IP核：實現(xiàn)“十四五”規(guī)劃目標(biāo)的基石

芯師爺|Core master|

2022-03-07 03:23:10 22

隨著全球電子信息產(chǎn)業(yè)的爆發(fā)，全球集成電路設(shè)計行業(yè)一直呈現(xiàn)持續(xù)增長的態(tài)勢。我國的集成電路設(shè)計產(chǎn)業(yè)憑借廣大的市場需求、穩(wěn)定的經(jīng)濟發(fā)展和有利的產(chǎn)業(yè)環(huán)境等優(yōu)勢條件，已成為全球集成電路設(shè)計行業(yè)市場增長的主要驅(qū)動力。

集成電路產(chǎn)業(yè)：“十四五”發(fā)展規(guī)劃總體目標(biāo)下的發(fā)展機遇

數(shù)據(jù)顯示，集成電路設(shè)計業(yè)銷售收入從2015年的1325億元增長到2019年的2947.7億元，預(yù)計2020年，中國集成電路設(shè)計行業(yè)市場規(guī)模將突破3500億元。在2020年上半年，雖然受新冠肺炎疫情影響，但我國集成電路產(chǎn)業(yè)依然保持快速增長，1~6月份銷售額達(dá)到3539億元，同比增長16.1%；其中，設(shè)計業(yè)銷售額為1490.6億元，同比增長23.6%；由此可見，IC設(shè)計是國內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)中最具發(fā)展活力的領(lǐng)域。

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*數(shù)據(jù)來源：中商產(chǎn)業(yè)研究院

近年來我國也對IC設(shè)計行業(yè)制定了相關(guān)法律及產(chǎn)業(yè)政策。

*資料來源：中商產(chǎn)業(yè)研究院

另外，各級政府也紛紛發(fā)文支持IC設(shè)計產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

資料來源：中商產(chǎn)業(yè)研究院

自重大專項、推進綱要實施以來，我國集成電路“十三五”期間取得一些標(biāo)志性成果，如12英寸特色工藝生產(chǎn)線投產(chǎn)、國內(nèi)14nm FinFET工藝量產(chǎn)、國產(chǎn)128層3D NAND閃存發(fā)布、國產(chǎn)5nm蝕刻機進入臺積電驗證等。目前，我國集成電路行業(yè)迎來利好的發(fā)展時期，“十四五”期間集成電路產(chǎn)業(yè)將得到更*、高質(zhì)量的發(fā)展。高端裝備、集成電路、新一代人工智能等在內(nèi)的未來產(chǎn)業(yè)，將有望成為“十四五”科技創(chuàng)新規(guī)劃的重要內(nèi)容。

IP核：集成電路產(chǎn)業(yè)鏈上游關(guān)鍵環(huán)節(jié)

中國集成電路產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)關(guān)注的焦點，由集成電路產(chǎn)業(yè)帶動下的計算機、通信、消費類電子、數(shù)字化3C技術(shù)的融合發(fā)展以及計算機國際互聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用孕育了大量的新興產(chǎn)業(yè)，為我國國民經(jīng)濟的持續(xù)、快速發(fā)展注入了新的活力。

集成電路是信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ),21世紀(jì)信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展,使集成電路呈現(xiàn)出快速發(fā)展的態(tài)勢,而以軟硬件協(xié)同設(shè)計,IP核復(fù)用和超深亞微米為技術(shù)支撐的SoC已成為當(dāng)今超大規(guī)模集成電路的發(fā)展方向,是集成電路的主流技術(shù)。SoC設(shè)計面臨諸多挑戰(zhàn),其中IP核的復(fù)用最為關(guān)鍵。

芯片設(shè)計中的IP核（Intellectual Property Core）是指在半導(dǎo)體集成電路設(shè)計中那些具有特定功能的，可以重復(fù)使用的電路模塊。形象些的比喻，IP核如同元器件，芯片如同電路板，通過在電路板上集成各類功能的元器件，就可以設(shè)計出針對不同應(yīng)用場景的電路系統(tǒng)板，而集成電路（Integrated Circuit）顧名思義，就是在片內(nèi)集成了多個IP核，能完成多種功能的縮微電路。

