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撰寫年分：2021
作者：東尼
相關個股 ：台積電(2330)、聯電(2303)、創意電子(3443)、智原(3035)、聯發科(2454)、三星(KRX:005930)、高通(QCOM)、Intel英特爾(INTC)、Nvidia輝達(NVDA)、Synopsys新思科技(SNPS)、Cadence design system(CDNS)
IC 設計 Integrated Circuit Design Part 1
全面解析 IC 設計產業鏈
IC（Integrated Circuit，積體電路）在生活中無處不在，從手機、電腦到家電、洗衣機都需要依靠多顆 IC 來協助，各種 IC 的作用大相逕庭，常見的 IC 種類包含 CPU、觸控 IC、網通 IC、DRAM、手機 SOC 等，因此也孕育出數以千計的 IC 設計公司。IC 設計公司顧名思義，主要工作就是設計每個晶片上的功能、程式碼、元件以及元件之間的電路；除此之外也需要設計用於 IC 製造的光罩。IC 設計公司「Design House」，又稱為「Fabless」，因為 IC 設計公司不會建立自己的工廠製造晶片，而是委由台積電、聯電、格羅方德（Global Foundries）等晶圓製造商來生產。像是三星、Intel 這類同時擁有設計晶片能力和晶圓廠，稱為 IDM （Integrated Device Manufacturer） ，在半導體發展早期多為這類型的垂直整合；但隨著台積電的出現，帶動專業分工，也因此出現一眾專精於設計晶片的輕資產公司。也因為 IC 製造製程微縮的技術門檻越來越高、成本大幅增加，每年的資本支出動輒數百億美金，因此從 1970 年代開始，IDM 為主的垂直整合 IC 公司逐漸成為現今主流的專業分工模式。
一、半導體產業鏈
下圖中 IC 設計部分包含了SIP 矽智財公司、EDA 電子設計自動化以及 IC 設計公司、IC 設計服務公司，每個種類都扮演不同的角色。這系列文章將集中於這些內容深入分析。
1. SIP 矽智財公司（Silicon Intellectual Property）
由於單一晶片的功能日趨複雜，在設計上難度也逐漸提升，IC 設計公司不可能再自行設計晶片上的每個單元與每條電路，因此矽智財公司應運而生。矽智財公司的角色是將完整功能的功能單元（Funtion Unit）或區塊（Block）設計圖以授權方式販售給 IC 設計公司、融入自己的晶片當中。根據市調機構 Verified Market Research 研究，2019 年矽智財市場規模達到 53.3 億美金，預期未來每年可成長 4.58%，2027 年將達到 74.4 億美金；雖然成長不算快，但矽智財市場是寡佔市場，全球最大矽智財公司是安謀 ARM，其他公司包括新思科技 Synopsys、Imagination Technologies 等。未來集成更多功能的系統單晶片 SOC（System on Chip）更是需要依靠矽智財公司的協助，才有機會設計出強大又多工的晶片。
2. 電子設計自動化 EDA（Electronic design automation）
在 IC 日漸複雜的情況下，IC 設計公司無法再依靠人工設計所有細節，因此自動化工具將顯得十分重要，EDA 工具提供模擬、分析、合成、自動配置、繞線、驗證等功能，將各個功能單元安排在最好的位置，以達成最高效能。根據統計，EDA 產值大約 97 億美金，主要業者為美國的 Synopsys、Cadence 以及被西門子併購的 Mentor Graphics，這三間公司囊括 EDA 超過七成的市占率。EDA 產業在各軟體間沒有統一標準，因此當 IC 設計公司採用其中一間的 EDA 工具後，就難以換移至其他間，高昂的顧客轉換成本，也為這些公司帶來高度的顧客忠誠度。因此當 2018 年美國開始在經濟上制裁中國時，EDA 成為重要利器，因為相關軟體幾乎掌握在美國手上且轉換不易。
3. IC 設計服務公司
IC 設計服務公司主要為企業客製化晶片，通常分為委託設計以及委託製造。委託設計 NRE（Non-Recurring Engineering）當少部分企業有特殊需求、公規晶片無法滿足的時候，就會委託 IC 設計服務公司協助為其客製化特定應用積體電路 ASIC 晶片。委託製造又稱為 Turnkey，由於將設計好的晶片導入工廠需要耗費大量時間成本以及經驗磨合，因此小型 IC 設計公司不易取得產能；委託設計 IC 的客戶也因為在與晶圓代工廠合作量產方面沒有經驗，需要請 IC 設計服務公司委託製造，因此台灣著名的 IC 設計服務公司創意及智原，背後分別有兩大晶圓廠台積電及聯電支持，提供產能及技術支援。通常這類公司也會為其客戶尋找矽智財 SIP 模組的服務，作為矽智財交易的平台，但目前佔比較小。
二、重點公司介紹
1. ARM 安謀
全球最大矽智財公司，成立於英國劍橋，現在為日本軟銀持有，2020 年輝達 Nvidia 宣布將以 400 億美元併購 ARM。這間搶手的公司主要提供各式 SIP，ARM 架構的特色為高效能、低耗能、低成本，雖不自行推出晶片，但在晶片世界裡極為重要，在智慧型手機時代，每台手機內都有 ARM 架構的晶片，高通、聯發科等都需要跟 ARM 購買矽智財。現在這場戰火從手機蔓延至筆電及桌機，過往主要以 x86 架構為主的電腦 CPU，在 2020 年 Apple 推出基於 ARM 架構的 M1 晶片給 Mac 使用；Nvidia 也在 2021 年 GTC（Nvidia 年度技術大會）宣布將推出基於 ARM 架構的 Grace CPU，應用於資料中心 AI 運算，可以與 GPU 良好搭配，號稱效能將達到現今 CPU 的 10 倍；這些應用將使未來 ARM 成長可期。
2. 新思科技 Synopsys
少數矽智財及 EDA 上市公司上市公司。新思科技在 EDA 領域為第一把交椅，擁有最全面的產品線，在部分產品如半導體工藝模擬 TCAD （Technology Computer Aided Design）更有超過 90% 的市占率，也透過大量併購中小型 EDA 公司──像是台灣的 EDA 廠思源科技──藉以維持產業龍頭地位，也建構起一座護城河。新思科技因為主要花費為併購以及研發費用，因此有極高毛利率，大約在 75% 上下。
Reference: 產業分析（徐作聖、陳仁帥著）