中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的利器——IP核

9月15日是“薛定諤的iPhone12”發(fā)布前夜，也是華為芯片被斷供的首日。在中美貿(mào)易戰(zhàn)，美國(guó)相繼將中國(guó)高科技企業(yè)列入實(shí)體清單，以及華為招到美國(guó)全方位科技封鎖的背景下，“***”的概念被帶火。

據(jù)悉，中芯國(guó)際（SMIC）和中國(guó)第一家3D NAND閃存制造商長(zhǎng)江存儲(chǔ)近期都制定了去美計(jì)劃，加緊測(cè)試自主研發(fā)生產(chǎn)線中的非美設(shè)備。中芯國(guó)際今年年底之前準(zhǔn)備鋪設(shè)無(wú)美國(guó)設(shè)備的40nm芯片生產(chǎn)線，并計(jì)劃在三年內(nèi)在相同的基礎(chǔ)上研發(fā)更先進(jìn)的28nm工藝。與此同時(shí)，長(zhǎng)江存儲(chǔ)準(zhǔn)備在不遠(yuǎn)的將來把國(guó)內(nèi)設(shè)備替代率從30%提高到70%，并且有計(jì)劃地將更多內(nèi)地公司納入其供應(yīng)商序列。

***/芯片制造設(shè)備、操作系統(tǒng)和EDA工具以及MATLAB等***的話題，《EDN電子技術(shù)設(shè)計(jì)》此前都有報(bào)道過。今天我們就來聊一聊另一個(gè)掣肘中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的利器——IP核，在這方面中國(guó)現(xiàn)在又發(fā)展到了什么階段？

什么是IP核？

有人說，如果說***是工業(yè)皇冠上的明珠，那么IP核就是這顆明珠的魂。

芯片只是我們看到的表象，一塊芯片的誕生，用千錘百煉來說一點(diǎn)都不為過。首先來看一下，芯片從無(wú)到有需要經(jīng)歷哪幾個(gè)階段。

芯片設(shè)計(jì)和制造流程簡(jiǎn)單來說可以分四個(gè)階段：功能/性能定義（需求分析）、IC設(shè)計(jì)（集成電路設(shè)計(jì)）、IC制造（***部分）、封裝測(cè)試。

芯片功能/性能的定義 在做設(shè)計(jì)芯片之前要先定位，這個(gè)芯片是用來干什么的，它要性能指標(biāo)要達(dá)到什么樣的要求。比如，廠家要出一個(gè)處理器芯片，最簡(jiǎn)單的一點(diǎn)就要先確定這是一個(gè)多少位的CPU，多少核的。比如咱們買電腦的時(shí)候，經(jīng)?？吹诫娔X搭載的是英特爾64位四核處理器。那么這個(gè)芯片在出廠之前，英特爾就定好了，它是64位的，里面有四個(gè)核心。

64位是采用64位處理技術(shù)的CPU，簡(jiǎn)單理解就是處理器一次運(yùn)行64位數(shù)據(jù)，這個(gè)數(shù)字越大說明單次可以運(yùn)行的數(shù)據(jù)越多，處理速度越快。四核處理器就是基于單個(gè)半導(dǎo)體的一個(gè)處理器上擁有四個(gè)處理器核心。并且四個(gè)核心的處理能力和功能是一樣，可以同時(shí)運(yùn)行，所以業(yè)界將這樣的處理器稱為真四核。

然后還需要定義該芯片的其他的一些屬性，比如I/O驅(qū)動(dòng)能力、功耗、工作溫度等等。

IC設(shè)計(jì) 這個(gè)環(huán)節(jié)就真正要用到EDA軟件和IP核了。如果這里翻車，也就沒***什么事了，這步驟包含的內(nèi)容非常之多，比如系統(tǒng)設(shè)計(jì)、算法設(shè)計(jì)、行為級(jí)描述/優(yōu)化、邏輯綜合/優(yōu)化、仿真、測(cè)試、制版數(shù)據(jù)生成等等。EDA和***不少業(yè)界朋友都有所科普，而關(guān)于IP核這塊的內(nèi)容比較少，所以這里咱們的主角IP核就登場(chǎng)了。

這里的IP跟咱們常熟知的IP地址中的IP不一樣。它的全稱是Intellectual property，也就是知識(shí)產(chǎn)權(quán)。這些IP核心就是別人做好的模塊，可以在設(shè)計(jì)中直接使用。

IP核對(duì)于整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)都非常重要，尤其是在近年來產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展及全球?qū)χR(shí)產(chǎn)權(quán)越來越重視的情況下。它于上世紀(jì)70年代誕生，隨著芯片設(shè)計(jì)的不斷演進(jìn)，IP核也發(fā)生不斷的變化。最早，各半導(dǎo)體公司有一個(gè)內(nèi)部的IP核部門，專門來開發(fā)維護(hù)特定功能的IP核，如接口IP、存儲(chǔ)IP、安全I(xiàn)P等等。但伴隨SoC設(shè)計(jì)復(fù)雜度上升與上市時(shí)間要求縮短，第三方IP供應(yīng)商開始出現(xiàn)。由于economic of scale，它們?cè)诔杀?、性能上具有?yōu)勢(shì)明顯，因此很多半導(dǎo)體公司開始采用外部第三方IP核，并消減內(nèi)部在IP核上的研發(fā)投入，IP核產(chǎn)業(yè)從而不斷壯大。

