IP核:实现“十四五”规划目标的基石

2020-11-18 16:32:22 35

随着全球电子信息产业的爆发,全球集成电路设计行业一直呈现持续增长的态势。我国的集成电路设计产业凭借广大的市场需求、稳定的经济发展和有利的产业环境等优势条件,已成为全球集成电路设计行业市场增长的主要驱动力。


集成电路产业:“十四五”发展规划总体目标下的发展机遇


数据显示,集成电路设计业销售收入从2015年的1325亿元增长到2019年的2947.7亿元,预计2020年,中国集成电路设计行业市场规模将突破3500亿元。在2020年上半年,虽然受新冠肺炎疫情影响,但我国集成电路产业依然保持快速增长,1~6月份销售额达到3539亿元,同比增长16.1%;其中,设计业销售额为1490.6亿元,同比增长23.6%;由此可见,IC设计是国内集成电路产业中最具发展活力的领域。


*数据来源:中商产业研究院


近年来我国也对IC设计行业制定了相关法律及产业政策。


*资料来源:中商产业研究院


另外,各级政府也纷纷发文支持IC设计产业发展。


资料来源:中商产业研究院


自重大专项、推进纲要实施以来,我国集成电路“十三五”期间取得一些标志性成果,如12英寸特色工艺生产线投产、国内14nm FinFET工艺量产、国产128层3D NAND闪存发布、国产5nm蚀刻机进入台积电验证等。目前,我国集成电路行业迎来利好的发展时期,“十四五”期间集成电路产业将得到更全面、高质量的发展。高端装备、集成电路、新一代人工智能等在内的未来产业,将有望成为“十四五”科技创新规划的重要内容。


IP核:集成电路产业链上游关键环节


中国集成电路产业已经成为全球半导体产业关注的焦点,由集成电路产业带动下的计算机、通信、消费类电子、数字化3C技术的融合发展以及计算机国际互联网的广泛应用孕育了大量的新兴产业,为我国国民经济的持续、快速发展注入了新的活力。


集成电路是信息产业的基础,21世纪信息产业的飞速发展,使集成电路呈现出快速发展的态势,而以软硬件协同设计,IP核复用和超深亚微米为技术支撑的SoC已成为当今超大规模集成电路的发展方向,是集成电路的主流技术。SoC设计面临诸多挑战,其中IP核的复用最为关键。


芯片设计中的IP核(Intellectual Property Core)是指在半导体集成电路设计中那些具有特定功能的,可以重复使用的电路模块。形象些的比喻,IP核如同元器件,芯片如同电路板,通过在电路板上集成各类功能的元器件,就可以设计出针对不同应用场景的电路系统板,而集成电路(Integrated Circuit)顾名思义,就是在片内集成了多个IP核,能完成多种功能的缩微电路。


芯片设计公司通过购买成熟可靠的IP授权,就可实现芯片中的各种特定功能,从而无需对芯片每个细节都自行完成设计。这种开发模式,极大的缩短了芯片开发的时间,降低了开发风险,提高了芯片的可靠性。是集成电路产业链上游关键环节,主要客户是芯片设计厂商。


为什么IP核越来越重要?


一方面,市场需求快速变化,这就要求产品的上市时间越来越短。要在这么短的开发周期内可靠完成SoC芯片设计,就只有通过大量集成验证成熟的IP核,来加速设计流程,因此SoC设计公司对成熟IP的依赖程度日益增加。另一方面,智能化、网络化成为产品的发展趋势,SoC的产品功能和性能也因之提升,这就导致SoC设计规模和复杂度随之增加,SoC开发团队规模也随之扩大,但想在设计中面面俱到,全部自行开发完成,从技术实现上看不现实,从成本投入上看不经济,从开发周期上看不满足。因此只有通过IP集成,才可以解决这一现实问题。IP核从而成为了SoC的设计基础,深刻的影响着SoC的设计业发展。


2019年,全球IP市场超过40亿美元,从经济规模看,每1美元的IP支出将带动和支撑100倍的芯片市场。在中国,过去20多年来,本土芯片设计公司的逐步发展,尤其离不开IP核,影响着大量芯片项目的规划、架构、功能、成本、技术支持和品质管理。本土晶圆厂和设计服务公司,也视IP为极为重要的客户项目抓手。

 

IP核的分类


根据IP核在SoC中的技术类型可以将其分为数字IP和物理IP两大类。


数字IP包括处理器IP,例如我们熟知的CPU, GPU, DSP, NPU等,其他数字IP包括多媒体编解码、通讯基站协议、存储控制器、总线及数字接口控制器等等。一般数字IP交付形式为经过数字验证的RTL代码,与工艺制程无关。


物理IP是基于不同工艺制程的器件模型和设计规则设计的,最终以GDSII文件形式交付给用户,包括以下类型:


