集成电路设计业的发展思路和政策建议

石 光，马淑萍

(国务院发展研究中心，北京 100010)

集成电路设计业的发展思路和政策建议

石 光，马淑萍

(国务院发展研究中心，北京 100010)

设计是集成电路产业链中最活跃的环节。集成电路设计业主要有以下特征：人才要求高，投资风险大、周期长，规模经济效应强，产品种类多、差异大，核心IP和EDA作用强。2016年，我国集成电路设计业规模已占集成电路产业的40%。总体来看，我国专用芯片正迈向全球第一阵营，但同时也面临着国产替代难、基础能力薄弱等问题。高端通用芯片与国外先进水平差距大是重大短板，国内尚未掌握关键技术，产业生态制约严重。专用芯片未来发展应以市场力量为主，高端通用芯片需要政府持续坚定支持，并抓住物联网和人工智能带来的新机遇。建议加强人才培养和引进，持续支持基础研究，加大对国产化替代中首次应用的支持，完善财税扶持政策，鼓励社会资本投资集成电路设计业。

集成电路设计；芯片；产业生态

一、集成电路设计的产业特征

掌握集成电路设计业的产业特性，才能为产业发展创造良好环境。集成电路设计业主要有以下特点：

(一)人才要求高

集成电路设计的人才培养周期长、成本高。以进入企业的硕士毕业生为起点，通常需要2～3年的培养才能够完成一般设计工作，成长为合格的开发人员；经过4～8年的培养才能够完成核心重要模块设计，成长为高级开发人员；经过10年左右，才能独立设计技术架构，主持一款芯片产品开发；设计公司的CTO等高管往往需要20年的行业经验。对集成电路设计企业而言，从外部挖人往往比自己培养更合算。我国集成电路设计业总体规模不大，全国的从业人员目前约有4.5万人，企业间的人才争夺大多限于国内人才，明显加剧了内耗。

(二)投资风险大，技术积累周期长

集成电路设计存在技术和市场两方面的不确定性。一是流片失败的技术风险，即芯片样品无法通过测试或达不到预期性能。对于产品线尚不丰富的初创设计企业，一颗芯片流片失败就可能导致企业破产。二是市场风险，芯片虽然生产出来，但没有猜对市场需求，销量达不到盈亏平衡点。对于独立的集成电路设计企业而言，市场风险比技术风险更大。对于依托整机系统企业的集成电路设计企业而言，芯片设计的需求相对明确，市场风险相对较小。

集成电路设计的资本回报周期长，包括研发周期和成本回收周期。芯片量产前，需要提前多年进行研发和产品布局；量产后，又需要多年才能收回成本。以智能手机芯片为例，每代芯片大致需要提前10年进行研发，资金投入约2亿美元；基带、射频、无线网络、电源管理等细分领域芯片研发周期一般要3～5年，资金投入约3 000万美元～1亿美元。

(三)规模经济效应强

集成电路设计存在较高的进入门槛，而芯片量产后单位生产成本很低，这与软件产业相似。通常情况下，一款28 nm芯片设计的研发投入约1亿元～2亿元，14 nm芯片约2亿元～3亿元，研发周期约1～2年。研发投入主要包括研发人员成本、购买知识产权(IP)和流片成本三部分。其中，研发人员成本是最大支出，约占总成本的50%～60%，包括工资及社保等相关费用。购买IP约占20%～30%。流片成本约占10%～20%，目前，28 nm芯片一次流片成本约200万美元，14 nm芯片约500万美元，流片一般需要1～2次。

