芯動(dòng)科技Innosilicon：半導(dǎo)體IP——芯片設(shè)計(jì)和科技新基建的基石

基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)有兩個(gè)基本特征，一是重要性，二是艱難性。中國(guó)人對(duì)基建的重要性是有很深的認(rèn)識(shí)的，從八十年代就喊出了“要致富先修路”的口號(hào)。伴隨著轟轟烈烈的鐵路、公路、航空、電力、網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)建設(shè)，中國(guó)從一個(gè)貧窮落后的國(guó)家變成了現(xiàn)在的世界第二大經(jīng)濟(jì)體，建立了全世界門(mén)類(lèi)最全的工業(yè)體系。當(dāng)初我們的基建幾乎都是舉債進(jìn)行的，似乎都不賺錢(qián)，但是現(xiàn)在來(lái)看，正是這些基建給中國(guó)經(jīng)濟(jì)的騰飛插上了翅膀。時(shí)至今日即便高鐵不賺錢(qián)，但我國(guó)仍在大力修建高鐵，這便是國(guó)人對(duì)新基建深刻認(rèn)識(shí)的體現(xiàn)。但大家也都知道，基建不是個(gè)人或者小公司就可以做的，有著相當(dāng)高的門(mén)檻，絕非朝夕之事。

為什么國(guó)家最近在提發(fā)展新基建--芯片?原因就在于今天是一個(gè)信息化和智能化的時(shí)代，數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理能力成為新的經(jīng)濟(jì)發(fā)展動(dòng)力，而數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理都離不開(kāi)芯片。而芯片的重要基石之一就是半導(dǎo)體IP，通俗的講IP就是芯片的零部件。圖一是一張非常簡(jiǎn)化的手機(jī)芯片圖，其實(shí)芯片方案商只做自己擅長(zhǎng)的一部分，其他的功能實(shí)現(xiàn)需要買(mǎi)第三方的各種各樣IP，例如數(shù)據(jù)處理的CPU、GPU、NPU，緩存接口的DDR，低功耗多媒體接口MIPI，通用數(shù)據(jù)接口USB等等?？梢哉f(shuō)沒(méi)有這些IP，我們就沒(méi)有功能如此強(qiáng)大的手機(jī)以及目不暇接的更新?lián)Q代。其實(shí)不僅僅是手機(jī)芯片，任何稍微復(fù)雜的芯片都離不開(kāi)IP，IP的重要性怎么強(qiáng)調(diào)都不為過(guò)。

圖一 高通SDM450框圖

IP作為芯片的基石同樣具有艱難性的特點(diǎn)。一個(gè)是技術(shù)難度高，一個(gè)是經(jīng)濟(jì)正循環(huán)難度大。

大家印象比較深的是CPU、GPU很重要很難。的確，指令集的設(shè)計(jì)，流水線(xiàn)的設(shè)計(jì)，緩存的管理以及各種中斷、調(diào)試的處理等很復(fù)雜，但是高性能的DDR和GDDR同樣重要和同樣艱難。CPU、GPU是用于計(jì)算的，計(jì)算過(guò)程中需要讀寫(xiě)大量的數(shù)據(jù)，這時(shí)就需要DDR和GDDR了，如果沒(méi)有高速的DDR和GDDR，CPU和GPU的處理能力再?gòu)?qiáng)也成了無(wú)本之木，無(wú)源之水。因此，DDR和GDDR一直是國(guó)際IP巨頭最為看重的制高點(diǎn)。

圖二 基于數(shù)據(jù)和視頻的并行計(jì)算需求正在急劇增大，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)存的帶寬帶來(lái)了更大的渴求

由于DDR是并行接口，因此數(shù)據(jù)的串?dāng)_、對(duì)齊，信號(hào)的恢復(fù)，時(shí)鐘的架構(gòu)都是技術(shù)難點(diǎn)。由于這些壁壘，想撼動(dòng)國(guó)際IP巨頭絕非易事。2018年，國(guó)內(nèi)的一家IP公司芯動(dòng)科技Innosilicon在全球首先發(fā)布16Gbps的GDDR6，在IP圈引起了巨大的轟動(dòng)，這比IP巨頭Cadence還早，甚至直到今天另外一家IP巨頭Synopsys都沒(méi)有自己的GDDR6。如此高端和重要的IP居然被國(guó)內(nèi)的一家公司先拔頭籌，不得不讓人有探究一番的興趣。

芯動(dòng)科技Innosilicon成立于2006年，最開(kāi)始就是從做DDR、USB等接口類(lèi)IP起家。2012年，芯動(dòng)科技作為海思首個(gè)國(guó)內(nèi)IP戰(zhàn)略伙伴，支持了后者多個(gè)先進(jìn)產(chǎn)品量產(chǎn)。芯動(dòng)是中國(guó)唯一全球各大頂尖晶圓廠（臺(tái)積電/三星/格芯/中芯國(guó)際/ 聯(lián)華電子/英特爾）簽約支持的技術(shù)合作伙伴，深度合作開(kāi)發(fā)了各工藝節(jié)點(diǎn)的DDR2/3/4,LPDDR3/4等產(chǎn)品，并在客戶(hù)產(chǎn)品上大規(guī)模量產(chǎn)，積累了深厚的技術(shù)。所以GDDR6的全球首發(fā)并非一日之功，而是十年磨一劍的深厚積累。