(1)有线连接接口物理层PHY IP,例如双倍速率存储器接口DDR(DoubleData Rate)、通用串行总线USB(universal serial bus)、串行高级技术附件SATA(serial advanced technologyattachment)、PCIe(peripheral component interfaceexpress)、高清多媒体接口HDMI(high definition multimediainterface)、显示端口DP (Display Port)、移动产业处理器接口MIPI(Mobile Industry Processor Interface)等,一般遵循业界的统一标准;


(2)模拟及数模混合IP,例如模数/数模信号转换器(ADC/DAC)、电源管理类IP、时钟类IP等等;


(3)非易失性存储IP,例如嵌入式Flash存储器、单次/多次可编程(OTP/MTP)存储器等等;


(4)无线通信射频类IP,例如WiFi、蓝牙、GPS、NFC等;


(5)基础IP,包括逻辑单元库(logicstandard cell library),静态随机存取存储器(SRAM)、输入输出IO等。


*锐成芯微IP测试芯片


按主流商业模式分类:IP 供应商提供许可(license)、版税(royalty)以及许可+版税的三种模式,其中许可+版税的模式占据较大份额。许可费是通常由IP使用方按 IP 被授权次数付费。版税费用一般是IP使用方按其生产的芯片数量付费,是跟产品销量挂钩的授权费。除此之外,还有技术授权(technology license)、架构授权(architecture license)等更为深层合作的授权模式。


一个可复用的IP核交付给用户,必须要具备完整的系统设计与应用参数规格说明(specifications),各种兼容的应用模型、可配置性、验证代码和测试文件,通用的总线接口以及通用的检测接口,功能验证、逻辑综合和物理设计验证等相关的脚本(script)文件、设计和转让文档等。

 

IP核和EDA 互为发展助推剂


IP设计开发,同芯片设计开发过程一样都离不开EDA工具和设计流程。EDA工具和IP共同成为IC产业的基础,只有在芯片设计环节有效借助EDA工具和IP核资源,才能开发出有市场竞争力的产品。纵观芯片产业链,从设计、制造到封装、测试,重中之重还是在芯片设计环节,因此EDA和IP可谓是芯片产业链的“任督二脉”。






EDA是电子设计自动化(ElectronicDesign Automation)的简称。EDA是芯片设计必需、也是最重要的集成电路软件设计工具,是芯片设计最上游的产业。经过几十年发展,从仿真、综合到版图,从前端到后端,从模拟到数字再到混合设计,以及后续的工艺制造等环节都有EDA工具辅助,可以说现代EDA工具几乎涵盖了芯片设计制造的方方面面,具有的功能十分全面。EDA工具按不同阶段可粗略的划分为前端技术、后端技术和验证技术,各个技术之间有所重合。


对于IP来说,好的布局和布线会节省面积,提高信号的完整性、稳定性,提高IP的可靠性。所以EDA软件对于IP设计至关重要。借助这个自动化工具,工程师就可以在电脑上对IP进行电路前后端设计以及验证操作,更高效地完成设计、仿真、布局布线和验证。


近年来,由于市场需求和先进制程的突破,对IP的功能需求越来越高,也不断推进EDA升级迭代,IP和EDA互为推进发展突破,已经形成不可分割的关系。

 

本土IP:向平台化“进阶”


在2020世界半导体大会高峰论坛上,清华大学清华大学微电子学研究所所长、中国半导体行业协会副理事长魏少军教授表示:如今的IP市场是一个被海外厂商高度垄断的市场,根据SIA最新发布的数据显示,2020年全球半导体上半年的增长达到4.5%,销售额达到2085亿美元,而中国海关统计显示,2020年1-6月份的集成电路进口达到1546.1亿美元,增长12.2%,把这两个数据放在一起,我们就会发现2020年上半年全球半导体增长100%由中国是贡献的。


国产IP企业发展的困境是,需要不断为每次技术更新而重新投入研发,这是一个要下真功夫、花大气力、啃硬骨头的技术密集型行业;首先,IP核的技术发展与工艺技术发展密切相关,目前全球主流的先进工艺技术是10/7 nm成套工艺,未来3年内5 nm的成套工艺也将进入产业化阶段。随着半导体制造工艺遵循摩尔定律继续发展,工艺特征尺寸持续变小,这也将进一步提高对IP核的设计和验证要求。其次,IP相较制造业来说本身产值不大,因而地方政府重视程度不足,同时国家在这一领域的投入也尚未能直接惠及IP公司。三是虽然IP技术含量很高,但国内IP公司普遍体量较小,大都未及上市标准,投资机构难以青睐。


在如此的环境下,国产IP厂商也在奋力突出重围。如本土IP厂商锐成芯微(Analog Circuit TechnologyInc., 简称ACTT)就从超低功耗技术这一个“点”起步,逐步构建成超低功耗模拟IP和高可靠性非易失性存储器IP的两点一“线”,并进而形成模拟IP、存储器IP和射频IP的三足鼎立的产品格局,一举构建完成适用于物联网、汽车电子、医疗电子等各个方向的多个平台化产品。


