目前，半導(dǎo)體行業(yè)已經(jīng)進(jìn)入后摩爾時(shí)代,，制程工藝很難像過(guò)去30年那樣,，芯片上的晶體管數(shù)量每?jī)赡昃涂梢苑叮┠辏瞥坦?jié)點(diǎn)的演進(jìn)速度明顯放緩,，且晶體管數(shù)量的增加也越來(lái)越艱難,。在這種情況下，要想提升芯片性能,，同時(shí)控制好功耗和成本,，就不能局限于傳統(tǒng)意義上的制程工藝水平提升了，必須想出新的辦法,，例如,，先進(jìn)的Die、總線和封裝技術(shù)等,，而這些對(duì)IP的種類,、數(shù)量和創(chuàng)新提出了更高要求，此時(shí),，IP在產(chǎn)業(yè)內(nèi)發(fā)揮的作用更加凸顯,。
正因如此，近些年,，全球半導(dǎo)體IP市場(chǎng)呈現(xiàn)出快速發(fā)展態(tài)勢(shì),，各種類型的IP增速都在加快。按產(chǎn)品類型分,，半導(dǎo)體IP大致可分為處理器 IP,、接口 IP、物理IP和數(shù)字IP,。其中,，處理器IP是市場(chǎng)規(guī)模最大的一類，而增速最快的品類是接口IP,。
接口IP包括有線接口IP和無(wú)線接口IP：有線接口IP包括USB,、PCIe、DDR,、SATA,、D2D（Die to Die）等，應(yīng)用較多的為USB,、DDR,、PCIe、MIPI和以太網(wǎng)IP,；無(wú)線接口IP主要包括藍(lán)牙,、Zigbee、Thread等,。有線接口IP占接口IP市場(chǎng)總份額的95％,。
據(jù)IPnest統(tǒng)計(jì)，各類接口IP在2021年產(chǎn)生了13億美元的收入，同比增長(zhǎng)22．7％,，這主要?dú)w功于PCIe,、DDR內(nèi)存控制器和以太網(wǎng)／ SerDes。IPnest預(yù)測(cè)接口IP在2026年的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到30億美元,。
在過(guò)去15年中,，IP市場(chǎng)的主要驅(qū)動(dòng)力是智能手機(jī)，在這個(gè)過(guò)程當(dāng)中,，Arm和Imagination等IP廠商是最大受益者,。而近些年，以數(shù)據(jù)為中心為代表的HPC市場(chǎng)蓬勃發(fā)展,，對(duì)DDR內(nèi)存控制器（DDR5,，LPDDR5，HBM）,，PCIe,、CXL和以太網(wǎng)／ SerDes提出了更多需求，此時(shí),，主要提供有線接口IP的廠商成為了新的增長(zhǎng)引擎,，Synopsys和Alphawave是典型代表企業(yè)。
從IPnest給出的IP供應(yīng)商按許可證（LICENSE）收入的排名情況,。從中可以看出,，Synopsys是IP許可收入的第一贏家，2021年市場(chǎng)份額為31．2％,，而Arm以25．6％的市場(chǎng)份額排名第二（Arm的主要收入來(lái)源為版稅,，市場(chǎng)占有率超過(guò)60％）。
Synopsys的市占率與該公司對(duì)有線接口的重點(diǎn)投入有很大關(guān)系,，Synopsys在高性能SerDes市場(chǎng)占有55．6％的份額,，而該類IP是有線高速互連市場(chǎng)的重要支柱，該公司支持幾乎所有協(xié)議（USB,、PCIe,、以太網(wǎng),、SATA,、HDMI、MIPI,、DDR 內(nèi)存控制器等）,，并在每個(gè)協(xié)議IP市場(chǎng)都處于領(lǐng)先地位。
有些驚奇的是,，Alphawave排到了第四,，僅次于Cadence，顯示了高性能SerDes IP對(duì)于當(dāng)下以數(shù)據(jù)中心應(yīng)用為主要市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)力的重要性，目前,，Alphawave是臺(tái)積電,，三星和英特爾IFS等頂級(jí)晶圓代工廠7nm、5nm和3nm所需的PAM4 112G SerDes IP的重要供應(yīng)商,。
Alphawave由SerDes專家團(tuán)隊(duì)于2017年創(chuàng)建,，開(kāi)發(fā)了基于DSP的PAM4 112G，并在2021年創(chuàng)造了8900萬(wàn)美元的IP收入,，同比增長(zhǎng)了102％,，2020年同比增長(zhǎng)了75％。該公司成功的關(guān)鍵是瞄準(zhǔn)了前沿協(xié)議和技術(shù)節(jié)點(diǎn),，這些在數(shù)據(jù)中心的計(jì)算,、存儲(chǔ)，以及通過(guò)PCIe,、CXL等協(xié)議進(jìn)行互連的應(yīng)用當(dāng)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用,。可以說(shuō),，Alphawave在正確的時(shí)間出現(xiàn)在了正確的地方,，再加上該公司團(tuán)隊(duì)在SerDes設(shè)計(jì)方面長(zhǎng)期的經(jīng)驗(yàn)積累，才取得了這樣的業(yè)績(jī),。
