近年来中国半导体行业的飞速发展,让全行业对IP的需求进入爆发式增长时期,鉴于外商市占率超90%,中国急需自主研发的先进IP技术和产品。需要正视的是,国内IP企业虽然正在向国际领先IP厂商全面追赶,但行业整体底子还较为薄弱,要从成熟的IP标准上超越难度很大。业界普遍认为利好国产IP行业的新趋势包括Chiplet、RISC-V以及一些定制化IP等……

芯片,应该是目前人类能够创造最精密、内部最宏大的技术工程。其内部宛若一个微缩的城市,而建成这个城市需要的一砖一瓦都是标准化的“预制件”——半导体IP(Intellectual Property),这些经过验证的、可重复使用且具备特定功能的“预制件”,以搭积木式的开发模式帮助缩短芯片开发时间、降低研发风险。

根据WSTS的数据,芯片设计IP销售额在2021年达到54.5亿美元。今年5月,国际研究机构IPnest发布了“2021年设计IP报告”,对全球IP供应商进行了排名,包括按营收排名,按许可排名,按版税排名。

如图所示,在前十名中Arm依然坐稳IP头号交椅,市场占有率更是高达40.4%。排名第二第三的是两家EDA厂商Synopsys和Cadence。可以看出,全球主要的IP供应商主要来自英美,尤其是在高端CPU、GPU等核心IP和IP-芯片-应用一体化生态上,国际大厂已经形成了较高的技术壁垒。

近年来中国半导体行业的飞速发展,让全行业对IP的需求进入爆发式增长时期,鉴于外商市占率超90%,中国急需自主研发的先进IP技术和产品。需要正视的是,国内IP企业虽然正在向国际领先IP厂商全面追赶,但行业整体底子还较为薄弱,要从成熟的IP标准上超越难度很大。更好的办法是在新兴技术上寻求突破,利用好国内半导体设计和应用企业数量众多的优势,下游驱动上游,加速迭代。

业界普遍认为利好国产IP行业的新趋势包括Chiplet、RISC-V以及一些定制化IP等。虽然国内企业在IP to C(消费类)领域失去了先发的软硬件生态优势,但在目前中国高速发展的智能驾驶、安防监控、物联网等IP to B(行业类)单一应用场景却有着后来者的优势,因为这些新领域还尚未形成垄断型的软硬件生态。

在8月25日举办的中国集成电路设计创新大会暨IC应用博览会(ICDIA 2022)上,奎芯科技产品副总裁王晓阳,奎芯科技市场及战略副总裁唐睿,芯动科技VP/技术总监高专,芯耀辉技术支持总监刘好朋,芯联芯市场开发及销售总监王炳立以及安谋科技产品研发负责人刘澍接受了《电子工程专辑》等媒体的采访。大家就Chiplet的IP复用、标准选择、商业应用场景,RISC-V与MIPS架构在中国的前景进行了讨论,对于IP供应商与中国本土IC设计公司的合作也分享了心得。

Chiplet是整个半导体行业的新契机

鉴于美国政府当前对中国科技企业的打压政策,一些涉及先进工艺的技术面临封锁风险。对于渴望创新的中国半导体厂商来说,如何利用好Chiplet技术,使IP复用和硬件化用于异构集成,是加快下游企业迭代、实现多元化创新并提高良率、降低成本的重要一环。

芯科技市场及战略副总裁唐睿

如今摩尔定律走到尽头,一些大芯片利用工艺提升性能的方式也走到了极限,唐睿认为,在这种前提下要实现降本增效,Chiplet可能是一条必由之路,因为“如果加快芯片设计和迭代速度,本质上就会加快整个行业的进展。中国软件行业之所发展比较快,就是凭借了应用驱动的迭代速度,在某些领域逐步追上甚至赶超国际大厂。”

王晓阳认为,当前国内IP公司最紧要的任务是全面覆盖半导体IP的种类和制程,这样未来才有机会在国产制程上为上下游客户提供更好的解决方案。“留给我们的时间不多了,Chiplet可以加快这一进程。IP公司则是做Chiplet较好的独立第三方,不管面对IC设计公司、Foundry还是终端厂商都可以起到承上启下的作用。”

