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重要性堪比光刻机/EDA,IP核国产化现处于什么水平?

2020/10/15    来源:EDN电子技术设计    作者:EDN电子技术设计      
关键字:半导体  IP核  EDA  
今天我们就来聊一聊另一个掣肘中国半导体产业发展的利器——IP核,在这方面中国现在又发展到了什么阶段?

9月15日是“薛定谔的iPhone12”发布前夜,也是华为芯片被断供的首日。在中美贸易战,美国相继将中国高科技企业列入实体清单,以及华为招到美国全方位科技封锁的背景下,“国产替代”的概念被带火。

据悉,中芯国际(SMIC)和中国第一家3D NAND闪存制造商长江存储近期都制定了去美计划,加紧测试自主研发生产线中的非美设备。中芯国际今年年底之前准备铺设无美国设备的40nm芯片生产线,并计划在三年内在相同的基础上研发更先进的28nm工艺。与此同时,长江存储准备在不远的将来把国内设备替代率从30%提高到70%,并且有计划地将更多内地公司纳入其供应商序列。

光刻机/芯片制造设备、操作系统和EDA工具以及MATLAB等国产替代的话题,《EDN电子技术设计》此前都有报道过。今天我们就来聊一聊另一个掣肘中国半导体产业发展的利器——IP核,在这方面中国现在又发展到了什么阶段?

什么是IP核?

有人说,如果说光刻机是工业皇冠上的明珠,那么IP核就是这颗明珠的魂。

芯片只是我们看到的表象,一块芯片的诞生,用千锤百炼来说一点都不为过。首先来看一下,芯片从无到有需要经历哪几个阶段。

芯片设计与制造流程

芯片设计和制造流程简单来说可以分四个阶段:功能/性能定义(需求分析)、IC设计(集成电路设计)、IC制造(光刻机部分)、封装测试。

芯片功能/性能的定义 在做设计芯片之前要先定位,这个芯片是用来干什么的,它要性能指标要达到什么样的要求。比如,厂家要出一个处理器芯片,最简单的一点就要先确定这是一个多少位的CPU,多少核的。比如咱们买电脑的时候,经常看到电脑搭载的是英特尔64位四核处理器。那么这个芯片在出厂之前,英特尔就定好了,它是64位的,里面有四个核心。

64位是采用64位处理技术的CPU,简单理解就是处理器一次运行64位数据,这个数字越大说明单次可以运行的数据越多,处理速度越快。四核处理器就是基于单个半导体的一个处理器上拥有四个处理器核心。并且四个核心的处理能力和功能是一样,可以同时运行,所以业界将这样的处理器称为真四核。

64位处理技术的CPU

IC设计这个环节就真正要用到EDA软件和IP核了。如果这里翻车,也就没光刻机什么事了,这步骤包含的内容非常之多,比如系统设计、算法设计、行为级描述/优化、逻辑综合/优化、仿真、测试、制版数据生成等等。EDA和光刻机不少业界朋友都有所科普,而关于IP核这块的内容比较少,所以这里咱们的主角IP核就登场了。

这里的IP跟咱们常熟知的IP地址中的IP不一样。它的全称是Intellectual property,也就是知识产权。这些IP核心就是别人做好的模块,可以在设计中直接使用。

IP核对于整个半导体行业都非常重要,尤其是在近年来产业高速发展及全球对知识产权越来越重视的情况下。它于上世纪70年代诞生,随着芯片设计的不断演进,IP核也发生不断的变化。最早,各半导体公司有一个内部的IP核部门,专门来开发维护特定功能的IP核,如接口IP、存储IP、安全IP等等。但伴随SoC设计复杂度上升与上市时间要求缩短,第三方IP供应商开始出现。由于economic of scale,它们在成本、性能上具有优势明显,因此很多半导体公司开始采用外部第三方IP核,并消减内部在IP核上的研发投入,IP核产业从而不断壮大。

过去10年来,IP核市场的年复合增长率超过10%。其增长主要伴随着市场上新应用、新产品产生的新需求——无人驾驶、AI芯片、5G物联网、云计算等新兴技术发展,推动了IP核迅速且更加个性化的(针对应用)发展。IP核的复用(reuse)是提高片上系统的设计效率、缩短设计周期的关键。从整个市场来看,在没有全新IP核的情况下,整个行业的发展速度都将受到阻碍。

那么,哪些公司在做IP核呢?这段时间软银集团欲出售的ARM公司(注:ARM)就是该环节的头号玩家,据悉全球90%的智能手机的处理器都是用Arm的IP授权,苹果、高通、华为海思、都是其客户。

下图为全球2019年半导体IP供应商营收前十,前三是Arm、新思、铿腾电子;第二、第三也是大家熟知的EDA软件巨头。

全球2019年半导体IP供应商营收前十

值得一提的是排名第七的芯原微电子(上海)和第十的台湾力旺科技是中国的厂商,说明这块领域咱们并不是空白。芯原也被业界誉为“中国半导体IP之王”,成立于2001年。

IP核也有三种不同程度的设计:软核,固核,硬核。

软核,以加密源代码的形式提供;简单理解就是提供代码给你,你还可以根据自研芯片的情况来调整和优化,灵活性高,对芯片厂商的技术要求较高。

固核,介于软核和硬核之间的一种核。以门级网表提供,除了完成软核所有的设计外,还完成门级电路综合和时序仿真等设计环节。比如它完成了描述功能中一些比较关键的路径进行预先的布局布线,而其他部分仍然可以任由编译器进行相关优化处理。