自2011年成立后,锐成芯微的IP在市场上的表现亦势如破竹:先后与20家晶圆厂建立了合作伙伴关系,累计交付了500多种IP,拥有190多项专利,并已被300多家客户的数百个产品使用,客户累计出货超过300万片晶圆。


*锐成芯微(ACTT)创始人兼董事长 向建军


应用平台化是IP产业的战略方向。锐成芯微董事长兼创始人向建军认为,通常客户企业会同多个IP供应商采购IP,这一方式本身就带来了极大的沟通成本和协作风险,往往为了协调各IP间的特性和功能以满足芯片的要求,客户需投入大量的人力和时间去协调各方资源进行讨论和处理,再则,零散的采购降低了客户的议价能力,采购成本要远高于集中化采购。而锐成芯微的平台化IP产品,为客户带来的不仅仅是上述投入成本和风险的降低,还可以基于自身对应用的深刻理解和同类型客户项目的经验累积,从规格定义到设计细节再到常见问题规避,都可为客户提供切实的技术协助,更重要的是为客户产品本身带来更高的附加值。

 

国内集成电路IP核的标准由谁来制订?


在后摩尔时代,应用驱动对于中国市场是有优势的,巨大的应用市场让我们可以用某一种应用来引领世界潮流,确定整个世界的标准。未来包括智慧城市、大健康等领域,一个人口众多的国家很有可能在万众创新的思维或者是氛围下,做到这一点。中国作为制造大国非常有优势,像华为等国内一流企业都在铺设IoT的平台并推出自己的标准,在执行新标准上,中国企业由于更靠近市场,因此拥有更低的沟通成本和更快的响应快速。


在科技应用领域,各行业都有标准,USB接口已经发展到了4.0标准、电视也有了8K标准、5G有5GNR标准,这些标准都是在技术和市场竞争发展的演进中形成。在没有标准的年代,每家厂商都有着自己的标准,导致应用市场的交互使用体验混乱,当市场格局出现多寡头或者由国家意志进行引导,标准的优势和作用显得更顺应市场。


IP与应用具有强相关联系,比如射频模块、基带模块都能设计成为一个IP形式来落地应用。在当下中国已成为全球规模最大、增速最快的集成电路市场的背景下,IP的形态优势能帮助中国企业在芯片行业提出更多行业标准。今年我国的3GPP NR + NB-IoT RIT技术便成为了5G标准之一。


IP行业产业链分散、高度全球化,某一个国家的标准很难约束到企业行为,反而企业标准主导着这个产业的进步。例如苹果取消了耳机3.5mm插孔,华为之前也改变了存储卡的规格,这不是任何政府机构或者行业组织主导,而是企业主动做一些事去领导这个行业,其他厂商去跟随。在某些企业市场规模达到一定程度并具有极高市场话语权的时候,就有机会主动去带领整个产业链建立标准。


给集成电路人才多一些培养时间


最近,受美国限制华为高端芯片事件影响,市场对芯片类创新创业人才的关注度明显提升。天眼查不久前披露的一份数据显示,今年二季度集成电路企业需求人数约为申请人数的2.6倍,芯片设计人才的需求扩张甚为明显;《中国集成电路产业人才白皮书(2019-2020年版)》显示,按当前产业发展态势及对应人均产值推算,到2022年前后全行业人才需求将达到74.45万人左右,其中设计业为27.04万人。白皮书梳理了集成电路紧缺岗位的情况,排名第一最紧缺的芯片设计岗位是模拟芯片设计。


集成电路设计人才短缺,尤其是包括模拟IP在内的模拟设计人才最紧缺,是因为芯片行业涉及的技术难度大、壁垒高、周期长,工程师需要掌握包括数学、物理、化学、机械、材料、计算机、微电子、电子工程、通信工程、自动化、光电信息等等专业知识,既需要具备专业基础理论,也需要长时间的实际经验积累,长周期的培养模式,不断积累经验,对设计流程、设计架构和电路细节都有着精益求精的匠心精神;

产学研界也一直在探讨合作一体化模式,培养阶梯人才,与国际领先的同业者交流技术和管理经验,加强培训及合作,吸纳全球前沿技术,达到人才和技术成长齐头并进。

 

“十四五”期间 IP核将助力集成电路得到更全面、高质量发展


今年,国务院印发《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》,对集成电路行业提出了涉及财税、投融资、研究开发、进出口、人才、知识产权、市场应用、国际合作等方面的利好政策。集成电路行业是国民经济和社会发展的战略性、基础性、先导性产业,是电子信息产业的核心,此次发布的扶持政策也表明国家要大力发展集成电路产业。


我国集成电路产业前景明朗,市场规模持续增长。预计2025年,我国集成电路市场规模将超过2万亿元,有望超过2.38万亿元。“十四五”期间将期待有更多的利好政策出台,涉及集成电路产业的细分领域。而IP核,作为实现这一宏伟目标的基石,将推动产业链主要环节向纵深应用和先进水平不断发展。


注:本文转载自网络,支持保护知识产权,转载请注明原出处及作者,如有侵权请联系我们删除。