芯动科技则是极少数成功量产Chiplet的技术提供商之一,在两三年前已经布局Innolink™ Chiplet互联接口的研发,发布了支持Interposer、Substrate和PCB等3种互联方式的自研Innolink A/B/C IP。高专表示,今年发布的Chiplet快速互连(UCIe)1.0规范,与芯动Innolink方案架构基本一致,“从多年来对各种应用场景的分析和开发来看,我们认为,使用Chiplet互联最理想的环境就是采用UCIe这样的公开标准,统一标准无疑将实现对大芯片生态更强的赋能。不同芯片只要遵循协议就可以实现互联。”

过去大家做芯片,往往是基于内部IP自己的接口协议,仅仅实现自有功能的互连,没有标准的连接协议。UCIe规范的发布对于所有芯片和IP厂商来说是一个丰富芯片功能、寻找更多增量市场的契机。

“通俗来说,如果客户的CPU芯片支持UCIe标准,芯动的IP也支持这个标准,那么就能更方便地在客户的产品上增加更多feature(功能)。所以Chiplet的思路是用UCIe的统一标准定位更好的应用场景、找到最佳的芯片功能组合;而不是为了做Chiplet,硬生生地把应该在一起的芯片拆成两个或者几个。”高专说道。

芯动科技VP/技术总监高专

Chiplet用全球标准,还是自家标准?

其实在UCIe发布之前(2022年1月),国内也在着手定制自己的Chiplet标准。2021年5月,中国计算机互连技术联盟(CCITA)在工信部立项了《小芯片接口总线技术要求》,由中科院计算所、工信部电子四院和国内多个芯片厂商合作展开标准制定工作。

目前,该标准的第一版草案已经完成,按照流程应在2022年第一季度,在工信部中国电子技术标准化协会网站上挂网征求意见,第二季度完成技术验证计划制订,年底前完成技术验证,并完成标准文本的确定,进行初版标准的发布工作,首个版本发布即可用。

国内标准与现有的UCIe标准,两者有何异同?如果同时发展下去,会不会在半导体行业内出现割裂现象? 

对此王晓阳认为,两个标准在底层上不会有太大区别,区别主要体现在上层协议中。UCIe的上层协议主要是英特尔集成的PCIe,“本质上里面有着商业利益的驱动,希望将其他厂商聚集到自家生态下来,一方面扩大了x86 IP核的授权,另一方面可以为这些Chiplet产品做代工生产及封装。”

而中国做自己的Chiplet标准,想要达到的目标不是非此即彼,是可以在底层兼容甚至覆盖UCIe后,再在上层协议中针对不同的场景做差异化。“我们不一定完全跟着UCIe走,可以做出自己的一致性协议,”王晓阳说到,“中国人做事一直比较包容,可以在兼容国际标准的前提下,做出自己的标准。我们的思路是即便有一天国际标准不对华开放了,也不会被卡脖子。”

奎芯科技产品副总裁王晓阳

刘澍也认同这种两条腿走路的做法,“国际上可以有一个技术标准和联盟,国内同行也能走出自己的一片天地。” 安谋科技是UCIe联盟会员,同时也加入了国内的Chiplet联盟,两个联盟都在探索和定义 die-to-die(裸片到裸片)或chip-to-chip(芯片到芯片)之间的物理层、协议层实现。

“我们希望在技术上,中国小芯片联盟和UCIe是相通的,但在很多标准和定义上国内需要自主可控,通过两条腿走路就可以达到目的。” 刘澍以服务器处理器为例,Arm此前在全球推广基于标准的Server Ready合规计划,旨在帮助用户安全、合规地部署Arm服务器系统。同时在国内还有绿色软件联盟,帮助定义中国Arm服务器软件生态标准,“我们希望在这样的架构和生态上让大家健康发展,无论在国内还是国际,都达到技术相通但自主可控的目的。”

Chiplet要靠商业和技术双驱动

标准有了,接下来就是产品的量产和商业化。目前低端芯片对Chiplet还没有太多需求,市场上主要是大芯片公司、晶圆代工、封测厂商主导,这里就涉及到各公司之间利益和开放性的问题。早在2017年,美国就成立了一个针对Chiplet互连标准制定的组织ODSA,他们曾提出Chiplet market的概念,即未来Chiplet市场会像淘宝一样,买不同的模块、IP回来自己组装。

