从通用到专用，5G时代IP核的新故事
2020-05-21
14:00:03
来源: 半导体行业观察
硅IP核产业自诞生以来就不断演进。最开始主要由各半导体公司内部的IP核部门来开发维护，伴随设计复杂度上升与上市时间要求缩短，第三方商业IP核开始出现，他们在成本、性能与规模效应上优势明显，很多半导体公司开始采用第三方IP核，并逐渐减少在自研IP核上的投入，IP核产业日益兴盛。
如同芯片在不断迭代，IP核也在不断进步。集成电路技术60年来基本遵循摩尔定律的演进规律。随着进入后摩尔时代，即两年一代技术更换的节奏开始放缓，设计和制造企业开始更加重视产品的多样化发展，而不再一味追求特征尺寸的缩小，使得IP核技术发展也出现新的趋势，5G的到来将加速这一趋势的凸显。
此前，新思科技（Synopsys）总裁兼联席首席执行官陈志宽博士曾公开表示，不同于4G或者以前的移动网络，5G的高速度、高带宽和高频率，这些特性将会给半导体行业带来明显的转变。
相比于4G，5G的业务场景扩大，业务需求发生重大变化。5G具有大带宽、低延时、广联接的特性，这为整个行业带来了颠覆性的新应用机会。
对于5G手机来说，5G显著地提高了手机的数据吞吐量，导致业内对于高效处理解决方案、支持高速芯片到芯片通信的接口IP等解决方案的需求也急剧提升。
同样，在汽车领域，5G的商用为LTE-V2X提供了更强大的性能和更多的可能性，5G形成了端到端的生态系统，也产生了大量数据，使人们开始更多的思考安全性。为避免发生安全问题，当今汽车SoC中不断增加安全功能，导致要求IP核提供商采取严格的流程以确保IP核满足功能安全性和可靠性标准。
而在物联网方面，将几十亿智能“事物”连接到我们的指尖，其核心指标要求超低功耗，这就提出了超低功耗 IP核的一系列需求。而且，随着城市、楼宇、家居的智能化和网络化以及可穿戴市场的发展，亦催生了对蓝牙、NB-IoT等一系列射频类协议IP核的需求。
不难发现，无论5G时代发生怎样的变化，提出怎样的需求，都与IP核有着密不可分的联系。
事实上，不仅5G，IP核对于整个半导体行业都非常重要，尤其是在近年来产业高速发展及全球对知识产权越来越重视的情况下。
技术在飞速进步，芯片不断推陈出新，开发节奏越来越快，分工越来越明确，业内人士意识到用成熟IP核开发产品迅速抢占市场的重要性，并且这种意识还在不断加强。
过去10年来，IP核细分市场的年复合增长率超过10%，远高于EDA和整个半导体行业的增长。如果将Chiplet也归入IP核类别的话，未来10年IP有望赶上EDA的市场规模。
因此，虽然在年均600多亿美元的全球芯片研发开支中，IP核占比只有5%，约36亿美元，但其价值和影响力却远远超出金钱衡量的份额。可以毫不夸张地说，在全球半导体产业这座金字塔上，IP核处于价值链的最顶端。
这一现象从最新数据中也可见端倪。近期，市场分析公司IPnest发布了2019年全球半导体IP厂商的营收排名。
2019年排名前10的IP公司及收入（百万美元），资料来源：IPnest
根据该表格显示，2019年全球半导体IP核市场总价值约为39.4亿美元，比2018年的37.4亿美元增长了5.2％。考虑到半导体市场在2019年下降了约15％，且IP核特许权使用费通常与芯片销售价格挂钩，这份榜单正好说明
IP
核
在半导体市场的渗透率进一步提高了
。
说回5G，正如前文所言，在5G时代，无数新应用、新产品将会催生无数新需求，这些需求发展迅速且更加个性化，要求芯片制造商以更快的速度推动新产品上市。在5G爆火的这两年中，芯片制造商一直在竞相开发5G SoC，以便在5G技术首次亮相时及时投放市场。然而采用新工艺的新款芯片成本、功耗多少？能否快速上市？都是芯片制造商需要考虑的问题。
IP核的复用是提高片上系统的设计效率、缩短设计周期的关键。
基于IP核复用技术的SoC设计使芯片设计从以硬件为中心转向软件为中心，芯片设计不再是门级的设计，而是IP核的接口及其复用设计。
在芯片制造商争分夺秒抢占市场的今天，一款全新的可靠的IP核将成为厂商的制胜法宝。从整个市场来看，在没有全新IP核的情况下，整个行业的发展速度都将减缓。
为了解决这一现状，促进行业发展，设计一款满足5G需求的IP核成为了现下芯片制造商关注的重点。系统架构师在设计中寻找针对各个模块的实现方法，以求降低风险并加快设计进度。
对于一款5G手机来说，其5G芯片需要多种处理解决方案，能够在基带解决方案所要求的多种不同工作负载之间保持高效；而同样的芯片，在物联网领域则需要降低复杂性实现低功耗的特性。
对于接口IP也是如此，在5G手机中接口IP依旧需要具有高复杂性，而在网联网中则需要接口IP节省系统成本。
相较于以上领域，对于汽车领域而言，安全和可靠则成了主旋律
