芯动科技Innosilicon：半导体IP——芯片设计和科技新基建的基石

基础设施建设有两个基本特征，一是重要性，二是艰难性。中国人对基建的重要性是有很深的认识的，从八十年代就喊出了“要致富先修路”的口号。伴随着轰轰烈烈的铁路、公路、航空、电力、网络等基础建设，中国从一个贫穷落后的国家变成了现在的世界第二大经济体，建立了全世界门类最全的工业体系。当初我们的基建几乎都是举债进行的，似乎都不赚钱，但是现在来看，正是这些基建给中国经济的腾飞插上了翅膀。时至今日即便高铁不赚钱，但我国仍在大力修建高铁，这便是国人对新基建深刻认识的体现。但大家也都知道，基建不是个人或者小公司就可以做的，有着相当高的门槛，绝非朝夕之事。

为什么国家最近在提发展新基建--芯片? 原因就在于今天是一个信息化和智能化的时代，数据和数据处理能力成为新的经济发展动力，而数据存储和数据处理都离不开芯片。而芯片的重要基石之一就是半导体IP，通俗的讲IP就是芯片的零部件。图一是一张非常简化的手机芯片图，其实芯片方案商只做自己擅长的一部分，其他的功能实现需要买第三方的各种各样IP，例如数据处理的CPU、GPU、NPU，缓存接口的DDR，低功耗多媒体接口MIPI，通用数据接口USB等等。可以说没有这些IP，我们就没有功能如此强大的手机以及目不暇接的更新换代。其实不仅仅是手机芯片，任何稍微复杂的芯片都离不开IP，IP的重要性怎么强调都不为过。


图一  高通SDM450框图

IP作为芯片的基石同样具有艰难性的特点。一个是技术难度高，一个是经济正循环难度大。

大家印象比较深的是CPU、GPU很重要很难。的确，指令集的设计，流水线的设计，缓存的管理以及各种中断、调试的处理等很复杂，但是高性能的DDR和GDDR同样重要和同样艰难。CPU、GPU是用于计算的，计算过程中需要读写大量的数据，这时就需要DDR和GDDR了，如果没有高速的DDR和GDDR，CPU和GPU的处理能力再强也成了无本之木，无源之水。因此，DDR和GDDR一直是国际IP巨头最为看重的制高点。


图二 基于数据和视频的并行计算需求正在急剧增大，对系统内存的带宽带来了更大的渴求
 
由于DDR是并行接口，因此数据的串扰、对齐，信号的恢复，时钟的架构都是技术难点。由于这些壁垒，想撼动国际IP巨头绝非易事。2018年，国内的一家IP公司芯动科技Innosilicon在全球首先发布16Gbps的GDDR6，在IP圈引起了巨大的轰动，这比IP巨头Cadence还早，甚至直到今天另外一家IP巨头Synopsys都没有自己的GDDR6。如此高端和重要的IP居然被国内的一家公司先拔头筹，不得不让人有探究一番的兴趣。

芯动科技Innosilicon成立于2006年，最开始就是从做DDR、USB等接口类IP起家。2012年，芯动科技作为海思首个国内IP战略伙伴，支持了后者多个先进产品量产。芯动是中国唯一全球各大顶尖晶圆厂（台积电/三星/格芯/中芯国际/ 联华电子/英特尔）签约支持的技术合作伙伴，深度合作开发了各工艺节点的DDR2/3/4,LPDDR3/4等产品，并在客户产品上大规模量产，积累了深厚的技术。所以GDDR6的全球首发并非一日之功，而是十年磨一剑的深厚积累。
事实上，芯动目前还开发了21Gbps的GDDR6X，并且目前全球只有芯动具有这个技术。此外，芯动还开发了DDR5/LPDDR5、HBM2e/3等目前最顶尖的存储接口IP。在高端内存接口IP上，芯动不仅实现了国产突破，而且是处于世界领先地位。对于高端技术常被国人诟病的中国企业，这是一件非常了不起的事情。


图三 芯动是国内一站式高端IP的领军企业

不仅仅是内存IP，正如图三所示，芯动科技做到了所有高速接口IP全覆盖，而且工艺做到最先进的5nm，客户涵盖国内外最知名的公司，例如微软，亚马逊等。要知道这些公司对IP的选购是极其严格的，因为这直接关系到公司产品的成败和名声，可见芯动的IP的品质是一流的。

这里需要特别强调两类IP，一类是高速的SerDes。这个时代对数据带宽的要求是无止境的，因此高速SerDes接口应用十分广泛，技术门槛也特别高，以前就是被国外大公司垄断。以32G SerDes为例，一个UI只有31.25ps，如此短的时间传输一位数据，难度可想而知。目前芯动是国内唯一一家拥有32G PCIe G5技术的IP公司，同时基于PAM4的56G和112G的SerDes也在研发中，不久就会公布。

另外一类是Chiplet技术。以前大家的主流做法是做SoC，把所有的模块都装在一个芯片上来提高速度，降低功耗。但是现在在先进制程上这种做法，有三个致命的问题。一是IP成本高，最先进的制程的低电压对很多IP性能是不利的，同时也导致IP的开发费用剧增；二是SoC设计周期过长，很多本来只需要6个月的设计大部分由于PI的原因可能要1年半到2年；三是芯片良率过低，由于SoC面积过大导致芯片良率可能低于50%。因此大家希望用芯片互联的方式解决这些问题，同时又希望具有SoC的性能和功耗。在此诉求下，Chiplet应运而生。

目前的Chiplet有两种技术方案，一种是基于DDR的技术，一种是基于SerDes的技术。由于在这两大领域有着深厚的技术积累，因此芯动有全套的Chiplet解决方案且可以应用不同的场景。芯动的Chiplet可以做到0.2pj/bit的低功耗，不仅是目前国内唯一一家提供Chiplet的IP商，也是全球技术最先进的Chiplet提供商，已作为主要成员发起成立了国内首个Chiplet产业联盟。


图四  芯动Chiplet互联技术

前面提及IP经济正循环难度大，原因之一是IP的开发和验证花费巨大。在FinFET先进制程下，IP的流片费用动辄数百万美金，各种测试设备昂贵，还有大量的开发和支持人员。二是IP很难像终端产品那样获得超额收益。由于绝大部分IP是以授权方式销售，很难像终端产品那样获得规模收益。因此IP虽然是芯片的基石，但却是一条艰辛的路。

国产IP逆袭国际巨头盘踞的市场，一如很多国产产品替代国际产品的道路。如中国的白色家电也是在几代人的努力下，首先成功替代国内市场，进而走向国际市场，将日韩厂商边缘化，走出了一条国产替代的大道。不同的是，IP是集成电路设计领域皇冠上的明珠，技术含量更高，难度也更大。值得欣慰的是，如今也能看到国产IP完全能够替代甚至在很多细分领域超过国外竞争对手。

15年来，数百芯动人抱着“科技报国，板凳甘坐十年冷”的理念一直默默的奋斗，坚信好的国产IP一定有被市场认可的那一天。当美国对中国进行芯片制裁后，很多公司和科研院所要找高端替代IP时，才发现本土企业只有芯动可以做到。近年来，芯动在圈内名声鹊起，毕竟全球数以10亿计的高端SoC芯片产品背后都有芯动技术。在困难的IP行业坚持那么多年，足以证明芯动是一家有情怀的公司；很多方面能做到世界领先水平，说明芯动是一家有实力的公司。这样的公司，这样的产品，才是我们国家新基建战略安全的基石。