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国产IP发展综述:中国需要有自己的芯片标准吗?能否建立起来?

分享于 2021-07-26 18:22:51
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IP,这是一个法律词汇,指知识产权,是Intellectual Property的英文简称。在芯片产业,IP大部分时候是指那些IP核,释义是芯片中具有独立功能的电路模块的成熟设计。


有了IP,复杂的芯片设计就不需要全部由设计者来完成,而是采用设计者自主设计加上IP的方式来实现,降低了芯片设计的复杂程度。某种意义上讲,IP是无晶圆设计公司(fabless)做大做强的关键所在,让非IDM类型的公司也能够设计大的、复杂的芯片。



从X86到ARM,再到RISC-V



对于芯片设计而言,IP可以理解为子模块和子系统,只是它们带有自主知识产权保护,需要商业收费授权之后才能够使用。因此,IP需要遵循一些规则去设计,不能毫无章法地随意定义。这一点,我们从Arm公司的商业模式中能够得到很好的解释。


作为全球领先的IP供应商,Arm公司先是定义了ARM架构。目前,全世界超过95%的智能手机和平板电脑都采用ARM架构。在ARM架构之下,是各种各样功能的IP,比如微控制器MCU用到的M55内核,还有CPU用到的A55内核。当然,也有像苹果这些买Arm公司的IP回去之后再设计的。


Arm公司的IP产品(图源:Arm公司官网)

在由中国集成电路创新联盟指导,中国集成电路设计创新联盟、中国半导体行业协会集成电路设计分会、国家 " 芯火 " 双创基地、苏州市高新区共同主办的"2021 中国集成电路设计创新大会暨 IC 应用博览会"(简称 ICDIA )上,芯来科技执行总裁彭剑英博士表示,从最早的PC到手机,再到物联网。我们先是经历了“X86时代”,这个时代我们记住了英特尔、AMD。到了“ARM时代”,我们记住了高通、苹果等。从生态丰富程度来看,ARM是最广泛的,从手机到物联网终端,现在开始冲击服务器市场。从发展周期来看,一个主流架构要占领市场,从它的出现,到它的成长,再到它的稳定,最后到它占有一定的市场比例,这期间需要经过十几、二十几年的发展周期。

实际上,从“X86时代”到如今的“RISC-V时代”,时代的名称在交替,芯片的侧重点也在发生改变,但上一代的产物并不是说会彻底消失,而是依然在发挥着巨大的作用,就像电脑的CPU一样。因此,对于立志要实现超越的“中国芯”而言,每一时代的技术和产品都需要补齐短板。在这其中,IP丰富度和质量是一个很重要的评定标准。

正如沐曦集成电路创始人、CEO陈维良介绍企业时谈到的,GPU是X86时代就出现的,英特尔至今的模式是CPU搭配集成的GPU一起卖,这是一个难度非常高的领域,需要很强的系统化能力。这其中包括了IP,沐曦核心团队此前在GPU IP、设计、产品化方面有全套的经验,这是一个基础。

不可否定,RISC-V是一个巨大的产业机会。但正如彭剑英所言,今天的RISC-V在国内出现第一家公司芯来科技至今只有三年的时间,从IP设计到最终的芯片上市,这中间会有3-5年的沉淀期,因此还处于早期阶段。虽然兆易创新和乐鑫等公司推出了一些产品面市,但要论市占比现在还为时尚早。


“中国芯”背后的IP力量



芯片并不是一个新概念,已经经历了数十年的发展,如今芯片的种类虽然还是以处理器芯片为主流,但一块电路板上用到的其他芯片类型也非常丰富。而每一种芯片设计背后都会牵扯到这样那样的IP,接口IP、DSP IP、RAM IP、控制器IP……


统计数据显示,IC的复杂度以每年55%的速率递增,而设计能力每年仅提高21%。因此,一个芯片公司要争做行业顶尖,如果不借助IP的力量,难度可想而知。ICDIA上,IP这个词出现在各个公司的演讲和访谈中。


上面已经提到,沐曦集成电路的核心团队在GPU方面有较为全面的经验,而创始人陈维良自己在GPU架构IP和产品化方面都有经验。他还提到,一个GPU中行业IP核占用的面积超过了80%,自主GPU也是从IP设计开始。这是IP和国产GPU的结合。


芯耀辉科技则是国内专注于IP研发的公司。芯耀辉科技CTO李孟璋提到,IP自身复杂度越来越高,需要全方位的验证,芯片级验证、系统级验证、可靠性验证和兼容性验证等需要IP团队耗费巨大的心力。这其中也蕴含着各种创新,IP和封装技术结合而来的先进封装,IP和EDA结合的智能化和自动化等。这是国产IP厂商的思考。


