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比光刻機(jī)還重要的IP核是什么?沒了它,華為連芯片設(shè)計都難

如果說光刻機(jī)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。我們先來看一下,芯片從無到有需要經(jīng)歷哪幾個階段。

芯片設(shè)計和制造流程簡單來說可以分四個階段的,功能/性能定義(需求分析)、IC設(shè)計(集成電路設(shè)計)、IC制造(光刻機(jī)部分了)、封裝測試。

芯片功能、性能的定義。在做設(shè)計芯片之前要先定位,這個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,廠家要出一個處理器芯片,最簡單的一點(diǎn)就要先確定這是一個多少位的CPU,多少核的。比如咱們買電腦的時候,經(jīng)??吹诫娔X搭載的是英特爾64位四核處理器。那么這個芯片在出廠之前,英特爾就定好了,它是64位的,里面有四個核心。

64位是采用64位處理技術(shù)的CPU,簡單理解就是處理器一次運(yùn)行64bit數(shù)據(jù),這個數(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半導(dǎo)體的一個處理器上擁有四個處理器核心。并且四個核心的處理能力和功能是一樣,可以同時運(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)動能力、功耗、工作溫度等等。

IC設(shè)計,這個環(huán)節(jié)就真正要用到EDA軟件和IP核了。

如果這里翻車,也就沒光刻機(jī)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、算法設(shè)計、行為級描述/優(yōu)化、邏輯綜合/優(yōu)化、仿真、測試、制版數(shù)據(jù)生成等等。EDA和光刻機(jī)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,也就是知識產(chǎn)權(quán)。這些IP核心就是別人做好的模塊,可以在設(shè)計中直接使用。哪些公司在做IP核呢?這段時間軟銀集團(tuán)欲出售的ARM公司就是該環(huán)節(jié)的頭號玩家,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)和第十的臺灣力旺科技是中國的廠商,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:軟核,固核,硬核。

軟核,以加密源代碼的形式提供;簡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。以門級網(wǎng)表提供,除了完成軟核所有的設(shè)計外,還完成門級電路綜合和時序仿真等設(shè)計環(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)計公司會根據(jù)自身的業(yè)務(wù),以及IP核的特性,購買不同的形態(tài)IP,用在自己的芯片設(shè)計中。IP核主要就是方便了設(shè)計的重用性,使得通用模塊可以被重復(fù)用,省時、省力。

芯片設(shè)計公司自己去做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、時間。

3、夠不夠打,做出來了,能不能與競爭對手對抗。

4、容錯率低,一旦設(shè)計不當(dāng),滿盤皆輸。

大家都知道,華為海思采購的是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,試想如果華為海思自行設(shè)計IP的話,其智能產(chǎn)品能夠在這么短的時間內(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),咱們也不會在這么短的時間內(nèi)看到如此優(yōu)秀的華為海思麒麟處理器。

在5G時代,新應(yīng)用、新產(chǎn)品將會層出不窮,需求多且更加個性化,要求芯片廠商以更快的速度推動新產(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)品及時投放到市場。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)市場先機(jī)。另外,ARM是一家純粹的IP授權(quán)公司,大家對其很放心。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?strong>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)于站隊了,其他芯片公司就會有擔(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,還多了競爭對手。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,則對ARM來說是個災(zāi)難。

國產(chǎn)IP核之路,任重道遠(yuǎn)。

有著“中國半導(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)字信號處理器(DSP)和圖像信號處理器(ISP)五類處理器 IP,以及 1400 多個數(shù)?;旌?IP 和射頻 IP。
  • 在嵌入式非揮發(fā)性存儲器、內(nèi)存編譯器等 IP 方面也沒有儲備。
  • 大部分IP是通過外部并購而來,并非自主研發(fā),說明自研方面的技術(shù)儲備不夠。

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)將會是中國芯片產(chǎn)業(yè)的全新機(jī)遇,RISC-V 是第五代基于 RISC(精簡指令集計算機(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,受到全球廣泛關(guān)注。

在2019國際芯片大會(Chips 2019)上,中國工程院院士倪光南在展望開源芯片前景時曾表示:“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這個萬物互聯(lián)的時代,RISC-V的輕量級,靈活性,更符合物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的碎片化特性。國內(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(光刻機(jī)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時代叱咤風(fēng)云,ARM靠RISC在移動互聯(lián)網(wǎng)時代處于浪潮之巔,如今已進(jìn)入5G和物聯(lián)網(wǎng)時代,誰能把握住這個時代的IP核將會潛力無限。

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