從集成電路產(chǎn)業(yè)構(gòu)成來(lái)看，IP屬于底層技術(shù)，非常關(guān)鍵。值得一提的是，通常留給設(shè)計(jì)者完成熱門IC設(shè)計(jì)的周期一般只有3個(gè)月，但I(xiàn)C的復(fù)雜度以每年55％的速率遞增，設(shè)計(jì)能力每年僅提高21％，因此，IP的復(fù)用可以大大節(jié)約時(shí)間。
數(shù)據(jù)顯示，去年全球50億美元的IP銷售額帶動(dòng)了5000億美元的全球半導(dǎo)體銷售額，換言之每1美元的IP支出能夠帶動(dòng)和支撐100倍價(jià)值的芯片市場(chǎng)。從市場(chǎng)價(jià)值來(lái)看，IP的全球市場(chǎng)規(guī)模約為50億美元，撬動(dòng)著6000億美元的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)不斷向前發(fā)展。
接口 IP 市場(chǎng)從 2017 年到 2021 年以 21％ 的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，我們回顧了這個(gè)市場(chǎng)的一部分僅限于 PCIe、DDR、以太網(wǎng)和由 PHY 和控制器組成的D2D IP，它們目標(biāo)是最先進(jìn)的技術(shù)節(jié)點(diǎn)和最新的技術(shù)節(jié)點(diǎn)協(xié)議發(fā)布。為此，我們認(rèn)為，專注于高端互連 IP 投資的 IP 供應(yīng)商可以在2022 年至 2026 年以 75％ 的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。
國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體IP已經(jīng)覆蓋處理器和微控制器、存儲(chǔ)器、外設(shè)及接口、模擬和混合電路、通信、圖像和媒體等各類IP。但是本土IP產(chǎn)業(yè)的規(guī)模并不大，國(guó)內(nèi)如何突圍現(xiàn)在的“卡脖子”現(xiàn)狀呢？
01
IP動(dòng)力來(lái)源
2010年初，接口IP一直以無(wú)線移動(dòng)為主，其收入的很大一部分來(lái)自該細(xì)分市場(chǎng)。高端手機(jī)在2010年底依然充滿活力，2020年則擁有了很多接口IP，如LPDDR5X、MIPI攝像頭／顯示接口、PCIe 3／4、UFS 3．1、eUSB和USB 3．1／DP，但諸如HPC、數(shù)據(jù)中心、人工智能或存儲(chǔ)等數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域正在蓬勃發(fā)展，并維持了 DDR 內(nèi)存控制器（DDR5、LPDDR5、HBM）、PCIe 和 CXL 等協(xié)議的增長(zhǎng)（當(dāng)汽車和移動(dòng)設(shè)備仍在使用 PCIe 3 ／ 4 時(shí)，數(shù)據(jù)中心采用 PCIe 5 ） 和以太網(wǎng)／SerDes（2021 年開始的 112G SerDes 設(shè)計(jì)意義重大）。
十年前，“一站式”（One－Stop－Shop）模式是 IP 廠商的口頭禪，這一戰(zhàn)略對(duì) Synopsys 也極為有利，他們?cè)诮涌?IP 類別中也占有 55．6％ 的市場(chǎng)份額。我們看看其他遵循“一站式商店”模式的供應(yīng)商，擁有 14％ 市場(chǎng)份額的 Cadence 、擁有 3．4％ 市場(chǎng)份額的 Rambus 都沒(méi)有 Synopsys 成功。
下游數(shù)據(jù)爆發(fā)性增長(zhǎng)需要更高的帶寬來(lái)滿足數(shù)據(jù)交換的需求，更高速的接口協(xié)議應(yīng)運(yùn)而生，接口IP市場(chǎng)得到快速發(fā)展。2019年有線接口IP約占全球IP市場(chǎng)22．1％，為8．7億美元，占比相對(duì)于2018年提升2％，是增速最快的IP市場(chǎng)。
IPnest曾分析，從現(xiàn)在到 2025 年，接口IP將保持極高的增長(zhǎng)率。根據(jù)IPnest提供的數(shù)據(jù)，接口IP 供應(yīng)商在2020年的收入總額為10．68億美元，而2019年這個(gè)數(shù)據(jù)為8．72億美元，同比增長(zhǎng)率為22．4％，并確認(rèn)增長(zhǎng)會(huì)是長(zhǎng)期的跡象。
接口IP的增長(zhǎng)動(dòng)力是來(lái)自以數(shù)據(jù)為中心的應(yīng)用、超多純量（hyperscalar）、數(shù)據(jù)中心、存儲(chǔ)、有線和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)以及新興的人工智能的需求。所有這些應(yīng)用都需要越來(lái)越高的帶寬，從而推動(dòng) PCIe、以太網(wǎng)和 SerDes 或內(nèi)存控制器 IP 等接口協(xié)議的增長(zhǎng)。從熱門細(xì)分市場(chǎng)也可以看出，5G、汽車電子、IoT、AI、云計(jì)算等領(lǐng)域，都需要多種不同協(xié)議的接口IP。