芯片設(shè)計公司通過購買成熟可靠的IP授權(quán)，就可實現(xiàn)芯片中的各種特定功能，從而無需對芯片每個細(xì)節(jié)都自行完成設(shè)計。這種開發(fā)模式，極大的縮短了芯片開發(fā)的時間，降低了開發(fā)風(fēng)險，提高了芯片的可靠性。是集成電路產(chǎn)業(yè)鏈上游關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要客戶是芯片設(shè)計廠商。

為什么IP核越來越重要？

一方面，市場需求快速變化，這就要求產(chǎn)品的上市時間越來越短。要在這么短的開發(fā)周期內(nèi)可靠完成SoC芯片設(shè)計，就只有通過大量集成驗證成熟的IP核，來加速設(shè)計流程，因此SoC設(shè)計公司對成熟IP的依賴程度日益增加。另一方面，智能化、網(wǎng)絡(luò)化成為產(chǎn)品的發(fā)展趨勢，SoC的產(chǎn)品功能和性能也因之提升，這就導(dǎo)致SoC設(shè)計規(guī)模和復(fù)雜度隨之增加，SoC開發(fā)團隊規(guī)模也隨之?dāng)U大，但想在設(shè)計中面面俱到，全部自行開發(fā)完成，從技術(shù)實現(xiàn)上看不現(xiàn)實，從成本投入上看不經(jīng)濟，從開發(fā)周期上看不滿足。因此只有通過IP集成，才可以解決這一現(xiàn)實問題。IP核從而成為了SoC的設(shè)計基礎(chǔ)，深刻的影響著SoC的設(shè)計業(yè)發(fā)展。

2019年，全球IP市場超過40億美元，從經(jīng)濟規(guī)模看，每1美元的IP支出將帶動和支撐100倍的芯片市場。在中國，過去20多年來，本土芯片設(shè)計公司的逐步發(fā)展，尤其離不開IP核，影響著大量芯片項目的規(guī)劃、架構(gòu)、功能、成本、技術(shù)支持和品質(zhì)管理。本土晶圓廠和設(shè)計服務(wù)公司，也視IP為極為重要的客戶項目抓手。

IP核的分類

根據(jù)IP核在SoC中的技術(shù)類型可以將其分為數(shù)字IP和物理IP兩大類。

數(shù)字IP包括處理器IP，例如我們熟知的CPU, GPU, DSP, NPU等，其他數(shù)字IP包括多媒體編解碼、通訊基站協(xié)議、存儲控制器、總線及數(shù)字接口控制器等等。一般數(shù)字IP交付形式為經(jīng)過數(shù)字驗證的RTL代碼，與工藝制程無關(guān)。

物理IP是基于不同工藝制程的器件模型和設(shè)計規(guī)則設(shè)計的，最終以GDSII文件形式交付給用戶，包括以下類型：

（1）有線連接接口物理層PHY IP，例如雙倍速率存儲器接口DDR（DoubleData Rate）、通用串行總線USB（universal serial bus）、串行*技術(shù)附件SATA（serial advanced technologyattachment）、PCIe（peripheral component interfaceexpress）、高清多媒體接口HDMI（high definition multimediainterface）、顯示端口DP （Display Port）、移動產(chǎn)業(yè)處理器接口MIPI（Mobile Industry Processor Interface）等，一般遵循業(yè)界的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)；

（2）模擬及數(shù)?；旌螴P，例如模數(shù)/數(shù)模信號轉(zhuǎn)換器（ADC/DAC）、電源管理類IP、時鐘類IP等等；

（3）非易失性存儲IP，例如嵌入式Flash存儲器、單次/多次可編程（OTP/MTP）存儲器等等；

（4）無線通信射頻類IP，例如WiFi、藍(lán)牙、GPS、NFC等；

（5）基礎(chǔ)IP，包括邏輯單元庫（logicstandard cell library），靜態(tài)隨機存取存儲器（SRAM）、輸入輸出IO等。

*銳成芯微IP測試芯片

按主流商業(yè)模式分類：IP 供應(yīng)商提供許可(license)、版稅(royalty)以及許可+版稅的三種模式，其中許可+版稅的模式占據(jù)較大份額。許可費是通常由IP使用方按 IP 被授權(quán)次數(shù)付費。版稅費用一般是IP使用方按其生產(chǎn)的芯片數(shù)量付費，是跟產(chǎn)品銷量掛鉤的授權(quán)費。除此之外，還有技術(shù)授權(quán)（technology license）、架構(gòu)授權(quán)（architecture license）等更為深層合作的授權(quán)模式。