過去10年來，IP核市場(chǎng)的年復(fù)合增長(zhǎng)率超過10%。其增長(zhǎng)主要伴隨著市場(chǎng)上新應(yīng)用、新產(chǎn)品產(chǎn)生的新需求——無(wú)人駕駛、AI芯片、5G、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新興技術(shù)發(fā)展，推動(dòng)了IP核迅速且更加個(gè)性化的（針對(duì)應(yīng)用）發(fā)展。IP核的復(fù)用（reuse）是提高片上系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率、縮短設(shè)計(jì)周期的關(guān)鍵。從整個(gè)市場(chǎng)來看，在沒有全新IP核的情況下，整個(gè)行業(yè)的發(fā)展速度都將受到阻礙。

那么，哪些公司在做IP核呢？這段時(shí)間軟銀集團(tuán)欲出售的Arm公司就是該環(huán)節(jié)的頭號(hào)玩家，據(jù)悉全球90%的智能手機(jī)的處理器都是用Arm的IP授權(quán)，蘋果、高通、華為海思、三星都是其客戶。

下圖為全球2019年半導(dǎo)體IP供應(yīng)商營(yíng)收前十，前三是Arm、新思、鏗騰電子；第二、第三也是大家熟知的EDA軟件巨頭。

值得一提的是排名第七的芯原微電子（上海）和第十的臺(tái)灣力旺科技是中國(guó)的廠商，說明這塊領(lǐng)域咱們并不是空白。芯原也被業(yè)界譽(yù)為“中國(guó)半導(dǎo)體IP之王”，成立于2001年。

IP核也有三種不同程度的設(shè)計(jì)：軟核，固核，硬核。

軟核，以加密源代碼的形式提供；簡(jiǎn)單理解就是提供代碼給你，你還可以根據(jù)自研芯片的情況來調(diào)整和優(yōu)化，靈活性高，對(duì)芯片廠商的技術(shù)要求較高。

固核，介于軟核和硬核之間的一種核。以門級(jí)網(wǎng)表提供，除了完成軟核所有的設(shè)計(jì)外，還完成門級(jí)電路綜合和時(shí)序仿真等設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。比如它完成了描述功能中一些比較關(guān)鍵的路徑進(jìn)行預(yù)先的布局布線，而其他部分仍然可以任由編譯器進(jìn)行相關(guān)優(yōu)化處理。

硬核，完整后端設(shè)計(jì)的掩模了，可理解為成品，拿去就可以用。相當(dāng)于廠商跟你把需求完整分析后交付的，將該考慮的全考慮進(jìn)去了，可靠性很高，但是靈活性就低了。

通常芯片設(shè)計(jì)公司會(huì)根據(jù)自身的業(yè)務(wù)，以及IP核的特性，購(gòu)買不同的形態(tài)IP，用在自己的芯片設(shè)計(jì)中。IP核主要就是方便了設(shè)計(jì)的重用性，使得通用模塊可以被重復(fù)用，省時(shí)、省力。

芯片設(shè)計(jì)公司自己去做IP核行不行？可以，但是面臨以下幾方面的問題。

1、專利保護(hù)，能否繞開現(xiàn)有IP授權(quán)公司專利。

2、巨大投入，人力、物力、時(shí)間。

3、夠不夠打，做出來了，能不能與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手對(duì)抗。

4、容錯(cuò)率低，一旦設(shè)計(jì)不當(dāng)，滿盤皆輸。

大家都知道，華為海思采購(gòu)的是IP就是Arm公司授權(quán)的v8架構(gòu)，華為在其基礎(chǔ)上再進(jìn)行芯片設(shè)計(jì)，試想如果華為海思自行設(shè)計(jì)IP的話，其智能產(chǎn)品能夠在這么短的時(shí)間內(nèi)上市嗎？顯而易見，短期內(nèi)是實(shí)現(xiàn)不了的，如果沒有Arm授權(quán)，咱們也不會(huì)在這么短的時(shí)間內(nèi)看到如此優(yōu)秀的華為海思麒麟處理器。

在5G時(shí)代，新應(yīng)用、新產(chǎn)品將會(huì)層出不窮，需求多且更加個(gè)性化，要求芯片廠商以更快的速度推動(dòng)新產(chǎn)品上市。比如現(xiàn)今的芯片廠商都在開發(fā)5G SoC（系統(tǒng)芯片），以便快速適應(yīng)5G技術(shù)，并將產(chǎn)品及時(shí)投放到市場(chǎng)。因此廠商需要考慮采用新工藝的芯片成本、功耗、溫度、算力多少？能否快速上市等問題，而IP核的強(qiáng)大之處就在于這些它都幫你驗(yàn)證好了。

