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前文已介绍，专门进行半导体芯片研发与设计，而不从事生产、自己不拥有晶圆加工厂房的公司称为无厂芯片设计公司（简称芯片设计公司或设计公司），这些公司是晶圆代工厂的主要客户。设计公司依赖代工厂生产产品，因此产能、生产工艺和其主要的产品成本都受制于人，但优点是不必自己负担兴建、营运晶圆厂的庞大成本。
在20世纪80—90年代，无厂的设计公司模式还被某些人士认为是取巧的机会主义，最早的设计公司大约是在1984年开办的Chips & Technologies公司，其在图形处理芯片上能与IDM竞争。随后，风险投资因为看到代工厂的陆续开创，从而开始投资于设计公司，众多IDM中有经验的工程师和市场经理靠自己独特的产品想法就可以独立出来开自己的设计公司，于是小型设计公司纷纷出现，到20世纪90年代中期，如英伟达、博通、赛灵思这样的纯设计公司已经取得了商业上巨大的成功。
IDM和设计公司最根本的区别，其实是对资源的控制和利用。垂直整合的IDM对所有生产资源和设施都有直接的控制，而设计公司的商业模式则完全是对来自各供应商的资源的整合。今天，设计公司需要的主要供应商包括而不限于晶圆加工、封装测试、知识产权模块、EDA工具等。本书的主题就是在芯片设计公司的环境中合理整合这些资源，开发独特的产品，解决来自技术、商务甚至文化上的问题，从而取得成功。
今天全球芯片的供应链和生态系统已经极其庞大，比如：
（1）设计公司：据中国半导体协会统计，2021年国内芯片设计企业的数量已经达到了2810家。据GSA统计，全球范围内仅是上市的芯片设计公司就有140家之多（尚不包括科创板）。
（2）晶圆厂：全球8英寸晶圆厂已经有200座出头，规模更大的12英寸厂也有约130座，其中有相当一部分产能可以提供给设计公司使用。
（3）封测厂：较为分散，不少并未上市而难以统计，Yole调研机构有全球前25家封测厂的排名。特别是测试部分的准入门槛并不高。
（4）EDA公司：维基百科统计了来自26家公司的几百种EDA软件工具，还没有中国新兴公司的产品加入。
（5）知识产权模块（IP）：仅台积电一家代工厂的40余家IP合作伙伴，就能够提供几千种IP。
芯片设计公司的优势是能够从大量选项中找出最符合其技术和商务需求的供应商们，而不需要从头去研发所有环节。芯片设计公司依靠供应商们现有的资源，而聚焦于提升自己的竞争优势，比如芯片架构、软硬件开发、设计能力、功能定义、系统方案、质量和成本等。设计公司可以根据自己在技术、价格、服务甚至地域方面的需求，较自由地选择供应商，是其成功的关键之一。比如我最近找到两家较信任的著名封装厂对某种标准封装报价，一家出于未知原因，报价是另一家的三倍之多。而对IDM来说，因其必须优先考虑使用自己的封装厂，如果该封装不是平时用量极大的话，成本甚至可能高于外部工厂的报价，这只是供应链上的一个简单案例。
今天有大量的芯片类型具有很高的集成度，如SoC、SiP、Chiplets、ASIC、各种模块等。每家设计公司需要制定自己的产品战略，其除了制造外包以外，还可能向第三方取得一部分的芯片IP，然后集中力量研发自己更有竞争力的部分，再集成到一起。实际上芯片工业之所以在过去的30年有飞速的进步，芯片设计公司和代工厂的生态功不可没，因为百花齐放的设计公司主要的任务就是创新，而IDM要兼管制造，很难带动整个公司前进。
芯片从只是一个概念到最后成为产品销售给客户的全过程中，包括大量步骤，简单来说有定义、设计、版图、仿真、验证、流片、封装、验证测试、环境测试、生产和物流交付等，其每一个步骤都需要与供应商发生交互联系。
最早的一批芯片设计公司中著名的有Chips & Technologies、Altera（阿尔特拉）、Cirrus Logic（思睿逻辑）、Xilinx（赛灵思）和Qualcomm（高通），开始时因为还没有完整的晶圆代工产业，它们仅使用IDM的盈余产能。在代工厂刚兴起时，全球所有芯片设计公司的需求加在一起还填不满台积电的一家工厂，然而随着设计公司不断建立，IDM建厂投资越来越难，芯片设计公司成长飞快。其中思睿逻辑在仅仅成立10年后，就成为第一家销售额突破10亿美元的芯片设计公司。随着代工厂开始兴起并提供了更充足的生产资源，如Broadcom（博通）和NVidia（英伟达）等更加成功的公司开始出现，而英伟达是在创立后的第8年就达到了销售额突破10亿美元的成就。