一個可復(fù)用的IP核交付給用戶，必須要具備完整的系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用參數(shù)規(guī)格說明（specifications），各種兼容的應(yīng)用模型、可配置性、驗證代碼和測試文件，通用的總線接口以及通用的檢測接口，功能驗證、邏輯綜合和物理設(shè)計驗證等相關(guān)的腳本（script）文件、設(shè)計和轉(zhuǎn)讓文檔等。

IP核和EDA 互為發(fā)展助推劑

IP設(shè)計開發(fā)，同芯片設(shè)計開發(fā)過程一樣都離不開EDA工具和設(shè)計流程。EDA工具和IP共同成為IC產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，只有在芯片設(shè)計環(huán)節(jié)有效借助EDA工具和IP核資源，才能開發(fā)出有市場競爭力的產(chǎn)品。縱觀芯片產(chǎn)業(yè)鏈，從設(shè)計、制造到封裝、測試，重中之重還是在芯片設(shè)計環(huán)節(jié)，因此EDA和IP可謂是芯片產(chǎn)業(yè)鏈的“任督二脈”。

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EDA是電子設(shè)計自動化（ElectronicDesign Automation）的簡稱。EDA是芯片設(shè)計必需、也是最重要的集成電路軟件設(shè)計工具，是芯片設(shè)計最上游的產(chǎn)業(yè)。經(jīng)過幾十年發(fā)展，從仿真、綜合到版圖，從前端到后端，從模擬到數(shù)字再到混合設(shè)計，以及后續(xù)的工藝制造等環(huán)節(jié)都有EDA工具輔助，可以說現(xiàn)代EDA工具幾乎涵蓋了芯片設(shè)計制造的方方面面，具有的功能十分*。EDA工具按不同階段可粗略的劃分為前端技術(shù)、后端技術(shù)和驗證技術(shù)，各個技術(shù)之間有所重合。

對于IP來說，好的布局和布線會節(jié)省面積，提高信號的完整性、穩(wěn)定性，提高IP的可靠性。所以EDA軟件對于IP設(shè)計至關(guān)重要。借助這個自動化工具，工程師就可以在電腦上對IP進行電路前后端設(shè)計以及驗證操作，更高效地完成設(shè)計、仿真、布局布線和驗證。

近年來，由于市場需求和先進制程的突破，對IP的功能需求越來越高，也不斷推進EDA升級迭代，IP和EDA互為推進發(fā)展突破，已經(jīng)形成不可分割的關(guān)系。

本土IP：向平臺化“進階”

在2020*半導(dǎo)體大會*論壇上，清華大學(xué)清華大學(xué)微電子學(xué)研究所所長、中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會副理事長魏少軍教授表示：如今的IP市場是一個被海外廠商高度壟斷的市場，根據(jù)SIA最新發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2020年全球半導(dǎo)體上半年的增長達(dá)到4.5%，銷售額達(dá)到2085億美元，而中國海關(guān)統(tǒng)計顯示，2020年1-6月份的集成電路進口達(dá)到1546.1億美元，增長12.2%，把這兩個數(shù)據(jù)放在一起，我們就會發(fā)現(xiàn)2020年上半年全球半導(dǎo)體增長100%由中國是貢獻的。

國產(chǎn)IP企業(yè)發(fā)展的困境是，需要不斷為每次技術(shù)更新而重新投入研發(fā)，這是一個要下真功夫、花大氣力、啃硬骨頭的技術(shù)密集型行業(yè)；首先，IP核的技術(shù)發(fā)展與工藝技術(shù)發(fā)展密切相關(guān)，目前全球主流的先進工藝技術(shù)是10/7 nm成套工藝，未來3年內(nèi)5 nm的成套工藝也將進入產(chǎn)業(yè)化階段。隨著半導(dǎo)體制造工藝遵循摩爾定律繼續(xù)發(fā)展，工藝特征尺寸持續(xù)變小，這也將進一步提高對IP核的設(shè)計和驗證要求。其次，IP相較制造業(yè)來說本身產(chǎn)值不大，因而地方政府重視程度不足，同時*在這一領(lǐng)域的投入也尚未能直接惠及IP公司。三是雖然IP技術(shù)含量很高，但國內(nèi)IP公司普遍體量較小，大都未及上市標(biāo)準(zhǔn)，投資機構(gòu)難以青睞。