前期固定成本高和量产单位成本低，使得集成电路设计具有很强的规模经济效应。销量高能摊薄固定成本，销量能否超过盈亏平衡点是判断一款芯片是否成功的关键。从应用角度看，目前系统芯片的盈亏平衡点是10万片，终端应用的消费类芯片是3 000万片。从工艺角度看，采用10 nm先进制程技术开发的最新手机芯片，盈亏平衡点要达到5 000万片。随着技术进步，芯片设计的固定成本持续增加，盈亏平衡点也在不断抬高*对比来看，集成电路设计门槛显著高于互联网产品研发门槛。互联网创业企业的A轮融资金额多在几百万元量级，集成电路的设计成本要达到亿元量级。但是，相比集成电路制造，设计的进入门槛又很低，一条28 nm工艺集成电路生产线的投资额约50亿美元，20 nm工艺生产线高达100亿美元。。

(四)产品种类多，性质差异大

集成电路产品高度个性化、多样化。从技术复杂度和应用广度来看，集成电路主要可以分为高端通用和专用集成电路两大类。

专用集成电路是针对特定系统需求设计的集成电路，通用性不强。每种专用集成电路都属于一类细分市场，例如，通信设备需要高频大容量数据交换芯片等专用芯片；汽车电子需要辅助驾驶系统芯片、视觉传感和图像处理芯片，以及未来的无人驾驶芯片等。

(五)产业分工日趋细化，核心IP和EDA作用越来越大

核心知识产权(IP，Intellectual Property)和电子设计自动化工具(EDA，Electronic Design Automation)是集成电路设计的共性环节。核心IP主要包括两类。一是基础架构。目前，ARM架构和X86架构分别主导了移动处理器和PC处理器设计，全球超过90%的移动芯片采用了ARM架构。二是实现标准接口的IP模块。EDA是集成电路设计的开发工具，它能让程序代码转成实际的电路图并进行验证。

随着集成电路设计分工的深化，一批只出售IP的设计企业应运而生，它们为芯片设计公司提供工具、经过验证的完整功能单元、电路设计架构与咨询服务。设计公司直接从外部购买IP比自己从头研发成本更低。整个集成电路设计业都是围绕核心IP和EDA成长起来的。全球前四大IP供应商占据了集成电路IP市场的绝大部分市场份额，有很强的垄断力量*President’s Council of Advisors on Science and Technology： “Ensuring U.S. Leadership in Semiconductors”，2017.。

二、我国集成电路设计业发展状况

(一)产业总体发展迅速

近年来，我国集成电路设计业在全球增速下滑的背景下逆势增长，是产业链中发展最快的环节，见表1。2016年我国集成电路产业销售额为4 335.5亿元，其中设计业为1 644.3亿元，占比最大。设计占集成电路产业比重从2010年的25%增长到2016年的40%。目前，国内主流设计水平采用90-28 nm工艺，先进水平已开始采用16/14 nm工艺*例如，上海是国内集成电路设计业的龙头地区之一。2017年，上海集成电路设计业的主流设计技术为90-65-40 nm，先进技术已进入16/14 nm领域，10 nm的设计技术正在研发之中。数模混合电路芯片的设计技术普遍采用0.18～0.13 μm嵌入式存储器或嵌入式处理器、SoC技术，模拟电路芯片普遍采用0.35～0.13 μmBCD技术。这些芯片设计技术在国内均处于先进或领先地位(《上海集成电路设计业首成产业链龙头》《中国电子报》，2017-03-14)。，与全球主流设计水平基本同步，略有落后*目前，英特尔的最先进设计工艺是10 nm处理器 ，但技术尚未完全成熟，还没有进入量产阶段。ARM已发布了7 nm芯片的设计工具。。

(二)专用芯片快速追赶，正迈向全球第一阵营

我国专用集成电路追赶较快，部分细分领域的国产芯片已具有较强的国际竞争力。我国大陆龙头设计企业已进入全球第一阵营，国际竞争力明显提升，已成为美国、日本、韩国，以及我国台湾地区企业的重要竞争对手。2016年华为海思、紫光展锐两家中国企业进入全球集成电路设计前十强，9家中国企业进入全球前50强*IC Insights, “The McClean Report 2017:A Complete Analysis and Forecast of the Integrated Circuit Industry”.。

