每日讯闻2025年10月11日 12:55消息，了解芯片设计的基础知识，掌握核心技术要点。
引言：之前我们已经为大家介绍了芯片的制造和封装过程。今天这篇内容，我们将带大家了解芯片的设计环节。
众所周知，芯片拥有极为复杂的结构。
在巴掌大小的芯片面积上，英伟达的B200芯片集成了2080亿个晶体管，其内部结构复杂得如同一个异次元空间般的迷宫。
如此复杂的架构，无论是在制造还是设计层面，都面临着极大的挑战。 在当前的技术环境下，这样的系统设计与实现无疑需要极高的技术水平和严密的逻辑思维。其复杂性不仅体现在结构本身，更在于各部分之间的协调与配合。面对这样的工程，任何细微的疏漏都可能带来严重后果，因此对研发团队的专业能力和经验提出了更高要求。
早期集成电路刚出现时，晶体管的数量还比较有限，整体结构也相对简单。这一阶段的技术发展为后续的电子产业奠定了基础，虽然功能较为单一，但其意义不可忽视。随着技术的不断进步，集成电路逐渐向更复杂、更高效的形态演进，推动了计算机、通信等多个领域的快速发展。
所以，基本上都是设计工程师在图纸上直接绘制电路的物理版图，随后将这些版图送往制造工厂进行生产。
他们手工绘制的版图非常精细，具体到晶体管的物理结构，包括布局和布线等细节。
随着集成电路技术日益复杂，目前仍沿用传统的设计方式，先绘制底层的细节结构，再逐步进行“拼接”，最终组合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。
这里需要说明的是，从芯片设计的角度来看，整个过程是分多个层级进行的。
从上到下，依次为：系统层、RTL层、门级层、晶体管层、布局布线层、掩膜层。
系统层，是最高层级，是从整体宏观的角度对芯片进行系统性设计。
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至80年代，集成电路技术迅速发展，逐步进入大规模和超大规模阶段，晶体管数量突破了1万。这一时期的科技进步为电子设备的性能提升奠定了基础，也推动了计算机和其他信息处理技术的快速发展。技术的每一次突破，都在不断重塑人类社会的运行方式和生活方式。
此时，采用自底向上的方式已不再适用，因此自顶向下的设计理念逐渐受到重视。
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）设计理念至今仍是芯片设计的主流方式。面对日益复杂的芯片架构，这种方法在提升设计效率、缩短开发周期以及降低整体成本方面展现出显著优势。 从行业发展的角度来看，这种设计方法的持续应用，反映了技术演进中对系统性思维和模块化管理的重视。它不仅有助于在早期阶段明确设计目标，还能有效协调不同层级之间的协作，从而提高整体设计的可控性和可扩展性。在当前芯片行业竞争激烈的背景下，这种高效且稳定的设计路径显得尤为重要。
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。
工欲善其事，首先要准备好工具。想要高效地进行芯片设计，自然不能一直依靠人工操作。
上世纪70年代，随着计算机技术的逐步发展，芯片设计开始由手工方式转向计算机辅助设计，出现了ICCAD（IC Computer Aided Drafting）。
进入80年代，出现了计算机辅助工程（CAE）。CAD主要负责产品的设计建模与图纸绘制，而CAE则更注重于工程模拟与性能优化。
再后来，大名鼎鼎的 EDA（Electronic Design Automation，电子设计自动化）诞生了。
需要注意的是，EDA并不是指某一款具体的软件，而是一类软件的总称。它不仅应用于芯片的设计、验证与仿真，还广泛用于芯片的制造过程。
换言之，EDA贯穿于芯片研发和生产的全过程，对工程师完成各项细分任务起到关键作用，有效提升了设计效率、准确性与成功率。 在当前半导体技术快速发展的背景下，EDA工具的重要性愈发凸显。它不仅是芯片设计的基础支撑，更是推动技术创新的重要力量。随着芯片复杂度的不断提升，EDA的作用也从辅助工具逐渐转变为不可或缺的核心环节。这一趋势表明，加强EDA技术的研发与应用，对于提升我国芯片产业的整体竞争力具有重要意义。
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。
在全球范围内，EDA行业的第一梯队由三家公司主导——Synopsys（新思科技）、Cadence（铿腾电子）以及Siemens EDA（原Mentor）。
它们均诞生于20世纪80年代的美国，现已建立起完整且覆盖全流程的EDA产品体系，市场占有率超过70%，竞争优势十分显著。
国内虽有华大九天等EDA企业，但整体市场份额仍较小，与国际第一梯队相比仍有明显差距。当前，国内EDA行业在技术积累和市场占有率方面仍面临较大挑战，亟需进一步突破核心技术和提升产业竞争力。
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。
在之前的文章中，小枣君曾提到，芯片的研发与制造之间有着清晰的分工。这种分工不仅体现了行业专业化的发展趋势，也反映出技术复杂性带来的协作需求。随着全球半导体产业的不断演进，研发与制造的分离已成为常态，有助于提升效率、降低成本，并推动技术创新。