下面是一張系統(tǒng)SOC結(jié)構(gòu)的示意圖，它是一種實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)功能的超大規(guī)模集成電路，大家可以看到里面包含有大量的IP核，功能越復(fù)雜，對(duì)IP核的依賴就越多。

看到這里，想必大家都知道為什么Arm可以席卷全球了吧。由于Arm的IP核授權(quán)，讓很多芯片設(shè)計(jì)公司省去了很多事，該驗(yàn)證的環(huán)節(jié)、該考慮的因素，Arm全幫你解決了；公司的產(chǎn)品可以快速上市，占領(lǐng)市場(chǎng)先機(jī)。另外，Arm是一家純粹的IP授權(quán)公司，大家對(duì)其很放心。Arm成功很大一部分也得益于其商業(yè)模式，就是以IP授權(quán)為核心的無(wú)晶圓半導(dǎo)體公司，即只做IP授權(quán)，其他一概不涉及。

不過如今的情況或?qū)⒂兴兓?，因?yàn)锳rm的大股東軟銀公司準(zhǔn)備將它賣了。如果是賣給一家與芯片公司無(wú)關(guān)的企業(yè)，大家還是很放心；如果是賣給了一家芯片公司，那相當(dāng)于站隊(duì)了，其他芯片公司就會(huì)有擔(dān)心Arm不授權(quán)的話（英特爾的X86就不授權(quán)，所以市面上的PC機(jī)CPU基本上一家獨(dú)大），芯片就沒辦法做了。然后芯片廠商就會(huì)自己想辦法來做IP這塊，這樣一來，Arm不僅業(yè)務(wù)量受到影響，還多了競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。所以Arm聯(lián)合創(chuàng)始人發(fā)言稱，若Arm被芯片廠商英偉達(dá)收購(gòu)，則對(duì)Arm來說是個(gè)災(zāi)難。

國(guó)產(chǎn)IP核之路，任重道遠(yuǎn)

有著“中國(guó)半導(dǎo)體IP之王”的芯原微電子，成立至今已有19年，雖然其2019年在同類公司中排名第七，但是其短板也非常明顯。

不具備CPU類的IP，擁有圖形處理器(GPU)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器(NPU)、視頻處理器(NPU)、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)和圖像信號(hào)處理器(ISP)五類處理器IP，以及1400多個(gè)數(shù)?；旌螴P和射頻IP。在嵌入式非揮發(fā)性存儲(chǔ)器、內(nèi)存編譯器等IP方面也沒有儲(chǔ)備。大部分IP是通過外部并購(gòu)而來，并非自主研發(fā)，說明自研方面的技術(shù)儲(chǔ)備不夠。

但是，芯原所積累的經(jīng)驗(yàn)非常寶貴，因?yàn)樗滥男㊣P是目前沒有辦法介入，半導(dǎo)體哪些領(lǐng)域的IP值得去投入，這樣就可以少走很多彎路。比如芯原在這么多年的積累就指出，RISC-V（RISC-FIVE）將會(huì)是中國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)的全新機(jī)遇，RISC-V是第五代基于RISC（精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)）的指令集架構(gòu)，因具備自由開放、成本低、功耗低等方面的優(yōu)勢(shì)，受到全球廣泛關(guān)注。

在2019國(guó)際芯片大會(huì)（Chips 2019）上，中國(guó)工程院院士倪光南在展望開源芯片前景時(shí)曾表示：“RISC-V很可能發(fā)展成為世界主流CPU之一，在CPU領(lǐng)域形成英特爾、Arm、RISC-V三分天下的格局。”

在5G這個(gè)萬(wàn)物互聯(lián)的時(shí)代，RISC-V的輕量級(jí)，靈活性，更符合物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的碎片化特性。國(guó)內(nèi)目前圍繞RISC-V架構(gòu)開發(fā)和使用的企業(yè)已有上百家企業(yè)。比如華為海思、阿里的平頭哥、中天微，兆易創(chuàng)新、華米科技、嘉楠科技、北京君正以及獲得小米投資的芯來科技。RISC-V儼然為中國(guó)提供了在X86與Arm架構(gòu)之外的第三條自主化路徑。

寫在最后，IP核作為幫助芯片公司快速推出產(chǎn)品的利器，可謂是一本萬(wàn)利，在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中IP的毛利率是產(chǎn)業(yè)之最，高達(dá)90%以上（***廠商ASML毛利率在43%），只要拔得頭籌就能立于產(chǎn)業(yè)的頂端。英特爾靠X86在PC時(shí)代叱咤風(fēng)云，Arm靠RISC在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代處于浪潮之巔，如今已進(jìn)入5G和物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，誰(shuí)能把握住這個(gè)時(shí)代的IP核將會(huì)潛力無(wú)限。