对于这些要求，传统的通用IP核显然已经不太适用。为此，一些厂商已经开始设计应对5G市场的创新型IP核。IP巨头新思科技就是其中的先行者。
面对5G市场的细分化需求，新思科技推出了Designware IP产品组合，包括逻辑库、嵌入式存储器、嵌入式测试、模拟IP、有线和无线接口IP、安全IP、嵌入式处理器和子系统。这些产品分别具有低功耗、复杂基带处理、低延迟、高安全性等特点，以应对不同的应用场景。
为了适应5G手机复杂的基带处理，新思科技的ARC EV6x以及带增强DSP功能的ARC HS处理器，能够提高每个周期中完成的工作量，并减少这些复杂解决方案的能耗。对于定制的基带处理设计, 新思科技ASIP Designer工具使客户能够构建针对其独特设计需求进行优化的处理器。
同样对于物联网需要的低功耗系带处理器，新思科技的ASIP Designer工具可以开发出具有超低功耗、超小尺寸以及高计算吞吐量的可编程的、针对具体任务优化的内核/加速器。
此前，台积电设计建构管理处资深处长Suk Lee盛赞新思科技的Designware IP，表示新思科技一直走在IP解决方案的前端。提供的IP解决方案能满足AI、汽车与云端运算等应用领域的SoC部署对于效能、功耗和芯片面积的要求。
纵览整个行业的发展趋势，我们不难发现，芯片开始出现定制化需求，而分析近年IP市场，也同样得出市场正在从通用IP核（例如CPU、DSP、基础IP）向更多特定应用的IP核转变的结论，对于CPU或DSP尤其如此。
具体看来，由于物联网、5G、人工智能等新兴技术的发展，半导体产品生态将会更加丰富，同时设计规模和设计难度也将进一步加大，使得客户对于IP核的种类、功能和性能都提出了更多个性化的需求。
IP核在向更专业化的垂直细分领域发展，例如存储器IP面向不同的市场和应用，客户会选择不同技术类型的存储器，如汽车电子应用偏好高可靠性，一些电源类产品偏好高耐压，而一些消费类产品倾向于低成本。
看向新思科技的5G IP解决方案，就能发现3G，4G演变到5G时代中IP方案有所不同之处。据新思科技资料指出，其5G IP解决方案将会有低功率、处理复杂基带、高带宽、AI以及安全性等特点。这些特点可以应用在无论是5G基础设施中的服务器、5G的eCPRI又或者是高速安全加速器等场景中。
以基带为例，复杂的基带解决方案必须适应更高的带宽、载波聚合和大规模MIMO（或具有波束形成的多天线）。新思科技的ARC VPX是一个DSP解决方案，它包括512bit访问，可以解决这些向量处理需求的复杂性。
不仅如此，目前，人工智能正以5G自优化网络或5G子网的形式部署，以处理5G基础设施的大部分复杂性。新思科技的ARC-EV处理器提供了在设备上处理这些实现所需的所有神经网络功能，而不是将所有数据进一步向网络发送。
同时，新思科技的SerDes还能够支持CPRI和ECRPI。
IPnest负责人埃里克·埃斯特维（Eric Esteve）指出，在过去10年的大部分时间里，IP核业务的增长主要依靠智能手机。而在未来几年中，IP核收入的增长来源将是高性能计算和数据中心、有线和无线网络。在这些高性能的应用当中，接口IP的重要性正在增长，而且其在整个IP核市场的占比正在蚕食处理器IP的市场份额，成为了最具发展潜力的IP核品类。
Eric Esteve继续谈到，处理器之后，物理IP、有线接口IP、SRAM存储器编译器、其他存储器编译器、物理库，模拟和混合信号以及无线接口IP，都是新的增长点。
在有线接口类别中，新思科技是明显的领导者，最新数据显示，2018年，该公司拥有约45％的市场份额，在物理IP市场则占有约35％的市场份额。
近几年，新思科技还进行了不少收购，增强其细分产品组合的竞争优势。例如，其于2016年收购的Gold Standard Simulations Ltd（GSS），该公司专门从事用于纳米级电子设备的TCAD软件研发。
今年1月，新思科技又收购了Invecas的某些基础和模拟IP资产，并表示，此次收购将扩大其DesignWare逻辑库，通用I / O，嵌入式存储器，接口和模拟IP产品组合。此外，新思科技还收购了DINI Group、QTronicGmbH和eSilicon的一些资产。
5G，让科幻作品中的世界将变为现实。不久的将来，我们或许将面对当前无法想象的社会，生活方式和思考方式也会受到巨大冲击。云技术的广泛应用、物联网的发展、成熟的无人驾驶技术等都会向我们走来。
与此同时，5G也为更多的领域创造了机会，IP核作为其中一个细小的领域，正在以蝴蝶振翅之力，掀起滔天巨浪。
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