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）。
小米近日推出了自家的手机SoC芯片——玄戒O1。作为一家Fabless公司，小米仅负责芯片设计，而芯片的制造工作仍由台积电完成，采用的是3nm工艺。
芯片设计的难度，由芯片的种类、功能和性能所决定。
数字芯片用于处理数字信号，通常能够实现非常大的规模，尤其是当前的CPU、GPU、NPU等计算芯片，以及手机中的SoC芯片，其结构都十分复杂，晶体管数量庞大，设计难度极高，研发成本也非常昂贵。
设计这类高端芯片，通常需要数百甚至上千名专业技术人员组成的团队，耗时一年乃至数年，投入资金高达数亿甚至上百亿美元。随着芯片工艺制程的不断进步，其研发和制造成本也相应增加。 在当前全球科技竞争日益激烈的背景下，芯片作为核心技术的象征，其研发难度和投入规模愈发凸显。这不仅考验着企业的技术实力，也对国家的产业政策和资源调配能力提出了更高要求。高端芯片的发展，是科技创新与经济实力的双重体现，也是国家竞争力的重要标志。
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。
模拟和射频芯片主要用于处理模拟信号，通常针对特定的功能，其复杂度远低于高端数字芯片。此外，还有一些数模混合信号芯片，如ADC（模数转换器）和DAC（数模转换器），同样应用于特定场景。这些芯片在整体设计上相对简单一些。
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）。
直接经济损失只是其中一部分，流片失败还会延长芯片的研发周期，进而导致错过市场机会。
严重情况下，流片失败可能直接引发一家公司的破产倒闭。
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，在设计复杂芯片时，并非所有模块都需要从零开始开发。对于一些成熟或通用的功能单元，可以直接购买IP核，这大大降低了芯片设计的难度和工作量，提高了开发效率。 在我看来，这种做法不仅体现了现代芯片设计的高效性，也反映出技术分工与协作的重要性。通过利用现成的IP核，企业可以将更多资源投入到核心创新中，从而加快产品上市时间，增强市场竞争力。这种方式在当前技术快速迭代的背景下尤为重要。
手机 SoC 芯片的设计理念，其实就来自于 IP 核的复用。
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核的主要市场份额仍由欧美企业主导，其中Arm、Synopsys和Cadence位居市场前三。
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，将软件授权与IP核授权一并出售，能取得更好的销售效果，带来更高的利润。
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。这些高额利润主要被几家大型企业所掌控。 从行业发展的角度来看，这种高毛利现象反映出核心技术的稀缺性和垄断性。EDA工具和IP核作为芯片设计的基础，其技术门槛高、研发投入大，因此掌握这些资源的企业能够长期保持较高的盈利水平。然而，这也意味着整个产业链的利润分配存在明显失衡，中小型企业在这一环节中往往处于被动地位，难以获得相应的市场回报。如何打破技术壁垒、推动本土替代，成为行业发展亟需解决的问题。
目前，EDA工具的国产化率尚未达到5%，高端IP核仍然高度依赖进口，形势确实较为严峻。
根据相关机构的数据显示，2020年至2024年期间，全球芯片设计市场的年复合增长率达到了9.8%，2024年市场规模已突破4800亿美元。中国市场的增长尤为显著，其在全球市场中的占比从19%快速提升至28%。
随着社会数字化转型的不断深入，以及人工智能技术的迅猛发展，芯片设计等关键领域正迎来新的发展机遇。整个芯片产业仍将持续快速发展，背后蕴含着巨大的商业潜力与挑战。 我认为，当前的技术变革正在重塑全球产业链，尤其是在芯片这一核心领域，技术创新与市场需求的双重驱动将推动行业持续升级。企业若能把握住这一趋势，便能在激烈的竞争中占据有利位置。同时，这也对人才储备、研发投入和供应链稳定性提出了更高要求。
好啦，以上就是今天文章的全部内容。
这期内容是对芯片设计的一些基础知识进行介绍，算是一个“开胃菜”。 在当前科技快速发展的背景下，芯片作为现代电子设备的核心，其重要性不言而喻。了解芯片设计的基本知识，有助于我们更深入地理解相关技术的发展脉络与应用前景。本期内容以较为通俗的方式，为读者提供了入门级的铺垫，帮助大家建立起对这一领域的初步认知。这种形式既符合大众的阅读习惯，也为后续更深入的探讨打下了基础。
下一期，我们即将进入“正餐”环节，详细讲解芯片设计的完整流程步骤。
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本文来自微信公众号：鲜枣课堂（ID：xzclasscom），作者：小枣君