接口IP與Chiplet相得益彰
如前文所述,，要進(jìn)一步延續(xù)摩爾定律，接口IP的將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用,，目前來(lái)看,，Chiplet將是推動(dòng)相關(guān)IP發(fā)展的重要引擎，特別是在布局Chiplet的D2D接口方面,，既需要具備先進(jìn)制程的支持能力,，還需要了解異構(gòu)，能把28nm,、16nm,、7nm、5nm等各種制程的Die融合在一起,。這就需要具備開(kāi)發(fā)Chiplet架構(gòu)中兩邊接口的能力,，其對(duì)帶寬、時(shí)延的要求,，與傳統(tǒng)接口IP相比,，提高了很多。不僅如此,，設(shè)計(jì)Chiplet,，需要對(duì)工藝和封裝有很深的了解,。所有這些加起來(lái)，工作量是巨大的,，特別是在驗(yàn)證方面,，需要花費(fèi)的精力、人力和相關(guān)資源,，比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案要多很多,。
此外，Chiplet設(shè)計(jì)還涉及協(xié)議問(wèn)題,，因?yàn)镃hiplet屬于新生事物,，目前仍還處于摸索階段，相關(guān)協(xié)議沒(méi)有定型,，各家都有自己的方法,，如英特爾的AIB、Co－EMIB技術(shù),，AMD的Infinity Fabric On Package （IFOP）接口及MCM Chiplet技術(shù),，用7nm Core Die加上14nm IO Die取代傳統(tǒng)單芯片。從以上這兩家的技術(shù)方案可以直觀地看出,，Chiplet與封裝技術(shù)緊密相關(guān),，這就進(jìn)一步增加了相關(guān)接口IP的設(shè)計(jì)復(fù)雜度。正是因?yàn)槿绱?，就需要IP供應(yīng)商與下游的晶圓代工和封測(cè)廠加強(qiáng)合作,。
中國(guó)IP市場(chǎng)潛力巨大
IPnest的數(shù)據(jù)顯示，過(guò)去5年到未來(lái)5年的全球接口IP市場(chǎng)年均復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到16％,，而中國(guó)市場(chǎng)增長(zhǎng)率更高,，雖然接口IP市場(chǎng)前景廣闊、增長(zhǎng)迅速,，但中國(guó)市場(chǎng)自給率卻不足10％,，未來(lái)，中國(guó)本土IP企業(yè)是大有可為的,。
近兩年,，中美貿(mào)易關(guān)系出現(xiàn)了大問(wèn)題，我國(guó)需要進(jìn)口的中高端芯片被“卡脖子”了,，而處于產(chǎn)業(yè)鏈上游的半導(dǎo)體IP更是被美國(guó)監(jiān)管的重點(diǎn)對(duì)象,，高端IP進(jìn)口到中國(guó)市場(chǎng)的難度越來(lái)越大，以Synopsys為例,，很多IP產(chǎn)品不能再像以前那樣提供給中國(guó)本土客戶了,，例如華為海思，國(guó)內(nèi)IP短板在這種形勢(shì)下凸顯出來(lái),。面對(duì)這樣的局面,，很多在外企工作的中國(guó)半導(dǎo)體IP人心里很不是滋味，紛紛回國(guó)加入或創(chuàng)建本土IP企業(yè),。
未來(lái),，中國(guó)本土IP企業(yè)需要進(jìn)一步沉下心來(lái)，不甘寂寞地專注于高端,，特別是高速接口IP的研發(fā),。另外，國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域沒(méi)有起色的一個(gè)重要原因,，就是相關(guān)產(chǎn)品和專利被國(guó)際大廠壟斷了（中國(guó)市場(chǎng)90％的高端IP把持在國(guó)外大廠手中）,，在這種情況下，中國(guó)半導(dǎo)體IP人還不站出來(lái)的話,，中國(guó)高端IP產(chǎn)品缺乏迭代機(jī)會(huì)的局面就會(huì)永遠(yuǎn)保持下去,，那樣的話，這個(gè)產(chǎn)業(yè)很難發(fā)展起來(lái),。