但总体来看，集成电路细分领域众多，我国能够赶上世界先进水平的企业还是少数，这主要有两类。一是成本驱动型的消费类电子，如机顶盒芯片、监控器芯片等*此外，紫光展锐在低端智能手机芯片领域也具有明显优势，2016年出货量占全球低端市场的42%，销售额占37%，规模已进入全球智能手机芯片的前三强。当然，对智能手机芯片属于高端通用芯片还是专用芯片，有不同的理解。由于智能手机芯片实际上是集合了基带、射频、无线网络等多个功能的“套片”，每个单一功能的芯片具有一定的专用芯片属性。。二是通信设备芯片，例如，华为400G核心路由器自主芯片，2013年推出时领先于思科等竞争对手，并被市场广泛认可。上述芯片设计能较好地兼顾性能、功耗、工艺制程、成本、新产品推出速度等因素，具备很强的国际竞争力。但是，在高端智能手机、汽车、工业以及其他嵌入式芯片市场，我国差距仍然很大。

我国专用集成电路快速追赶的原因主要有三方面。一是国内企业更贴近市场，了解客户需求，在通信设备、消费电子等领域，巨大的国内市场规模能够支撑起自主芯片设计。二是专用集成电路所需技术难度相对较低，功能相对单一，与系统需求紧密结合，不需要实现通用性能，对产业生态的要求相对较低。三是专用集成电路不一定追求最先进工艺制程，不单纯追求最高性能和最快上市，因而竞争强度比高端通用芯片弱。因此，国内的市场规模和产业配套优势能够充分发挥作用，克服集成电路产业特征对技术追赶的制约。

表1 我国集成电路销售收入规模及增长

来源：中国半导体行业协会

在专用芯片领域，以华为和中兴为代表，我国成功探索出了以整机系统带动芯片设计的模式，有效地将市场规模优势转换为技术优势。华为海思和中兴微电子已成为我国集成电路设计业的龙头企业。中兴通讯从生产通信设备起家，在规模做大后，逐步自主设计芯片，并将中兴微电子从中兴通讯中独立出来。按价值计算，目前中兴微电子供应了中兴通讯设备芯片需求的30%，正逐步从低端芯片到中高端芯片实现国产化替代。

我国专用芯片的未来目标是发展高端产品，但存在两大困难。第一，要克服芯片国产化替代中首次应用的难题。芯片是整机系统的关键部件，但很多国内整机企业已被国外芯片设计企业“锁定”：对于长期使用进口芯片的整机系统企业而言，它们已深度嵌入国外芯片企业的产业链和服务体系中，在国产芯片的可靠性得到充分验证之前，转向采购国内设计芯片存在巨大风险，也存在很高的转换成本。因此，对于独立的芯片设计企业，国产化替代难度很大*对于华为海思、中兴微电子等依托整机系统的芯片设计企业，国产化替代是企业内部问题，难度相对较小。。例如，在交换机芯片领域，苏州盛科已研制出具有竞争力的交换机芯片，但国际龙头博通(Broadcom)已经垄断了市场，国内交换机整机企业用盛科芯片替代博通芯片积极性很低。

第二，补齐核心IP和EDA短板，夯实产业发展基础。国内集成电路设计企业几乎无一例外地都是购买国外IP之后进行二次开发，这些核心IP大都是实现某种功能的最优方案，直接买来用对单个设计企业而言成本是最低的。但是，核心IP类似黑箱，内部代码要么不公开、要么过于复杂无法解析每段功能，从信息安全角度看，直接拿来使用可能会存在隐患。

(三)高端通用芯片与国外先进水平差距大是重大短板

在高端通用芯片设计方面，我国与发达国家差距巨大，对外依存度很高。我国集成电路每年超过2 000亿美元的进口额中，处理器和存储器两类高端通用芯片合计占70%以上。英特尔、三星等全球龙头企业市场份额高，持续引领技术进步，对产业链有很强的控制能力，后发追赶企业很难获得产业链的上下游配合*Mark Muro, Jonathan Rothwell, Scott Andes, Kenan Fikri, and Siddharth Ku lkarni：“America’s Advanced Industries:What They Are, Where They Are, and Why They Matter”, Brookings Institution, 2015.。