但王晓阳认为,实现这种“淘宝”难度很大,因为不是每一家公司都拥有“组装”库和组装能力,所以Chiplet当前更依赖Foundry。“我个人的理解,Foundry作为一个商铺,大家把自己的组装部件放在他那供选择。但Foundry最大问题在于看不到系统层面,所以需要IP公司这样的第三方,去了解客户要什么?芯片能做成什么样?从系统设计到封装设计都安排好,Chiplet的未来应该是合作的形态,而不是一家搞定。”

从这个角度来看,Chiplet的流行会给对IP厂商业务带来极大的促进。原先芯片设计公司支付IP授权费,都是绑定研发一款芯片支付一次,除了Arm很少有公司按销量收取Royalty(版税)。“如果做成Chiplet,IP授权的商业模式会改变,不再跟设计绑定,而是跟销量绑定的。”唐睿说到,这样也增加了风险,“因为IP企业也要开始控制自己的供应链,要预测芯片销量,对客户要更有选择性。总体上IP企业的收入会增加很多,但是利润率会略微下滑。”

谋科技产品研发负责人刘澍

Chiplet作为一种可以帮助产业升级和跨越摩尔定律的技术,无疑是非常有前景的,但我们不能将它作为帮我们填补与国外芯片厂商差距的杀器。刘澍认为,既然我们能够把14nm拼出7nm的效果,国外也可以把3nm拼出1.5nm效果,“这不是让我们弯道超车的杀器,但它是可以让我们短期跨越摩尔定律、跨越算力极限的方式。”

虽然Chiplet是Die-to-Die、chip-to-chip的设计,但会对整个芯片的拓扑结构带来很大影响。现在一颗大芯片里几十个、上百个Arm内核很常见,再加上几百T的NPU和网络数据传输功能,未来不大可能全集中在一个SoC中。尤其是在工艺瓶颈制约下,做成Chiplet是必然性的结果。这里还涉及到memory的分配,需要针对不同的内核,将不同类型的算力分割开来。中间还有物理层和协议层互联问题,外面还有吞吐量和数据交换的问题需要解决。

“这些跟IP核、EDA工具、验证、生产制造环节紧密相关,我们需要根据上述约束条件去调整IP核。” 刘澍说到,“Arm是片上互联的最大的IP提供商,现在要把它变成片间的Die-to-Die协议,就需要在IP协议和传输层上做很多适配来创新,包括跟Foundry、EDA工具商的配合,让他们的生产和验证得到充分保障。”

Chiplet这条路才刚开始,其本身的成熟发展和成本降低也会需要较长时间才能看到,刘澍认为这个时间可能在一到两年。在这之前,需要国内外联盟、IP厂商、EDA厂商、芯片厂商、设备厂商和Foundry之间更多的合作。

在王晓阳看来,Chiplet并不是为了证明自己能而做,一定需要商业和技术双驱动。商业驱动主要是基于成本考虑,而技术驱动则是在先进工艺来到5nm以下后,很多I/O接口和混合信号接口没有办法继续用先进工艺做下去,不得不单独拿出来用成熟工艺做。

相较于RISC-V,MIPS风险更低?

近年来国内最热的CPU架构非RISC-V莫属,这是一种基于精简指令集(RISC)原则的开源指令集架构(ISA)。不过RISC-V并不想开源软件那样“开源代码”,而是一个开放的标准,其管理者RISC-V基金会仅负责维护Specifcation(指令集架构标准),并不维护Source code(源码)。

这意味着RISC-V CPU的具体实现,仍需要可靠、高质量的商业化解决方案。其优势在于与大多数指令集相比,RISC-V指令集可以自由地用于任何目的,允许任何人设计、制造和销售RISC-V芯片和软件而不必支付给任何公司专利费。但是RISC-V的作者们可以在BSD许可证之下自由进行的CPU设计,该许可证允许RISC-V芯片设计等衍生作品可以像RISC-V本身一样公开开源发行,也可以是闭源或者是专有财产。

