芯片設(shè)計(jì)中重要的IP核

一、IP核就是光刻機(jī)的魂

芯片設(shè)計(jì)和制造流程簡單來說可以分四個(gè)階段的，功能/性能定義(需求分析)、IC設(shè)計(jì)(集成電路設(shè)計(jì))、IC制造(光刻機(jī)部分了)、封裝測試。

芯片功能、性能的定義。在做設(shè)計(jì)芯片之前要先定位，這個(gè)芯片是用來干什么的，它要性能指標(biāo)要達(dá)到什么樣的要求。比如，廠家要出一個(gè)處理器芯片，最簡單的一點(diǎn)就要先確定這是一個(gè)多少位的CPU，多少核的。

比如咱們買電腦的時(shí)候，經(jīng)?？吹诫娔X搭載的是英特爾64位四核處理器。那么這個(gè)芯片在出廠之前，英特爾就定好了，它是64位的，里面有四個(gè)核心。

64位是采用64位處理技術(shù)的CPU，簡單理解就是處理器一次運(yùn)行64bit數(shù)據(jù)，這個(gè)數(shù)字越大說明單次可以運(yùn)行的數(shù)據(jù)越多，處理速度越快。

四核處理器就是基于單個(gè)半導(dǎo)體的一個(gè)處理器上擁有四個(gè)處理器核心。并且四個(gè)核心的處理能力和功能是一樣，可以同時(shí)運(yùn)行，所以業(yè)界將這樣的處理器稱為真四核。

然后還需要定義該芯片的其他的一些屬性，比如I/O驅(qū)動(dòng)能力、功耗、工作溫度等等。

二、IC設(shè)計(jì)需要EDA軟件和IP核

如果這里翻車，也就沒光刻機(jī)什么事了，這步驟包含的內(nèi)容非常之多，比如系統(tǒng)設(shè)計(jì)、算法設(shè)計(jì)、行為級(jí)描述/優(yōu)化、邏輯綜合/優(yōu)化、仿真、測試、制版數(shù)據(jù)生成等等。

這里的IP跟咱們常熟知的IP地址中的IP不一樣。它的全稱是Intellectual property，也就是知識(shí)產(chǎn)權(quán)。這些IP核心就是別人做好的模塊，可以在設(shè)計(jì)中直接使用。

軟銀集團(tuán)欲出售的ARM公司就是該環(huán)節(jié)的頭號(hào)玩家，據(jù)悉全球90%的智能手機(jī)的處理器都是用ARM的IP授權(quán)，蘋果、高通、華為海思、三星都是其客戶。

三、IP核也有三種不同程度的設(shè)計(jì)：軟核，固核，硬核。

軟核，以加密源代碼的形式提供;簡單理解就是提供代碼給你，你還可以根據(jù)自研芯片的情況來調(diào)整和優(yōu)化，靈活性高，對(duì)芯片廠商的技術(shù)要求較高。

固核，介于軟核和硬核之間的一種核。以門級(jí)網(wǎng)表提供，除了完成軟核所有的設(shè)計(jì)外，還完成門級(jí)電路綜合和時(shí)序仿真等設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。比如它完成了描述功能中一些比較關(guān)鍵的路徑進(jìn)行預(yù)先的布局布線，而其他部分仍然可以任由編譯器進(jìn)行相關(guān)優(yōu)化處理。

硬核，完整后端設(shè)計(jì)的掩模了，可理解為成品，拿去就可以用。相當(dāng)于廠商跟你把需求完整分析后交付的，將該考慮的全考慮進(jìn)去了，可靠性很高，但是靈活性就低了。

通常芯片設(shè)計(jì)公司會(huì)根據(jù)自身的業(yè)務(wù)，以及IP核的特性，購買不同的形態(tài)IP，用在自己的芯片設(shè)計(jì)中。IP核主要就是方便了設(shè)計(jì)的重用性，使得通用模塊可以被重復(fù)用，省時(shí)、省力。

芯片設(shè)計(jì)公司自己設(shè)計(jì)IP核，需要面對(duì)：

1、專利保護(hù)，能否繞開現(xiàn)有IP授權(quán)公司專利。

2、巨大投入，人力、物力、時(shí)間。

3、夠不夠打，做出來了，能不能與競爭對(duì)手對(duì)抗。

4、容錯(cuò)率低，一旦設(shè)計(jì)不當(dāng)，滿盤皆輸。

華為海思采購的是IP就是ARM公司授權(quán)的v8架構(gòu)，華為在其基礎(chǔ)上再進(jìn)行芯片設(shè)計(jì)。如果沒有ARM授權(quán)，不會(huì)在這么短的時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)如此優(yōu)秀的華為海思麒麟處理器。