国内外差距主要体现在四个方面。首先，移动处理器的国内外差距相对较小。紫光展锐、华为海思等在移动处理器方面已进入全球前列*但是，二者仍然是在购买国外核心IP的基础上设计芯片，技术尚未达到自主可控。。其次，在个人电脑处理器方面，英特尔垄断了全球市场，国内相关企业有3～5家，但都没有实现商业量产，大多依靠申请科研项目经费和政府补贴维持运转。龙芯近年来技术进步较快，在军品领域有所突破，但距离民用仍然任重道远。再次，存储器国内外差距同样较大。武汉长江存储试图抓住3D Nand Flash(闪存)的技术机遇，但目前仅处于32层闪存样品阶段，而三星、英特尔等全球龙头企业已开始陆续量产64层闪存产品。最后，对于FPGA、AD/DA等高端通用芯片，国内基本上是空白。

对于高端通用芯片设计企业而言，掌握技术、实现量产、具备成本优势是提升企业竞争力的三个不同阶段。首先，掌握技术意味着企业能够通晓技术原理，设计的芯片稳定性高、兼容性强。第二，实现量产意味着在掌握技术的基础上，芯片能够通过流片试验，大规模制造的良率足够高。第三，具备成本优势意味着在能够量产的基础上，芯片成本足够低，可以低于对手定价，占据较高市场份额。这三个阶段层层递进，是集成电路设计企业竞争力提升的三个标志。目前，国内高端通用芯片普遍徘徊在能否掌握技术的阶段，距离量产和成本优势还很远。

中央处理器(CPU)是追赶难度最大的高端芯片。CPU的发展离不开完善的产业生态，主要是与之配套的操作系统、基础软件、应用软件等软件生态系统。目前，Wintel(Windows+Intel)和AA(Android+ARM)两大生态体系分别主导了个人电脑和移动设备，绝大部分软硬件开发、增值服务都是围绕这两大体系，形成了规模庞大、平台化的产业生态。因此，龙芯等国内CPU设计企业虽然能够做出CPU产品，而且在单一或部分指标上可能超越国外CPU，但由于缺乏产业生态支撑，无法与占主导地位的产品竞争。

三、发展思路和政策建议

(一)发展思路

集成电路设计业发展应分类施策：继续支持专用芯片设计向高端发展，带动集成电路产业链，促进行业应用；继续缩小高端通用芯片与国际先进水平的差距，抓住技术革命带来的新机遇，争取在下一代产品中获得一席之地。

专用集成电路虽然发展态势良好，但仍要高度重视。我国在该领域已经形成良性发展的基础，未来应以市场力量为主，政府的作用主要是优化产业发展环境，从人才、技术、需求等方面入手，巩固产业发展基础，力争在未来10年内实现全球领先。

高端通用芯片是我国的重要短板，是政策关注的重点。在传统的技术、产品和生态环境下，我国企业发展空间有限，只能尽量缩小与领先水平的差距，但仅靠市场机制难以解决追赶难题。在起步阶段，政府要在技术、资本等方面给予长期的政策支持；短期政策目标是全面跟踪，国产存储器和处理器的定位主要是能够实现在必要时刻“顶得上”的替补作用；适宜采取“通用芯片专用化”策略，优先满足公文处理、数据存储等简单应用场景需求，在党政军、金融、电信等骨干行业，试用并逐步推广国产芯片。长期政策目标是抓住人工智能和物联网等新技术机遇，在新的生态环境下拓展我国企业的发展空间。