今天，有近20家芯片设计公司达到或超过每年10亿美元的销售额，如表1.1所示，这还不包括各IDM的产品线中外包制造的部分（仅瑞萨收购的Intersil、IDT、Dialog等芯片设计公司，合并销售额即远超10亿美元，ADI等公司除了使用自营工厂以外，外包制造的份额可能有数十亿美元）。而超过1亿美元销售额的小型芯片公司更有上百家之多。
表1.1 2021第一季度全世界销售额前十位的芯片设计公司列表
注：中国大陆排名最高的兆易创新和汇顶科技可排到第18位和19位——据Global Semiconductor Association统计。
专门由设计公司开发的早期芯片代表是ASIC（专用芯片）。此时的电子系统公司为了自身的竞争力，经常希望定制开发自己的芯片，但无意进行大规模的芯片制造（惠普、GE、HP、安捷伦等老牌电子公司都曾经有自己的芯片部门），而IDM当时对这些专用芯片不太感兴趣。这些电子公司懂得自己的需求和具体应用，因此可能会自行设计，也可能找厂家来设计芯片。在代工厂还未兴旺之时，很多设计工具诸如EDA、IP内核、生产工艺、元件库等都未齐备，这些设计部门、设计公司往往需要从头开发一切，再找IDM的多余产能进行生产。但到了20世纪90年代初，整个代工的生态已经初具雏形，考虑到IDM的各种不便因素，ASIC芯片就投入了晶圆代工的怀抱。
20世纪90年代以来是手机和个人计算机开始飞速发展的时代，芯片需求也突飞猛进。许多代工厂开始兴起，并且联合EDA公司进一步投资于IP和更完善的工艺设计库（PDK）。同时封装业也取得大量成就，可以倒装、多芯片封装甚至叠装，新发明了多种支持大量引脚、大功率、高频等的先进产品。
近年来，晶圆厂不断突破先进工艺的上限，而云计算、数据中心、5G通信等更高要求的应用不断凸显。为了应对客户不断提升的各种性能要求，芯片的复杂度也不断提升，流片成本和光罩成本不断上涨，给了芯片设计公司很大的资金压力，不过也有了无限的产品想象空间。近年来欧美芯片公司的潮流，是由芯片设计公司作出重要创新工作，而后被大型公司收购。从IDM模式到芯片设计模式如图1.7所示。
图1.7 从IDM模式到芯片设计模式
从晶圆厂的角度来看，作为客户的芯片设计公司一般可划分为两种主要的运作模式。最典型的一种模式称为COT（Customer-Owned Tooling，客户拥有工具）模式，即开发所需的软件（EDA、IP）和硬件（设计文件、掩模）等归客户自己所有。另外一种较不常见的是ASIC模式，又称特殊开发模式。
简单地总结COT的运作模式如下：
（1）在制造方面，与最适合自己的晶圆代工厂、封测厂、软件、智慧财产等供应商合作，并具备资源整合和项目管理的能力。
（2）在产品方面，公司管理自己的芯片架构和设计，自己做建模和仿真，创造自己的基于芯片本身的产品特色，验证自己的产品可靠性，测试产品的性能指标，与各供应商联络并安排流片和生产的进度。
（3）在销售方面，公司营销自有品牌的芯片，处理与经销商和客户之间的各种联系。
COT模式下的芯片设计公司需要处理多重的联系，以下做简单分析。
（1）与晶圆厂的联系。
芯片设计公司以GDSII格式将自己的设计发送给晶圆厂，然后向其购买加工好的整张晶圆、或者购买已知合格芯片（Known Good Die, KGD），或者购买在交钥匙模式下完全封装和测试好的成品。晶圆厂对芯片能否销售给最终的电子厂商客户不负责任，而只对制造工艺和流程负责，其工作是保证芯片能够在所用工艺下实现其设计时预计的各类功能和各项性能指标。晶圆厂一般同时负责采购掩模，所需费用由芯片设计公司支付。
（2）与封测厂的联系。