“实际上,MIPS和RISC-V的相似度非常高,MIPS的出现甚至更早,具备更完整的生态,指令集的丰富程度也更好。” 王炳立说到。

芯联芯智能科技有限公司成立于2018年12月,虽然成立时间不是很长,但该公司已经获得了MIPS中国所有的知识产权和永久性经营权,拥有能够支撑SOC全系列的IP产品。MIPS是曾经的三大CPU架构之一,仅次于x86和Arm,在当前中国集成电路产业的大好形势下,也是一种较为自主可控的CPU IP,配合国内的优质芯片设计服务,能够很好地解决国产化问题。

芯联芯市场开发及销售总监王炳立

王炳立表示,芯联芯拿到的MIPS知识产权包含对于原始架构的延伸权,可以在原架构基础上合理、合法地增加和减少指令,并在原微架构上做更新。“这种更新主要基于MIPS原始指令集,针对当前应用热点进行新开发。另一方面,MIPS提高CPU性能的方法有单线程、多线程,或单发射、多发射、乱序再流水线加深等。尤其是开发高端CPU时这几点很重要,我们正在持续地优化性能,以针对特定市场开发更好的CPU IP。”

对于RISC-V,芯联芯也做了较多研究,包括分析相似、缺乏的指令,并在一些指令上做改进。目前芯联芯客户的大部分应用是基于MIPS架构,紧密关注RISC-V的发展也能给他们一些参考,保证客户CPU产品具备更完善的专利保护。

很多人以为RISC-V像Linux一样开源,但事实上Linux拥有独立的专利保护组织OIN社区(Open Invention Network),加入其中的厂商会承诺互不侵犯专利权。MIPS也有类似保护专利的组织,“所以采用MIPS CPU,对于专利保护会更好。” 王炳立说到。

2018年6月,Wave Computing收购了MIPS公司;2018年12月,Wave正式宣布即将开放MIPS架构;2020年8月,芯联芯取得MIPS 科技公司的核心技术永久商业授权……在经历的过去几年的波折后,MIPS架构终于迎来了自己的春天。

王炳立透露,芯联芯收购MIPS时,中国区的销售量是6830万颗IP,到2021年已经达到1.73亿颗,而在2022年上半年又超过了这个数据。

最后在高性能产品上,MIPS也有布局16集流水线,除微架构设计外, CM模块设计也具备丰富经验,可以在原始基础上再做演进。

与国内IC设计公司紧密合作

当前虽然国产的EDA、IP产品已经取得不错的成绩,但国内用户在采用时仍有一些顾虑,尤其是直接集成到芯片中的IP,一旦出问题就需要对芯片重新配套。如何打消芯片厂商的顾虑?刘好朋分享了他业务一线的经验,芯耀辉的做法主要有几方面:

芯耀辉技术支持总监刘好朋

第一,本土IP产品要向引导业界的厂商看齐,要能超过他们或至少达到同一水平。开发IP时就要确保这个IP能给客户产品带来优势,客户才有交流下去的意愿,IP才能做进一步技术上的规划。

第二,客户在采用新IP时会面临成熟化问题。这种情况下,IP厂商要和客户保持紧密合作,在开发IP的过程中就给客户一定的成熟度,让客户了解开发过程中的质量能否达到客户期望。

第三,要做进一步的IP服务。国外巨头在国内的IP市场份额超过90%,但是国外厂商相较本土厂商,其实没那么接地气,国内客户要求的差异化服务,国外厂商往往不愿意承接。作为本土IP供应商,“芯耀辉更愿意贴近客户,根据客户要求,结合SOC知识做子系统、硬化之类的定制化。一直到后期的芯片调试等,都能给客户更好的体验。”

但是定制化和通用性之间存在矛盾,如何平衡两者需要找到一个最好的点,刘好朋认为这也是国产IP厂商需要考虑的。

王晓阳认为,国内目前已具备相当的芯片设计水平,更需要解决的是如何把芯片设计落地,其中涉及到生态建设、软件开发等。对于IP公司来说,需要在这个领域更多能为国内芯片公司赋能,把分工细化。

