一 集成电路与IP核技术

一 集成电路与IP核技术

1.1 什么是IP核

IP(Intellectual Property)，直译为知识产权。在集成电路（IC，Integrated Circuit）设计中，IP核是指已验证的、可以重复使用的具有某种确切功能的集成电路设计模块。例如Intel的处理器技术、Nvidia的GPU技术、TI的DSP技术、Motorola的嵌入式MCU技术、Trident的Graphics技术等。

这些模块是具有性能高、功耗低、技术密集度高、知识产权集中、商业价值昂贵等特点，并且是集成电路设计产业的最关键产业要素和竞争力体现。

集成电路是整个信息产业的“芯”，而IP又是这个“芯”的“核”，这就是所谓的IP核。

 

图1 集成电路芯片中的众多IP核

 

IP核，分为软IP (soft IP core )、固IP (firm IP core)和硬IP (hard IP core )。软IP是用某种高级语言来描述功能块的行为，但是并不涉及用什么电路和电路元件实现这些行为。固IP除了完成软IP所有的设计外，还完成了门电路级综合和时序仿真等设计环节，一般以门电路级网表形式提交用户使用。硬IP则是完成了综合的功能块，已有固定的拓扑布局和具体工艺，并己经经过工艺验证，具有可保证的性能。设计深度愈深，后续工序所需要做的事情就越少，但是灵活性也就越小。

从20世纪90年代至今，IC设计能力正在发生一次质的飞跃，即由ASIC（Application Specific Integrated Circuit，是一种为专门目的而设计的集成电路）设计方法向SoC（System on Chip，芯片级系统，也称片上系统）设计方法转变。SoC设计方法使IC设计开始进一步分工细化，出现了IP设计和SoC系统设计。在近些年全球IC市场低迷的情况下，IP核是不多的亮点之一。其实可以把IP核理解为一颗ASIC，以前是ASIC做好以后供人家在PCB（Printed Circuit Board， 印制电路板）上使用，现在是IP做好以后让人家集成在更大的芯片里。芯片性能越来越强，规模越来越大，开发周期越来越长，设计质量越来越难于控制，芯片设计成本越来越趋于高昂。根植于软件业面向设计模式的IP技术被认为是最有前途的方案，以解决当今芯片设计工业界所面临的难题。

1.2 我国集成电路行业发展概况

在各方利好的大环境下，近年来，我国集成电路行业呈现良好的发展态势。

图2 2011-2015年中国集成电路产业销售额 单位：亿元

资料来源：CSIA

 

2015年全球半导体企业并购风起云涌，2015年全球半导体并购交易总额达到了1200亿美元，比2014年全球半导体企业并购交易总额的380亿美元增长了3.2倍。受到国内“中国2025制造”、“互联网+”等新世纪发展战略的带动，以及外资企业加大在华投资影响，2015年中国集成电路产业保持高速增长。根据中国半导体行业协会统计，2015年中国集成电路产业销售额为3609.8亿元，同比增长19.7%。美国半导体协会(SIA)日前公布，全球半导体产业在2016年营收已来到3389亿美元，创下有史以来最高年营收纪录，相较2015年则微幅增加1.1%，其中以中国大陆市场的增幅最大，以9.2%领跑其它市场。

2016年我国集成电路产业主要有四大特点：

第一，产业规模继续增长，但进出口受经济下行压力影响较大。2016 年，中国人实现了里程碑跨越。2016年8月14日，中国半导体协会发布统计，大陆IC设计产值上季已超越台湾，上半年合计人民币685.5亿元，年增 24.6%，反超台湾，对台湾IC设计业威胁加深。

第二，技术水平和企业实力同步提升。在人才、资本、市场规模的持续积累和冲击下，例如中国的海思、展讯入围设计业10强，突破了14纳米技术壁垒，还在积极向10纳米发起冲击。

第三，国际合作持续推进，重点产品布局初步成型。《国家集成电路产业发展推进纲要》发布以来，海外龙头企业不断调整与我国合作策略，逐步由独资经营向技术授权、战略投资、先进产能转移、合资经营等方式转变，国际先进技术、资金加速向国内转移。

第四，国家基金对地方性基金撬动作用进一步凸显，适应产业规律的投融资环境基本建立。今年以来，国内陆续新增多支地方性集成电路产业投资基金，总规模已超过500亿元。

1.3 缺“芯”少“核”

IP核作为集成电路设计中最为重要的一部分，随着行业的迅猛发展及其日趋扩大的市场需求，IP核的市场也在稳步扩大，国内企业对IP核的数量、质量和服务的需求都在不断增加。