芯片设计公司如果不与晶圆厂以交钥匙模式合作，则需要将待组装和测试的晶圆或芯片寄给封测厂，并向后者购买封装好、测试好并印好元器件型号的成品。一般来说，规模较大的芯片设计公司不愿采用交钥匙模式以保持多重选择。
此外，芯片设计公司在初创时还可能将故障分析、反向分析、开发量产测试程序、环境测试等工作都外包给不同的供应商，公司稍具规模以后这些工作一般都收归自己进行。
另外一类供应商是FIB厂商，在流片后如果芯片有一些性能瑕疵，其可用聚焦离子束技术做范围有限的修补。基本每家芯片设计公司都有固定合作的FIB厂家。
其他与测试相关的供应商还有EMI实验室、高频测试实验室、各种工业标准的测试公司等，因不同芯片类型而异，在此不能一一列举，在第5章质量和可靠性管理中有进一步说明。
（3）与EDA和IP供应方的联系。
某些晶圆代工厂可能提供在自己生态系统中的EDA和IP解决方案，然而芯片设计公司还是很有可能去寻求第三方IP，再应用到目标代工厂的工艺中去。这些IP可能包括处理器、内存、模拟、通信协议等。
（4）与运营和物流方的联系。
芯片的运营和物流方面包括与众多供应商的日期协调、打包拆包、贴标、报关、仓储、税收、查验、退还、程序刻录等细节。中小芯片公司往往没有全球团队来处理全球的物流问题，因此也可能与专业处理芯片物流的公司合作。
设计公司的供应链管理，其复杂度随芯片项目的特质而变化，而可总结为如图1.8所示，每个单独的设计项目，都可能有完全不同的管理项目。对于每年设计项目较多的公司，同时运营不同项目的供应链是很有挑战的工作。设计公司通过使用不同EDA软件和购买IP，得到从晶圆厂、封测厂而来的成品，将其销售给电子厂商，这是对整体流程最简洁的说明。
图1.8 设计公司的供应链管理图例
设计公司的另一种运作模式是成为ASIC特殊芯片公司（设计ASIC既是一类公司的单一业务，也可能是大型IDM公司的分支业务）。
此种方式需要客户先确定好自己想做的芯片的规格，有时还要事先完成一部分自己擅长的仿真、验证、设计等工作。客户经过洽谈以后，将自己所需的规格和已经完成的部分设计交给ASIC公司，再向后者购买最后完成的芯片。ASIC公司一般先要收取一次性工程（Non-Recurring Engineering, NRE）费用来启动项目，然后再根据销售的芯片按颗收费。也有ASIC公司只负责设计工作，而生产销售工作则由客户负责，这种情况下的公司定位偏于咨询服务（1.5.4节继续讨论咨询模式）。
ASIC公司定位独特，一般与其客户都是长期合作，毛利也比较可观，因为承接项目不多，并不需要庞大的营销团队，而是主要靠用户的口碑相传。许多大型IDM或芯片设计公司有自己的ASIC部门承接外界的芯片定制业务，如瑞萨、英飞凌、ADI等都有此类业务，提供大量IP包括处理器IP、内存IP、多媒体IP、网络IP和模拟IP，或基于这些IP的定制款芯片供客户选择和洽谈。比如某网络终端的大型电子公司，对具体应用非常了解，该客户自己定义了某大型芯片的需求规格，因自己的工程能力尚不够，因此其公司将规格发给瑞萨，由后者的ASIC部门完成前端设计、后端设计、封测、生成产品并销售给该客户。总体来说，ASIC协作方式的一些特点如下。
（1）ASIC公司负责芯片物理设计，不负责芯片的应用层面（换句话说，ASIC公司只要达到了客户的目标规格书要求，能够保质保量地生产就算履行合同，而不负责该芯片是否在整体系统中正常运作）。因此一定的NRE总是有必要的，保证项目不会因客户的芯片定义和实际需求的问题而导致亏本。ASIC合同有时对每年的最低用量也有一定要求。
（2）ASIC公司设计该芯片所需的元件库和各类IP，可能自有，可能还需从第三方取得。
（3）ASIC公司在完成定制芯片以后，一般受协议限制所以不能在公开市场上自行销售，当然协议可以不设此限制，但一般来说最初的客户总会要求一定时间的锁定期，锁定期内不能卖给其他客户。
（4）ASIC公司可能只负责设计部分，而由客户负责封装测试和后续产品化的工作（如果客户拥有最后的知识产权），也可能根据客户的需求每年供应量产芯片。
（5）除了客户有特殊规定以外，ASIC公司一般直接与所有供应商对接，而客户不接触供应商。
