国集成电路产品体系不断丰富和完善，是全球最为完整的芯片产品体系之一，中国集成电路产品的发展已经走过了‘从无到有’的阶段，正行进在‘从有到好’和‘从好到优’的大道上。”

对于国内芯片企业开始逐渐走向中高端，锐成芯微沈莉有切身体会。她表示，过去的客户对IP的第一需求是面积要小，成本要低，最近几年低成本IP需求还在，但越来越多的客户在提需求时会更关注性能与可靠性等指标，而不只是在乎面积和成本。

在ICCAD开场主旨报告中，魏少军为中国芯片设计业提出的目标是到2025年实现1000亿美元营收，这意味着今后几年每年销售额要增长2000亿元人民币，挑战很大。

虽然挑战不小，但机会也很大，除了定目标，魏少军还对设计业提出了几点建议，包括提高忧患意识、提升创新能力和回归产业本源等。

其中抓住全球供应链重组机遇，对当前芯片设计业及其支撑生态而言意义特别重大。魏少军表示，一方面积极拓展市场空间，不断扩大产业规模，另一方面要想方设法优化和完善产业生态环境。从设计业本身来看，需要精心维护和大力支持芯片设计的上游环节，例如EDA工具、IP核、制造和封测等，设计业企业要换位思考，站在支撑环节上去思考如何积极支持其发展，产业支撑生态繁荣强大了，反过来更能促进设计业本身的发展。魏少军认为，只有这样才“不会让我们在供应链出现麻烦的时候手足无措，产业生态建设要靠产业链每个环节共同努力，不仅要做好对下游客户的服务，也要做好对上游供应商的帮助，只有产业链各环节共同努力，才能让产业生态不断完善，不断优化，最终受益的还是我们产业链上的所有企业。”

这一点切中肯綮，上游要给下游以足够的支撑，下游要给上游以宽裕的生存空间，双方相互依存，相互促进。EDA、IP和制造封测为设计企业提供更好的产品与服务，本土芯片公司也要给本土EDA、IP和制造企业提供生存空间和试错机会，只有本土支撑生态成熟了，供应链安全风险才不会是致命风险。

事实上，这次受访企业多数都是为设计业做服务做支撑的企业，例如三大EDA公司和上述国内EDA新锐，IP公司则有芯动科技、锐成芯微和安谋中国，还有为设计公司做平台化服务的南京ICisC，这些企业繁荣兴旺了，中国芯片设计业也自然就有了更好的支撑。

如新思科技许伟所说，半导体原本是全球化分工特别充分的行业，中国半导体作为其中一员，要从人才、技术和资金等方方面面为全球产业链做贡献，贡献越多，连接越紧密。他说：“以这样来增加中国在全球半导体产业链的发言权，达到竞争与合作的平衡，让全球产业链想脱离中国成为不可能。”