02
如何掌握接口IP市場(chǎng)？
隨著摩爾定律的持續(xù)演進(jìn)，芯片的集成度越來(lái)越高，設(shè)計(jì)復(fù)雜度和難度也隨之水漲船高，IP在芯片設(shè)計(jì)中的重要性愈發(fā)凸顯。如今，以IP復(fù)用為基礎(chǔ)的SoC開發(fā)已成為業(yè)界主流。
在數(shù)字化轉(zhuǎn)型的趨勢(shì)下，大規(guī)模數(shù)據(jù)處理和計(jì)算需求激增，接口IP技術(shù)對(duì)于高性能計(jì)算的重要地位不斷推高其市場(chǎng)規(guī)模，現(xiàn)已成為市占率第二的IP種類。據(jù)IPnest預(yù)測(cè)，2025年接口IP市占率有望超過(guò)CPU，成為排名第一的IP品類，而未來(lái)接口IP市場(chǎng)增量將主要來(lái)自與數(shù)據(jù)中心關(guān)聯(lián)度較高的PCIe IP、DDR IP以及以太網(wǎng)／D2D。
在50億全球IP市場(chǎng)需求中，當(dāng)前大部分仍由全球較領(lǐng)先的公司提供。而這50億美元需求中，中國(guó)市場(chǎng)約15億美元，占比30％；15億美元的中國(guó)市場(chǎng)中，中國(guó)本土IP公司的自給率還不到10％。
國(guó)內(nèi)IP廠商雖然目前規(guī)模有限，不過(guò)就產(chǎn)品種類而言，國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體IP已經(jīng)覆蓋處理器和微控制器、存儲(chǔ)器、外設(shè)及接口、模擬和混合電路、通信、圖像和媒體等各類IP。雖然國(guó)內(nèi)芯片設(shè)計(jì)公司的增長(zhǎng)加大了對(duì)IP的需求，但目前仍以購(gòu)買國(guó)外IP為主，本土IP產(chǎn)業(yè)的規(guī)模并不大。
DDR IP迎來(lái)快速發(fā)展
隨著5G通訊、物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)駕駛、人工智能等應(yīng)用蓬勃發(fā)展，暴增的數(shù)據(jù)量對(duì)計(jì)算性能、存儲(chǔ)容量、數(shù)據(jù)傳輸速率都提出了更高要求。除了CPU核及運(yùn)算密度，大容量?jī)?nèi)存與儲(chǔ)存裝置、內(nèi)存數(shù)據(jù)存取能力也成為數(shù)據(jù)中心的核心，推動(dòng)內(nèi)存處理接口IP——DDR IP需求迅猛增長(zhǎng)。
時(shí)下，DDR總線標(biāo)準(zhǔn)逐漸演進(jìn)，自DDR3 至DDR4／DDR5，最高速率從2133Mbps提升至3200－6400Mbps，容量也由8Gb提升到16－64Gb，支持更高帶寬、更高速存取及更高內(nèi)存密度的需求。
國(guó)內(nèi)DDR IP供應(yīng)商中，芯動(dòng)科技是DDR代際品類和覆蓋面相對(duì)較全的IP公司，所能支持的速率也達(dá)到了較高的水平。芯動(dòng)科技的存儲(chǔ)接口IP全面支持JEDEC DDR5／4／3／2、LPDDR5X／5／4X／4／3／2、HBM3／2e，均包含PHY和控制器IP。此外芯動(dòng)科技還是從GDDR5到GDDR6X全覆蓋的IP廠商，據(jù)其官網(wǎng)所述，GDDR6X是世界上第一個(gè)經(jīng)過(guò)硅驗(yàn)證且的商用GDDR6／6X IP，為全球高性能芯片公司提供了重要的接口技術(shù)。芯動(dòng)的合作伙伴美光在官網(wǎng)撰文表示，“這個(gè)IP改變了人工智能版圖”！
除了DDR IP之外，高速SerDes接口IP已經(jīng)成為了近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。在這方面，國(guó)內(nèi)的芯動(dòng)科技可提供16／32／56／64Gbps多標(biāo)準(zhǔn)SerDes全套解決方案，并已實(shí)現(xiàn)了最高5nm的設(shè)計(jì)，其中25G／32Gbps SerDes已經(jīng)量產(chǎn)，56Gbps SerDes已經(jīng)發(fā)布，64Gbps SerDes即將發(fā)布，正在攻克112Gbps SerDes技術(shù)。牛芯半導(dǎo)體可支持25／28／32Gbps的速率。和芯微與燦芯能為客戶提供1．25－12．5Gbps多速率SerDes IP方案。納能微電子有0．6G－12．5G通SerDes IP核。銳成芯微的SerDes IP最高速率可達(dá)16G，可支持USB、PCIe、SATA等接口協(xié)議。