ASIC协作模式大致分为以下5个阶段。一般IDM自有的ASIC服务可以包括所有项目，而小型ASIC公司则可能只负责一部分。
（1）可行性分析：包括收集需求、收集IP、功能确认、商务合同等。
（2）项目设置：包括立项、确定日程、性能细节确认、系统优化和架构制定。
（3）开发：包括数字、模拟、混合信号、版图和验证。
（4）制造：包括GDS文件、工程样片、晶圆生产、封测、系统级验证和环境验证。
（5）物流：量产确认、客户服务、故障分析、良率优化等。
图1.9显示了ASIC公司与其客户和供应链的典型关系。
图1.9 ASIC公司与其客户和供应链的典型关系
初创的芯片设计公司，可能会犹豫究竟是采取COT模式还是采用ASIC模式，其区别和影响主要如下。
（1）COT模式一般投入更大、规模更大。ASIC公司一般规模较小，发展慢，但是也不需要多少人，前期投资需求不大。有些ASIC公司虽完全没有名气，盈利却也很好，基本不用宣传。
（2）采取COT模式对于芯片设计公司有完全的把控，而ASIC模式就没这么灵活。
（3）ASIC芯片基本只有少数几家客户需要，相应地所收取的毛利较高，当然有丢失此客户的风险。客户一般不会去转投他家，而往往是客户自己的目标市场不再需要该ASIC，或者中途退出而改用FPGA等方式。
（4）ASIC模式下可以提出交钥匙方案，只收取前期较大的NRE费用，对后面的生产销售不再跟进。有少数的芯片设计公司不想自己长期养研发团队，因此将研发向ASIC公司外包。但COT模式下只要客户还在购买小批量芯片，就还得继续生产，久而久之公司产品极多，供应商极多因而管理难度急剧上升。
（5）COT模式下设计公司对设计和生产的全过程更能亲自掌控。ASIC模式下较难处理供应链风险，对供应链的管理和议价能力较弱。
这里举例说明更适合采取COT模式和ASIC模式的两类初创设计公司。
（1）COT模式的初创公司。
公司举例：数个创始人，各自擅长前端、后端、架构、软件、工艺、市场销售等，靠自有能力可以快速流片，快速迭代。
目标客户：消费类、汽车类、工业类、通信类的厂家……
公司发展目标：上市、继续发展或被收购。
（2）ASIC模式的初创公司。
公司举例：几个高手芯片设计工程师，原来都是同事，长期与某代工厂合作，后来集体辞职，独立出来开公司，通过老关系接单，只需要较少的营销人员。
目标客户：不愁钱的系统公司希望做较复杂而昂贵的芯片，对需要的芯片规格和要求比较有把握，却有自知之明，决定不自己培养完整的研发团队。计算下来如果向专业ASIC公司采购芯片仍然比完全外购芯片要便宜，而且更加贴合该系统公司的需求。
公司发展目标：被收购（ASIC公司往往被IDM、晶圆代工厂或EDA厂收购，以作者目前的了解，好像没有历史悠久的ASIC公司。创业者完全可能收购后过几年再开一家ASIC公司）。
非常典型的一个小型处理器SoC ASIC公司的组织架构如图1.10所示，此公司开发出的特殊ASIC芯片由客户自行组织生产和营销（因不涉及生产，此公司也可定位成1.5.4节的咨询模式）。
图1.10 小型SoC ASIC公司的组织架构
总之，选择哪种模式是基于各家设计公司或各条产品线的自身条件、能力和限制的，如投资人的目标，对知识产权的需求，创业者对自身发展的期望，等等。如果公司需要研发具备核心竞争力的产品，需要自己的知识产权，每年开展许多项目，希望培植公司自己的开发团队，那么就更适合COT模式。
在同一设计公司，完全可能有多种模式在多种产品上同时运行，而公司需要做的战略决定就是多少设计工作和后续的产品支持工作需要在内部完成，以及多少需要外包给其他公司。在今天庞杂的芯片生态环境下，许多公司可以为设计公司提供各类服务，而如何选择它们就需要非常审慎地决定。比如，像ADI这样的大型IDM公司同时也有许多产品线以Fabless模式运行，大多数业务是COT形式，而作者的团队也经常收到来自工业、医疗和消费类客户希望开发ASIC的需求。大型公司很难接受业务潜力较小的ASIC业务，即使对方愿意支付NRE费用；而小型ASIC公司则可以填补此类市场的空白。
本书主要介绍完整的COT模式的设计公司的运营，ASIC模式在运营方面较为简化。