在如此的環(huán)境下，國產(chǎn)IP廠商也在奮力突出重圍。如本土IP廠商銳成芯微（Analog Circuit TechnologyInc., 簡稱ACTT）就從超低功耗技術(shù)這一個“點”起步，逐步構(gòu)建成超低功耗模擬IP和高可靠性非易失性存儲器IP的兩點一“線”，并進而形成模擬IP、存儲器IP和射頻IP的三足鼎立的產(chǎn)品格局，一舉構(gòu)建完成適用于物聯(lián)網(wǎng)、汽車電子、醫(yī)療電子等各個方向的多個平臺化產(chǎn)品。

自2011年成立后，銳成芯微的IP在市場上的表現(xiàn)亦勢如破竹：先后與20家晶圓廠建立了合作伙伴關(guān)系，累計交付了500多種IP，擁有190多項專利，并已被300多家客戶的數(shù)百個產(chǎn)品使用，客戶累計出貨超過300萬片晶圓。

*銳成芯微（ACTT）創(chuàng)始人兼董事長向建軍

應(yīng)用平臺化是IP產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略方向。銳成芯微董事長兼創(chuàng)始人向建軍認(rèn)為，通?？蛻羝髽I(yè)會同多個IP供應(yīng)商采購IP，這一方式本身就帶來了極大的溝通成本和協(xié)作風(fēng)險，往往為了協(xié)調(diào)各IP間的特性和功能以滿足芯片的要求，客戶需投入大量的人力和時間去協(xié)調(diào)各方資源進行討論和處理，再則，零散的采購降低了客戶的議價能力，采購成本要遠(yuǎn)高于集中化采購。而銳成芯微的平臺化IP產(chǎn)品，為客戶帶來的不僅僅是上述投入成本和風(fēng)險的降低，還可以基于自身對應(yīng)用的深刻理解和同類型客戶項目的經(jīng)驗累積，從規(guī)格定義到設(shè)計細(xì)節(jié)再到常見問題規(guī)避，都可為客戶提供切實的技術(shù)協(xié)助，更重要的是為客戶產(chǎn)品本身帶來更高的附加值。

國內(nèi)集成電路IP核的標(biāo)準(zhǔn)由誰來制訂？

在后摩爾時代，應(yīng)用驅(qū)動對于中國市場是有優(yōu)勢的，巨大的應(yīng)用市場讓我們可以用某一種應(yīng)用來引領(lǐng)*潮流，確定整個*的標(biāo)準(zhǔn)。未來包括智慧城市、大健康等領(lǐng)域，一個人口眾多的*很有可能在萬眾創(chuàng)新的思維或者是氛圍下，做到這一點。中國作為制造大國非常有優(yōu)勢，像華為等國內(nèi)*企業(yè)都在鋪設(shè)IoT的平臺并推出自己的標(biāo)準(zhǔn)，在執(zhí)行新標(biāo)準(zhǔn)上，中國企業(yè)由于更靠近市場，因此擁有更低的溝通成本和更快的響應(yīng)快速。

在科技應(yīng)用領(lǐng)域，各行業(yè)都有標(biāo)準(zhǔn)，USB接口已經(jīng)發(fā)展到了4.0標(biāo)準(zhǔn)、電視也有了8K標(biāo)準(zhǔn)、5G有5GNR標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)都是在技術(shù)和市場競爭發(fā)展的演進中形成。在沒有標(biāo)準(zhǔn)的年代，每家廠商都有著自己的標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致應(yīng)用市場的交互使用體驗混亂，當(dāng)市場格局出現(xiàn)多寡頭或者由*意志進行引導(dǎo)，標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)勢和作用顯得更順應(yīng)市場。

