9月15日是“薛定諤的iPhone12”發(fā)布前夜，也是華為芯片被斷供的首日。在中美貿(mào)易戰(zhàn)，美國相繼將中國高科技企業(yè)列入實體清單，以及華為招到美國全方位科技封鎖的背景下，“***”的概念被帶火。

據(jù)悉，中芯國際（SMIC）和中國第一家3D NAND閃存制造商長江存儲近期都制定了去美計劃，加緊測試自主研發(fā)生產(chǎn)線中的非美設(shè)備。中芯國際今年年底之前準備鋪設(shè)無美國設(shè)備的40nm芯片生產(chǎn)線，并計劃在三年內(nèi)在相同的基礎(chǔ)上研發(fā)更先進的28nm工藝。與此同時，長江存儲準備在不遠的將來把國內(nèi)設(shè)備替代率從30%提高到70%，并且有計劃地將更多內(nèi)地公司納入其供應商序列。

***/芯片制造設(shè)備、操作系統(tǒng)和EDA工具以及MATLAB等***的話題，《EDN電子技術(shù)設(shè)計》此前都有報道過。今天我們就來聊一聊另一個掣肘中國半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的利器——IP核，在這方面中國現(xiàn)在又發(fā)展到了什么階段？

什么是IP核？

有人說，如果說***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都不為過。首先來看一下，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：功能/性能定義（需求分析）、IC設(shè)計（集成電路設(shè)計）、IC制造（***部分）、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，它要性能指標要達到什么樣的要求。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行64位數(shù)據(jù)，這個數(shù)字越大說明單次可以運行的數(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***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***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。

IP核對于整個半導體行業(yè)都非常重要，尤其是在近年來產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展及全球?qū)χR產(chǎn)權(quán)越來越重視的情況下。它于上世紀70年代誕生，隨著芯片設(shè)計的不斷演進，IP核也發(fā)生不斷的變化。最早，各半導體公司有一個內(nèi)部的IP核部門，專門來開發(fā)維護特定功能的IP核，如接口IP、存儲IP、安全IP等等。但伴隨SoC設(shè)計復雜度上升與上市時間要求縮短，第三方IP供應商開始出現(xiàn)。由于economic of scale，它們在成本、性能上具有優(yōu)勢明顯，因此很多半導體公司開始采用外部第三方IP核，并消減內(nèi)部在IP核上的研發(fā)投入，IP核產(chǎn)業(yè)從而不斷壯大。

過去10年來，IP核市場的年復合增長率超過10%。其增長主要伴隨著市場上新應用、新產(chǎn)品產(chǎn)生的新需求——無人駕駛、AI芯片、5G、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等新興技術(shù)發(fā)展，推動了IP核迅速且更加個性化的（針對應用）發(fā)展。IP核的復用（reuse）是提高片上系統(tǒng)的設(shè)計效率、縮短設(shè)計周期的關(guān)鍵。從整個市場來看，在沒有全新IP核的情況下，整個行業(yè)的發(fā)展速度都將受到阻礙。

那么，哪些公司在做IP核呢？這段時間軟銀集團欲出售的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年半導體IP供應商營收前十，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)界譽為“中國半導體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)鍵的路徑進行預先的布局布線，而其他部分仍然可以任由編譯器進行相關(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，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，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核的強大之處就在于這些它都幫你驗證好了。

下面是一張系統(tǒng)SOC結(jié)構(gòu)的示意圖，它是一種實現(xiàn)復雜系統(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。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?，因為Arm的大股東軟銀公司準備將它賣了。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，那相當于站隊了，其他芯片公司就會有擔心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CPU基本上一家獨大），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被芯片廠商英偉達收購，則對Arm來說是個災難。

國產(chǎn)IP核之路，任重道遠

有著“中國半導體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)?；旌螴P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)驗非常寶貴，因為它知道哪些IP是目前沒有辦法介入，半導體哪些領(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)的全新機遇，RISC-V是第五代基于RISC（精簡指令集計算機）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?！?/p>

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，在半導體產(chǎn)業(yè)中IP的毛利率是產(chǎn)業(yè)之最，高達90%以上（***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時代叱咤風云，Arm靠RISC在移動互聯(lián)網(wǎng)時代處于浪潮之巔，如今已進入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。