芯动科技是IP和芯片定制服务商。芯动科技技术总监高专谈到,IP本身的市场总值并不大,大概只有数十亿美元的份额,但IP却能够撬动数千亿的半导体市场。他认为,IP设计需要承担设计风险和先进制程两个方面的压力,IP设计要紧跟新标准和新工艺。芯动科技一直都关注接口IP的发展,目前已经有50亿颗IP核应用在客户的芯片中。这是国产IP厂商展示出的竞争力。


在这里还是要再一次提到芯来科技,是国内第一家专注做RISC-V处理器IP以及相应解决方案的公司。从2018年的零到如今的全系列IP解决方案,芯来科技所有的处理器IP都是可配置的,能够去对标Arm公司类似的产品。这也是国产IP厂商展现出来的竞争力。


而国内还有很多像行芯科技一样做EDA工具的,在这个领域设计IP或者结合IP都是不可避免的。因此,我们讲“中国芯”发展要注重研发,有一个很关键的点就是,在各个国产芯片公司内部,核心团队需要有人在IP方面是擅长的。



中国是否需要有自己的芯片标准?



上文中,我们已经讲过全球IP发展的大势,以及“中国芯”背后的IP力量。在这个基础上,我们去思考一个目前在国内非常热门的话题,那就是中国需不需要有自己的芯片标准?

龙芯中科董事长、中科院计算研究所研究员胡伟武近来表示,Wintel(Windows+Intel)和AA (Arm+Android)模式在全球范围内具有垄断性地位,中国要实现产业的发现需要建立起第三套体系。一旦有了自己的体系,即便是落后的工艺也能够有很好的用户体验。

关于打造中国自己的操作系统这一点,华为事件已经说明,操作系统也会成为“卡脖子”的环节,华为手机在全球除国内以外的业务便深受其累,应用生态能够决定背后的用户生态。

但这背后还有一个更深层次的问题,那就是上述我们提到的IP相关的公司中,除了芯来科技在基于开源架构RISC-V打造IP矩阵,其他所提到的这些IP公司都在遵循“X86架构”和“ARM架构”这些主流架构做事情。

实际上,即便是RISC-V架构也不是中国自己的体系,而是一个开源的架构。因此,作为芯片产业创新的先锋,国内各大IP公司基本都是在全球化的芯片标准下继续做创新。

而IP的玩法本身也在进化,Chiplet模式已经被广泛的认可。芯原股份创始人、董事长兼总裁戴伟民在主题为《芯粒(Chiplet)的机遇和挑战》中提到,2024年,采用Chiplet的处理器芯片的全球市场规模将达58亿美元,比2018年的6.45亿美元增长9倍,到2035年将达到570亿美元。对于半导体IP来说,升级为Chiplet供应商,可提升IP的价值且有效降低芯片客户的设计成本。

不得不说龙芯中科是少数派。早在十年前,龙芯中科就曾带头实施“中国国家指令集架构计划”。此前“中国芯”刚开始大热时也有划分标准,面向CPU则需要
1、研发机构安全保密;
2、指令系统能自主可持续发展;
3、核心源代码必须是自己编写。

看看此中代表——龙芯中科的坎坷路,至今依然和MIPS IP纠缠不清,先是被MIPS起诉以缴纳授权费方式和解。如今又被取得MIPS中国区独家经营权的上海芯联芯质疑其“彻底”抛弃MIPS并发布自主指令系统的宣传报道未经相关方佐证,与事实严重不符,已经损害了上海芯联芯的合法权益。因而,上海芯联芯要求龙芯中科公开“LoongISA”和“LoongArch”手册的完整内容。至今,龙芯中科还没有给出回应。

图源:上海芯联芯官网

当前,正处于龙芯中科上市的关键时期,此番事情如果不能够得到合理解决,公司将背负很大的舆论压力,也需要面临上海芯联芯的诉讼问题。

龙芯中科上市进度(图源:企查查)

作为“中国半导体IP第一股”,芯原的IP覆盖了图形、视频、数字信号、神经网络处理等,与全球各大晶圆代工企业都有过合作,研发实力可见一斑。但戴伟民并不建议中国搞一套自己的芯片标准,力主持续推动中国集成电路产业RISC-V生态建设。




后记     



从X86到ARM再到RISC-V,“中国芯”这一次的上车速度并没有明显落后,RISC-V不仅是国产IP的机会,也是国产芯片的历史性机遇。基于一个全新的开源平台,能够与国际同行竞争比拼。


在国家倡导保护知识产权的大背景下,国产IP企业的发展环境将越来越优质。在国产芯片的每个环节上,或者会有国产IP企业,或者在相关公司中能够看到从事过IP研发的核心人员。IP被认为是芯片产业的灵魂,在“中国芯”发展历程中的作用是巨大的。


龙芯中科这么多年坚持走“自主体系”的道路,此中艰辛可想而知,受到的质疑也从未断过。如今,RISC-V指令集如当年的MIPS一样红火,我们是借力打力,还是另起炉灶?







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