IP與應(yīng)用具有強相關(guān)聯(lián)系，比如射頻模塊、基帶模塊都能設(shè)計成為一個IP形式來落地應(yīng)用。在當(dāng)下中國已成為全球規(guī)模最大、增速最快的集成電路市場的背景下，IP的形態(tài)優(yōu)勢能幫助中國企業(yè)在芯片行業(yè)提出更多行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。今年我國的3GPP NR + NB-IoT RIT技術(shù)便成為了5G標(biāo)準(zhǔn)之一。

IP行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈分散、高度全球化，某一個*的標(biāo)準(zhǔn)很難約束到企業(yè)行為，反而企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)主導(dǎo)著這個產(chǎn)業(yè)的進步。例如蘋果取消了耳機3.5mm插孔，華為之前也改變了存儲卡的規(guī)格，這不是任何政府機構(gòu)或者行業(yè)組織主導(dǎo)，而是企業(yè)主動做一些事去領(lǐng)導(dǎo)這個行業(yè)，其他廠商去跟隨。在某些企業(yè)市場規(guī)模達(dá)到一定程度并具有極高市場話語權(quán)的時候，就有機會主動去帶領(lǐng)整個產(chǎn)業(yè)鏈建立標(biāo)準(zhǔn)。

給集成電路人才多一些培養(yǎng)時間

最近，受美國限制華為高端芯片事件影響，市場對芯片類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才的關(guān)注度明顯提升。天眼查不久前披露的一份數(shù)據(jù)顯示，今年二季度集成電路企業(yè)需求人數(shù)約為申請人數(shù)的2.6倍，芯片設(shè)計人才的需求擴張甚為明顯；《中國集成電路產(chǎn)業(yè)人才白皮書（2019-2020年版）》顯示，按當(dāng)前產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢及對應(yīng)人均產(chǎn)值推算，到2022年前后全行業(yè)人才需求將達(dá)到74.45*左右，其中設(shè)計業(yè)為27.04*。白皮書梳理了集成電路緊缺崗位的情況，排名*最緊缺的芯片設(shè)計崗位是模擬芯片設(shè)計。

集成電路設(shè)計人才短缺，尤其是包括模擬IP在內(nèi)的模擬設(shè)計人才最緊缺，是因為芯片行業(yè)涉及的技術(shù)難度大、壁壘高、周期長，工程師需要掌握包括數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、機械、材料、計算機、微電子、電子工程、通信工程、自動化、光電信息等等專業(yè)知識，既需要具備專業(yè)基礎(chǔ)理論，也需要長時間的實際經(jīng)驗積累，長周期的培養(yǎng)模式，不斷積累經(jīng)驗，對設(shè)計流程、設(shè)計架構(gòu)和電路細(xì)節(jié)都有著精益求精的匠心精神；

產(chǎn)學(xué)研界也一直在探討合作一體化模式，培養(yǎng)階梯人才，與國際*的同業(yè)者交流技術(shù)和管理經(jīng)驗，加強培訓(xùn)及合作，吸納全球前沿技術(shù)，達(dá)到人才和技術(shù)成長齊頭并進。

“十四五”期間 IP核將助力集成電路得到更*、高質(zhì)量發(fā)展

今年，*印發(fā)《新時期促進集成電路產(chǎn)業(yè)和軟件產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的若干政策》，對集成電路行業(yè)提出了涉及財稅、投融資、研究開發(fā)、進出口、人才、知識產(chǎn)權(quán)、市場應(yīng)用、國際合作等方面的利好政策。集成電路行業(yè)是國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)，是電子信息產(chǎn)業(yè)的核心，此次發(fā)布的扶持政策也表明*要大力發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)。

我國集成電路產(chǎn)業(yè)前景明朗，市場規(guī)模持續(xù)增長。預(yù)計2025年，我國集成電路市場規(guī)模將超過2萬億元，有望超過2.38萬億元?！笆奈濉逼陂g將期待有更多的利好政策出臺，涉及集成電路產(chǎn)業(yè)的細(xì)分領(lǐng)域。而IP核，作為實現(xiàn)這一宏偉目標(biāo)的基石，將推動產(chǎn)業(yè)鏈主要環(huán)節(jié)向縱深應(yīng)用和先進水平不斷發(fā)展。

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