近些年,，國(guó)際貿(mào)易限制激發(fā)了中國(guó)本土半導(dǎo)體IP企業(yè)的發(fā)展動(dòng)力，同時(shí),，一批新勢(shì)力也涌現(xiàn)出來(lái),。在接口IP領(lǐng)域，中國(guó)本土代表企業(yè)主要包括芯耀輝,、芯動(dòng)科技,、銳成芯微、納能微,、牛芯,、和芯微、芯思原,、燦芯等,。
如前文所述，高速SerDes接口IP已成為以數(shù)據(jù)中心為代表的HPC應(yīng)用的關(guān)鍵,。中國(guó)在這方面的代表企業(yè)是芯動(dòng)科技,，該公司可提供16／32／56／64Gbps多標(biāo)準(zhǔn)SerDes解決方案，25G／32Gbps SerDes已經(jīng)量產(chǎn),，56Gbps SerDes已經(jīng)發(fā)布,；另一家廠商牛芯半導(dǎo)體則推出了25／28／32Gbps的SerDes IP；燦芯,、和芯微可提供1．25Gbps－12．5Gbps多速率SerDes IP,。此外，銳成芯微,、納能微電子也有各種SerDes IP產(chǎn)品,。
與Chiplet相關(guān)的接口IP方面,，芯動(dòng)科技和芯原微電子已經(jīng)推出了相關(guān)產(chǎn)品。芯原是中國(guó)大陸首批加入U(xiǎn)CIe產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的企業(yè),，該公司推出了基于Chiplet架構(gòu)設(shè)計(jì)的高端應(yīng)用處理器平臺(tái),，該平臺(tái)12nm SoC版本已經(jīng)完成流片，正在進(jìn)行Chiplet版本的迭代,。
存儲(chǔ)接口IP方面,，以DDR接口為例，DDR PHY和內(nèi)存控制器是保證SoC和DRAM之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵,，隨著速度不斷提升,，DDR模塊的設(shè)計(jì)難度也隨之增加，IC設(shè)計(jì)企業(yè)對(duì)相關(guān)IP的依賴度不斷增加,。在中國(guó)DDR IP供應(yīng)商中,，芯動(dòng)科技的覆蓋面較廣，能支持的速率也達(dá)到了較高的水平,。
中國(guó)本土IP新勢(shì)力芯耀輝正在集中力量研發(fā)28nm／14nm／12nm及更先進(jìn)工藝IP,，該公司還開(kāi)發(fā)了DDR PHY IP產(chǎn)品，目前尚不清楚其所能支持的DDR應(yīng)用有哪些,。目前,，芯耀輝正從可靠的SI（信號(hào)完整性）和PI（電源完整性）分析、高可靠性訓(xùn)練設(shè)計(jì),、高性能DDR IO設(shè)計(jì)和多頻點(diǎn)快速切換這四方面入手,，攻克DDR PHY技術(shù)瓶頸。
此外,，燦芯和牛芯半導(dǎo)體也是中國(guó)本土DDR IP的重要力量,。
結(jié)語(yǔ)
在宏觀世界，萬(wàn)物互聯(lián)已經(jīng)成為全球IT界的共識(shí),，而在集成電路層面,，一個(gè)微觀的“萬(wàn)物互聯(lián)”世界正在形成，也就是說(shuō),，一個(gè)芯片上,，或一個(gè)類似于芯片的高密度封裝模塊內(nèi)，所要承載的功能塊越來(lái)越多,，這是應(yīng)用需求和技術(shù)發(fā)展共同作用的結(jié)果,。
集成電路的異構(gòu)，使得組成部分?jǐn)?shù)量不斷增加,，各個(gè)組成部分之間的連接需求愈加迫切,，傳統(tǒng)方法和技術(shù)已經(jīng)難以滿足這么多數(shù)量、這么高速度連接的要求,。這給半導(dǎo)體IP廠商提供了更多的發(fā)展機(jī)遇,，這其中,，接口IP是重中之重。
傳統(tǒng)上,，處理器IP是整個(gè)IP市場(chǎng)最大的一支,，但隨著異構(gòu)計(jì)算的崛起,，各種接口IP迎來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇,，這是一片藍(lán)海，誰(shuí)能夠看準(zhǔn)發(fā)展方向,，并抓住機(jī)遇,，只要找對(duì)了一個(gè)突破口，就有望在較短時(shí)間內(nèi),，實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展,，前文提到的Alphawave就是抓住了數(shù)據(jù)中心SerDes發(fā)展的窗口期，在很短時(shí)間內(nèi)市占率就達(dá)到了行業(yè)前四的水平,。相信類似的事情在今后會(huì)越來(lái)越多,。
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