再一個(gè)推動(dòng)接口IP發(fā)展的技術(shù)則是Chiplet，進(jìn)入2022年，國(guó)際大廠已經(jīng)陸續(xù)推出了Chiplet的產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)芯片企業(yè)對(duì)Chiplet也是一致看好。Chiplet的發(fā)展也誕生了高速Die to Die接口的需求。但Chiplet與傳統(tǒng)接口相比，其對(duì)帶寬和時(shí)延的需求則更高，設(shè)計(jì)者還需要對(duì)工藝和封裝有很深的了解，所以這也進(jìn)一步增加了相關(guān)接口IP的設(shè)計(jì)復(fù)雜度。
本土IP困境
國(guó)產(chǎn)IP發(fā)展的困境主要來(lái)自三個(gè)方面：首先是快速升級(jí)的各種接口IP標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議，這決定了IP研發(fā)需要長(zhǎng)期的投入；其次是IP研發(fā)需要持續(xù)跟蹤各芯片制造公司的工藝演進(jìn)，必須具備工藝制程的快速移植能力；最后，把協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)集成到IP，并針對(duì)各家工藝制程做定制化后，還必須與下游芯片設(shè)計(jì)公司共同進(jìn)行芯片驗(yàn)證并大規(guī)模量產(chǎn)才能保證IP產(chǎn)品的市場(chǎng)化落地。
國(guó)內(nèi)IP廠商背靠巨大的本土市場(chǎng)，也應(yīng)進(jìn)一步發(fā)揮技術(shù)支持與定制化服務(wù)的優(yōu)勢(shì)。以DDR IP為例，根據(jù)芯片的方向、形狀以及擺放位置的不同，客戶選擇的封裝類型也可能不盡相同，這些都要求IP廠商可以對(duì)產(chǎn)品規(guī)格做出靈活調(diào)整，但國(guó)外IP供應(yīng)商一般不會(huì)、也不愿意提供個(gè)性化的定制設(shè)計(jì)，這對(duì)崛起中的國(guó)產(chǎn)DDR IP產(chǎn)業(yè)而言無(wú)疑是一個(gè)好的突破口。
目前，使用最廣泛的IP內(nèi)核來(lái)自Arm、Synopsys、Imagination和Cadence等國(guó)際企業(yè)。據(jù)行業(yè)機(jī)構(gòu)IPNest的數(shù)據(jù)顯示，其中Arm作為龍頭在2020年獲得了超40％的市場(chǎng)份額，其IP池所帶來(lái)的專利使用費(fèi)每年超過(guò)數(shù)十億。通常電腦、手機(jī)、服務(wù)器等平臺(tái)型應(yīng)用領(lǐng)域受到軟硬件生態(tài)系統(tǒng)的影響非常大。Arm能夠成為移動(dòng)時(shí)代王者的核心因素，除了CPU和GPU架構(gòu)等核心IP，還在于聯(lián)合合作伙伴建立了IP－芯片－應(yīng)用的一體化生態(tài)，從而形成了高壁壘。
一方面，國(guó)內(nèi)企業(yè)正在向國(guó)際領(lǐng)先IP廠商全面追趕，另一方面也在尋求突破，向與世界先進(jìn)廠商并跑邁進(jìn)。雖然IP to C領(lǐng)域受到軟硬件生態(tài)系統(tǒng)的影響非常大，但I(xiàn)P to B領(lǐng)域?qū)τ诤髞?lái)者卻有優(yōu)勢(shì)。比如目前正在高速發(fā)展的智能駕駛、安防監(jiān)控、物聯(lián)網(wǎng)等單一應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)軟硬件生態(tài)的依賴性就大為減弱。隨著人工智能、5G通訊、物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和Chiplet、開源指令集等新浪潮的出現(xiàn)，國(guó)內(nèi)企業(yè)可以從中找到新的發(fā)力點(diǎn)。
總而言之，國(guó)產(chǎn)接口IP的機(jī)會(huì)在哪里？需要謹(jǐn)記后摩爾時(shí)代IP將沿著延續(xù)摩爾、擴(kuò)展摩爾和超越摩爾的三個(gè)方向發(fā)展。未來(lái)IP必須涵蓋更加復(fù)雜的功能子系統(tǒng)、擁有更高的適配性、智能化自動(dòng)化以及高抽象層次和高精度的系統(tǒng)級(jí)模型和自適應(yīng)界面，從而打破常規(guī)從頂層系統(tǒng)抽象到底層物理實(shí)現(xiàn)方法論的革新，來(lái)滿足未來(lái)復(fù)雜系統(tǒng)的智能化應(yīng)用、高度異構(gòu)集成芯片高速實(shí)現(xiàn)的需求；打破系統(tǒng)芯片的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工作量巨大，復(fù)雜性高及周期耗時(shí)不斷增長(zhǎng)的瓶頸。
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