在5G時(shí)代，新應(yīng)用、新產(chǎn)品將會(huì)層出不窮，需求多且更加個(gè)性化，要求芯片廠商以更快的速度推動(dòng)新產(chǎn)品上市。

現(xiàn)今的芯片廠商都在開發(fā)5G SoC(系統(tǒng)芯片)，以便快速適應(yīng)5G技術(shù)，并將產(chǎn)品及時(shí)投放到市場。因此廠商需要考慮采用新工藝的芯片成本、功耗、溫度、算力多少?能否快速上市等問題，而IP核的強(qiáng)大之處就在于這些它都幫你驗(yàn)證好了。

系統(tǒng)SOC結(jié)構(gòu)是一種實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)功能的超大規(guī)模集成電路，大家可以看到里面包含有大量的IP核，功能越復(fù)雜，對(duì)IP核的依賴就越多。

ARM的IP核授權(quán)，讓很多芯片設(shè)計(jì)公司省去了很多事，該驗(yàn)證的環(huán)節(jié)、該考慮的因素，ARM可以全部解決;公司的產(chǎn)品可以快速上市，占領(lǐng)市場先機(jī)。另外，ARM是一家純粹的IP授權(quán)公司，以IP授權(quán)為核心的無晶圓半導(dǎo)體公司，即只做IP授權(quán)，其他一概不涉及。所以ARM聯(lián)合創(chuàng)始人發(fā)言稱，若ARM被芯片廠商英偉達(dá)收購，則對(duì)ARM來說是個(gè)災(zāi)難。

四、國產(chǎn)IP核之路，任重道遠(yuǎn)。

有著“中國半導(dǎo)體IP之王”的芯原微電子，成立至今已有19年，雖然其2019年在同類公司中排名第七，但是其短板也非常明顯。

1、不具備CPU類的IP，擁有圖形處理器(GPU)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器(NPU)、視頻處理器(NPU)、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)和圖像信號(hào)處理器(ISP)五類處理器IP，以及 1400 多個(gè)數(shù)模混合IP 和射頻IP。

2、在嵌入式非揮發(fā)性存儲(chǔ)器、內(nèi)存編譯器等 IP 方面也沒有儲(chǔ)備。

3、大部分IP是通過外部并購而來，并非自主研發(fā)，說明自研方面的技術(shù)儲(chǔ)備不夠。

但是，芯原所積累的經(jīng)驗(yàn)非常寶貴，因?yàn)樗滥男㊣P是目前沒有辦法介入，半導(dǎo)體哪些領(lǐng)域的IP值得去投入，這樣就可以少走很多彎路。比如芯原在這么多年的積累就指出，RISC-V (RISC-FIVE)將會(huì)是中國芯片產(chǎn)業(yè)的全新機(jī)遇，RISC-V 是第五代基于 RISC(精簡指令集計(jì)算機(jī))的 指令集架構(gòu)，因具備自由開放、成本低、功耗低等方面的優(yōu)勢，受到全球廣泛關(guān)注。

在2019國際芯片大會(huì)(Chips 2019)上，中國工程院院士倪光南在展望開源芯片前景時(shí)曾表示：“RISC-V很可能發(fā)展成為世界主流CPU之一，在CPU領(lǐng)域形成英特爾、ARM、RISC-V三分天下的格局?！?

在5G這個(gè)萬物互聯(lián)的時(shí)代，RISC-V的輕量級(jí)，靈活性，更符合物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的碎片化特性。國內(nèi)目前圍繞RISC-V 架構(gòu)開發(fā)和使用的企業(yè)已有上百家企業(yè)。比如華為海思、阿里的平頭哥、中天微，兆易創(chuàng)新、華米科技、嘉楠科技、北京君正以及獲得小米投資的芯來科技。

RISC-V 儼然為中國提供了在 X86 與 ARM 架構(gòu)之外的第三條自主化路徑。英特爾靠X86在PC時(shí)代叱咤風(fēng)云，ARM靠RISC在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代處于浪潮之巔，當(dāng)今，只有牢牢把握IP核才能引領(lǐng)5G和物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。