硬核,完整后端设计的掩模了,可理解为成品,拿去就可以用。相当于厂商跟你把需求完整分析后交付的,将该考虑的全考虑进去了,可靠性很高,但是灵活性就低了。

通常芯片设计公司会根据自身的业务,以及IP核的特性,购买不同的形态IP,用在自己的芯片设计中。IP核主要就是方便了设计的重用性,使得通用模块可以被重复用,省时、省力。

IP核形式分类

芯片设计公司自己去做IP核行不行?可以,但是面临以下几方面的问题。

1、专利保护,能否绕开现有IP授权公司专利。

2、巨大投入,人力、物力、时间。

3、够不够打,做出来了,能不能与竞争对手对抗。

4、容错率低,一旦设计不当,满盘皆输。

大家都知道,华为海思采购的是IP就是Arm公司授权的v8架构,华为在其基础上再进行芯片设计,试想如果华为海思自行设计IP的话,其智能产品能够在这么短的时间内上市吗?显而易见,短期内是实现不了的,如果没有Arm授权,咱们也不会在这么短的时间内看到如此优秀的华为海思麒麟处理器。

在5G时代,新应用、新产品将会层出不穷,需求多且更加个性化,要求芯片厂商以更快的速度推动新产品上市。比如现今的芯片厂商都在开发5G SoC(系统芯片),以便快速适应5G技术,并将产品及时投放到市场。因此厂商需要考虑采用新工艺的芯片成本、功耗、温度、算力多少?能否快速上市等问题,而IP核的强大之处就在于这些它都帮你验证好了。

下面是一张系统SOC结构的示意图,它是一种实现复杂系统功能的超大规模集成电路,大家可以看到里面包含有大量的IP核,功能越复杂,对IP核的依赖就越多。

系统SOC结构的示意图

看到这里,想必大家都知道为什么Arm可以席卷全球了吧。由于Arm的IP核授权,让很多芯片设计公司省去了很多事,该验证的环节、该考虑的因素,Arm全帮你解决了;公司的产品可以快速上市,占领市场先机。另外,Arm是一家纯粹的IP授权公司,大家对其很放心。Arm成功很大一部分也得益于其商业模式,就是以IP授权为核心的无晶圆半导体公司,即只做IP授权,其他一概不涉及。

ARM商业模式

不过如今的情况或将有所变化,因为Arm的大股东软银公司准备将它卖了。如果是卖给一家与芯片公司无关的企业,大家还是很放心;如果是卖给了一家芯片公司,那相当于站队了,其他芯片公司就会有担心Arm不授权的话(英特尔的X86就不授权,所以市面上的PC机CPU基本上一家独大),芯片就没办法做了。然后芯片厂商就会自己想办法来做IP这块,这样一来,Arm不仅业务量受到影响,还多了竞争对手。所以Arm联合创始人发言称,若Arm被芯片厂商英伟达收购,则对Arm来说是个灾难。

国产IP核之路,任重道远

有着“中国半导体IP之王”的芯原微电子,成立至今已有19年,虽然其2019年在同类公司中排名第七,但是其短板也非常明显。

不具备CPU类的IP,拥有图形处理器(GPU)、神经网络处理器(NPU)、视频处理器(NPU)、数字信号处理器(DSP)和图像信号处理器(ISP)五类处理器IP,以及1400多个数模混合IP和射频IP。在嵌入式非挥发性存储器、内存编译器等IP方面也没有储备。大部分IP是通过外部并购而来,并非自主研发,说明自研方面的技术储备不够。

但是,芯原所积累的经验非常宝贵,因为它知道哪些IP是目前没有办法介入,半导体哪些领域的IP值得去投入,这样就可以少走很多弯路。比如芯原在这么多年的积累就指出,RISC-V(RISC-FIVE)将会是中国芯片产业的全新机遇,RISC-V是第五代基于RISC(精简指令集计算机)的指令集架构,因具备自由开放、成本低、功耗低等方面的优势,受到全球广泛关注。

在2019国际芯片大会(Chips 2019)上,中国工程院院士倪光南在展望开源芯片前景时曾表示:“RISC-V很可能发展成为世界主流CPU之一,在CPU领域形成英特尔、Arm、RISC-V三分天下的格局。”

在5G这个万物互联的时代,RISC-V的轻量级,灵活性,更符合物联网应用的碎片化特性。国内目前围绕RISC-V架构开发和使用的企业已有上百家企业。比如华为海思、阿里的平头哥、中天微,兆易创新、华米科技、嘉楠科技、北京君正以及获得小米投资的芯来科技。RISC-V俨然为中国提供了在X86与Arm架构之外的第三条自主化路径。

写在最后,IP核作为帮助芯片公司快速推出产品的利器,可谓是一本万利,在半导体产业中IP的毛利率是产业之最,高达90%以上(光刻机厂商ASML毛利率在43%),只要拔得头筹就能立于产业的顶端。英特尔靠X86在PC时代叱咤风云,Arm靠RISC在移动互联网时代处于浪潮之巅,如今已进入5G和物联网时代,谁能把握住这个时代的IP核将会潜力无限。

责任编辑:杨培
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