(二)政策建议

一是加强对集成电路产业的人才培养和引进。调整高等学校相关专业设置，大幅增加集成电路设计专业招生数量，从源头上缓解人才供应不足问题。鼓励企业加强内部人才培养，提倡边干边学、终生学习的人才培养理念。加大对集成电路海外高端人才的引进和利用，除了美国、日本、韩国，以及我国台湾地区等发达经济体的人才外，也要重视印度等发展中国家的人才。采取多种灵活方式吸引海外高端人才为我所用，可以回国，也可以在当地设立研发机构；可以全职，也可以兼职，因人因事而异。对于回国人才，制定优惠的个人所得税和社保政策，在医疗、子女教育、出入境管理等方面给予良好保障。

二是持续支持高端通用芯片基础技术研究。适当延长“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品”国家科技重大专项，加大专项资金规模，长期支持集成电路产业基础研究。加强对未来技术路线的前瞻性预判，对量子计算、物联网、人工智能、新一代移动通信等重点潜力领域要提前布局，加大研发投入，寻找未来产品机遇，力争在下一代集成电路产业竞争中建立优势。

三是为集成电路设计企业创造良好的市场环境。充分利用反垄断等政策工具，加强对行业龙头企业不正当竞争行为的监管，扶持中小设计企业快速发展。灵活运用知识产权工具，鼓励国内设计企业建立研发合作联盟和专利池，逐步增强核心IP和EDA等共性环节的自主可控程度。

四是加大对集成电路设计国产化替代中首次应用的支持。加大政策扶持和引导，克服集成电路“用户锁定”难题。开发适合集成电路设计业发展的保险产品，分散芯片开发和国产化替代风险。政府采购对国产芯片设定优先条件或加分政策。在具备条件的情况下，要求电信、金融、电力、交通等信息安全等级要求高的重点行业优先采购国产芯片或包含国产芯片的整机系统。

五是鼓励社会资本投资集成电路设计业。加大对集成电路产业私募股权投资基金的税收优惠力度；为集成电路设计企业IPO提供便利通道，完善社会资本的退出渠道；提高集成电路设计企业研发费用资本化比例；放宽对集成电路产业投资基金对外投资和并购的出境审核标准。

RoadmapandPolicyRecommendationsofChina’sintegratedCircuitDesignIndustry

SHI Guang, MA Shuping

(Development Research Center of the State Council, Beijing 100010, China)

IC design is the most active part of the integrated circuit industry. IC design industry has the following characteristics:high demand for talents, large investment risk, strong scale effects, product variety, IP core and EDA play fundamental role. In 2016, IC design accounted for 40% of China’s IC industry. Overall, China’s dedicated chip are moving towards the world’s first camp, but are still facing a series of challenges, including difficulty in domestic substitution and weak basic research. China’s high-end universal chip are far from the advanced level. China has not mastered the key technology, and is restrained by the industrial ecological constraints. The future development of dedicated chips should rely more on market forces, while the high-end universal chips need sustained support from the government. The Internet of things and artificial intelligence will bring new opportunities for China. It is suggested to strengthen the training of talents, continuously support basic research, give more support for the first application of domestic substitution, improve fiscalpolicies, and encourage social capital to invest in IC design industry.

Integrated circuit design;chip;Industrial Ecology

2017-10-24

国务院发展研究中心企业研究所“集成电路产业发展政策研究”课题组

石光，副研究员，博士，研究方向：经济增长、产业经济、技术创新； 马淑萍，研究员，研究方向：产业政策、产业组织、企业发展。

石光，马淑萍.集成电路设计业的发展思路和政策建议[J].重庆理工大学学报(社会科学)，2017(10):1-6.

formatSHI Guang,MA Shuping.Roadmapand Policy Recommendations of China’s integrated Circuit Design Industry[J].Journal of Chongqing University of Technology(Social Science)，2017(10):1-6.

10.3969/j.issn.1674-8425(s).2017.10.001

F062.4

A

1674-8425(2017)11-0001-06

(责任编辑魏艳君)