无论初创还是成熟的芯片设计公司,很多团队都在做重复的事。比如做一款SoC,买回IP后做集成这一系列动作,几乎每家都一样,那么这些公司的核心优势护城河就在于软件和生态。以AI芯片公司为例,算法、软件做得好就是竞争力,如果SoC硬件大家都差不多,不如将这部分业务剥离给专业的公司做,芯片设计公司则专注核心业务。

唐睿认为半导体产业是下游驱动上游,IP、EDA等产业链上游要解决的是工程问题,不是科学问题,而工程问题恰好是最需要磨合的。国外厂商相较于国内的优势在于拥有多代产品迭代经验,客户在使用过程中不断发现、解决问题。“本土厂商现在面对最佳的国产替代机会,有大量IC设计公司愿意采用国产IP和工具,这是长足的进步。”

刘澍曾在Arm工作14年,现在在安谋科技也工作了4年,从他个人体会来说,这两个角色已经融为一体。安谋科技作为合资公司,有两个最主要使命:一是把Arm的国际先进技术带到中国来;二是让中国产业继续和国际保持接轨,并且参与到全球的生态建设和产品竞争中去。

完成这两个使命对中国半导体产业很关键,刘澍认为,中国目前整个半导体产业一个明显趋势是“小公司办大事,大公司带方向”,几千家初创公司中不乏做EDA、大芯片、材料的,“这些小公司都是很小的规模,但要完成很大的历史使命。过去国内公司总是参照苹果、高通、英特尔这些公司,现在要看中国的大公司如何带领整个产业往前走。”

IP供应商能做的,首先是积极和国内大企业、大公司合作,开发出优于国际公司的解决方案,一起向一流国际公司发起挑战;对于小公司,Arm和安谋科技也开发一整套IP计算引擎,用各种类型的产品服务于这些要办大事的小公司。刘澍说到,“小公司不可能像大公司一样花大量资源和时间把底层技术全部累积好,我们帮他们累积好了,可以快速地帮他们快速推出方案。”

哪些应用最能拉动IP市场?

那么IP厂商的用户——芯片公司,最关心什么问题呢?无疑是什么应用最能拉动需求。这两年,新能源车、HPC(高性能计算机群)是最热门的赛道,几年前火爆的手机行业则呈现下降趋势。

高专认为,考虑到将来AI应用普及会推动大量视频、数据计算上云,对算力的需求非常大,整个HPC应用前景良好。而且从台积电的财报可以看出,其HPC业务已经超过手机,呈现持续强劲增长态势。“但是HPC涉及先进工艺大芯片,国内虽然芯片设计公司众多,但量产使用先进工艺大芯片的还比较少,未来这会是国内芯片的主战场。”对此,芯动未来也会充分发挥其在高性能计算领域的全球竞争优势,尤其是最前沿的全系高端DDR、高速SerDes和Innolink™ Chiplet等高性能“三件套”核心IP,为国内先进工艺大芯片提供先进技术和量产助力。

总在国产替代的大潮下,高速互联IP仍是相对蓝海的市场,虽然从下游市场的调研数据中,数据中心在近期稍有下滑,但比起消费类电子来说可以忽略不计“(数据中心)其实还是相对比较稳定上升的市场,而其中最需要的就是互联IP,” 唐睿说到,做算力的扩展就必须有互联技术,这是现在数据中心的刚需。

车用芯片更是不折不扣的当红炸子鸡,哪怕在今年半导体产业整体下滑的情况下,车用市场依旧在往上走。原先消费类电子芯片可能占晶圆的一半用量,未来则是数据中心、车用和消费类电子三分天下的格局,“互联IP基本上也是往这个格局在走,而且是蓝海市场,有更大的机会。” 唐睿说到。

刘澍表示,安谋科技内部有一整套完善的车规IP流程,包括在中国开发的CPU等产品都已过车规。“这套流程会视客户需求提供,如果需要可直接做成车规产品;如客户没有know-how,我们也会把做过的流程和相关知识传导给客户,帮助他完成更好的芯片。”

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  • 连MIPS的拥有者都抛弃MIPS去搞RISC-V了,  MIPS早就是昨日黄花了.
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