中国是全球最大的半导体市场之一，但是相对应的中国集成电路IP市场还不到全球市场的10%，仍属于起步阶段。

1.3.1 IP核的来源

IP核技术的自身特点决定了其主要有以下的几个来源：

来源一：芯片设计公司的自身积累。传统IDM（垂直整合制造）公司或Fabless（无晶圆）设计公司在多年的芯片设计中往往有自身的技术专长，这些技术成功地开发了系列芯片，并在产品系列发展过程中确立了设计重用的原则，一些成功设计成果的可重用部分经多次验证和完善形成了IP。这些IP往往是硬核，如果这类硬核作为可提供给其他芯片设计公司使用的IP，就成了商品化的IP。

来源二：Foundry厂的积累。Foundry厂商是没有自身芯片产品的芯片代加工厂，但Foundry厂商为了吸引更多的芯片设计公司投片，往往设立后端设计队伍，来配合后端设计能力较弱的芯片设计公司开展布局布线工作。这支设计队伍也积累了一定的芯片设计经验，并积累了少量的IP(主要是Memory、EEPROM和Flash Memory等)，这些IP可以被需要集成或愿意在该Foundry流片的公司采用。此外，IP专职供应商与主要的Foundry厂商有长期的合作关系，经过投片验证的IP可由Foundry厂向用户提供，IP专职供应商从中提取一定利润。

来源三：专业IP公司。这是20世纪90年代中期兴起的，迎接SoC时代到来的设计公司。这类公司的特点是已经认识到将自身多年积累的IP资源转化成商品的商业价值，因此，它们不仅提供已经成熟的IP，同时针对当前的技术热点、难点开发芯片设计市场急需的IP核。

来源四：EDA（Electronic Design Automation，电子设计自动化）厂商。主要的EDA厂商为了提供更适合SoC设计的平台，在其工具中集成了各类IP核以方便用户的 IP嵌入设计，这些IP核基本是以软核形式出现。EDA厂商也并不直接设计开发IP核，而是与一些提供IP软核的设计公司合作，提供一种集成IP核的设计环境。

来源五：设计服务公司。芯片设计服务公司是目前能立即向国内IC设计公司提供IP硬核的最主要途径，除了自身积累的IP外，通过与IP专业供应商的战略合作关系向国内用户提供各类 IP。芯片设计服务公司是与用户直接打交道的，它们了解市场需求的IP类型，其IP资源库中积累的往往是最实用的IP。

1.3.2 国内IP核市场现状

根据对国内IC设计公司的调查，主要的IP应用领域集中在以下几个范围：数字音视频、移动通信和无线通信、汽车电子、信息家电、信息安全和3C融合。根据CSIP（工业和信息化部软件与集成电路促进中心）的IP需求调查，IP交易领域主要集中在三个方面：一是开发难度较大和应用复杂的高端CPU和DSP;二是标准的接口IP(例如USB接口、PCI Express等);三是模拟IP(如PLL，ADC等)。这三类IP需求占到总需求的一半多。而其他的交易类型如标准的内存模块，以及一些面向特殊应用的IP，则占据国内需求的三分之一。

图3 国内IP主要交易领域

 

2012年，CSIP对随机抽取的样本企业的IP核采购金额进行调查，包括基本授权费(License Fee)和基于版税(Royalty)的。综合考虑样本企业的研发投入、销售额、产品类型，预计出当年国内IP核市场规模约为10.7亿元。其中，约40%是嵌入式CPU的License和Royalty，另外两类需求比较大的是高速串行接口和模拟混合信号IP核。

2012年的调查表明，大部分国内设计企业积累的IP核数量在10个以下，与2011年的调查结果较为接近。同时，拥有20个以上IP核的企业只有12%，没有IP核的企业约占13%。

图4 我国IC设计企业的IP核数量 数据来源：CSIP，2012.11

 

同时，国内IC设计公司购买IP核的支出相当高。在有效样本中，近半数企业采购IP核的支出占项目总预算的比例在20%以下。值得注意的是，38.7%的企业的IP核采购支出占预算的比例在20%-40%。与2011年的调查数据相比，总体情况是相当接近的。变化比较大的是未使用IP核、采购比例超过40%的情况。未使用第三方IP核的比例占到近10%，主要是设计模拟类产品的公司，大量投入购买IP核的比例由18.4%降至3.2%。

图5 国IC设计企业的IP核支出占项目预算的比例 数据来源：CSIP，2012.11

 

近四年来，尽管我国的集成电路产业取得了蓬勃的发展，但是由于IP核技术需要一定时间和能力的积累，我国无论是IC设计企业还是生产制造企业还是EDA厂家，都没能实现IP核技术的快速增长积累和发展。