事實(shí)上，芯動(dòng)目前還開(kāi)發(fā)了21Gbps的GDDR6X，并且目前全球只有芯動(dòng)具有這個(gè)技術(shù)。此外，芯動(dòng)還開(kāi)發(fā)了DDR5/LPDDR5、HBM2e/3等目前最頂尖的存儲(chǔ)接口IP。在高端內(nèi)存接口IP上，芯動(dòng)不僅實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)突破，而且是處于世界領(lǐng)先地位。對(duì)于高端技術(shù)常被國(guó)人詬病的中國(guó)企業(yè)，這是一件非常了不起的事情。

圖三 芯動(dòng)是國(guó)內(nèi)一站式高端IP的領(lǐng)軍企業(yè)

不僅僅是內(nèi)存IP，正如圖三所示，芯動(dòng)科技做到了所有高速接口IP全覆蓋，而且工藝做到最先進(jìn)的5nm，客戶(hù)涵蓋國(guó)內(nèi)外最知名的公司，例如微軟，亞馬遜等。要知道這些公司對(duì)IP的選購(gòu)是極其嚴(yán)格的，因?yàn)檫@直接關(guān)系到公司產(chǎn)品的成敗和名聲，可見(jiàn)芯動(dòng)的IP的品質(zhì)是一流的。

這里需要特別強(qiáng)調(diào)兩類(lèi)IP，一類(lèi)是高速的SerDes。這個(gè)時(shí)代對(duì)數(shù)據(jù)帶寬的要求是無(wú)止境的，因此高速SerDes接口應(yīng)用十分廣泛，技術(shù)門(mén)檻也特別高，以前就是被國(guó)外大公司壟斷。以32G SerDes為例，一個(gè)UI只有31.25ps，如此短的時(shí)間傳輸一位數(shù)據(jù)，難度可想而知。目前芯動(dòng)是國(guó)內(nèi)唯一一家擁有32G PCIe G5技術(shù)的IP公司，同時(shí)基于PAM4的56G和112G的SerDes也在研發(fā)中，不久就會(huì)公布。

另外一類(lèi)是Chiplet技術(shù)。以前大家的主流做法是做SoC，把所有的模塊都裝在一個(gè)芯片上來(lái)提高速度，降低功耗。但是現(xiàn)在在先進(jìn)制程上這種做法，有三個(gè)致命的問(wèn)題。一是IP成本高，最先進(jìn)的制程的低電壓對(duì)很多IP性能是不利的，同時(shí)也導(dǎo)致IP的開(kāi)發(fā)費(fèi)用劇增；二是SoC設(shè)計(jì)周期過(guò)長(zhǎng)，很多本來(lái)只需要6個(gè)月的設(shè)計(jì)大部分由于PI的原因可能要1年半到2年；三是芯片良率過(guò)低，由于SoC面積過(guò)大導(dǎo)致芯片良率可能低于50%。因此大家希望用芯片互聯(lián)的方式解決這些問(wèn)題，同時(shí)又希望具有SoC的性能和功耗。在此訴求下，Chiplet應(yīng)運(yùn)而生。

目前的Chiplet有兩種技術(shù)方案，一種是基于DDR的技術(shù)，一種是基于SerDes的技術(shù)。由于在這兩大領(lǐng)域有著深厚的技術(shù)積累，因此芯動(dòng)有全套的Chiplet解決方案且可以應(yīng)用不同的場(chǎng)景。芯動(dòng)的Chiplet可以做到0.2pj/bit的低功耗，不僅是目前國(guó)內(nèi)唯一一家提供Chiplet的IP商，也是全球技術(shù)最先進(jìn)的Chiplet提供商，已作為主要成員發(fā)起成立了國(guó)內(nèi)首個(gè)Chiplet產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。

圖四 芯動(dòng)Chiplet互聯(lián)技術(shù)

前面提及IP經(jīng)濟(jì)正循環(huán)難度大，原因之一是IP的開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證花費(fèi)巨大。在FinFET先進(jìn)制程下，IP的流片費(fèi)用動(dòng)輒數(shù)百萬(wàn)美金，各種測(cè)試設(shè)備昂貴，還有大量的開(kāi)發(fā)和支持人員。二是IP很難像終端產(chǎn)品那樣獲得超額收益。由于絕大部分IP是以授權(quán)方式銷(xiāo)售，很難像終端產(chǎn)品那樣獲得規(guī)模收益。因此IP雖然是芯片的基石，但卻是一條艱辛的路。

國(guó)產(chǎn)IP逆襲國(guó)際巨頭盤(pán)踞的市場(chǎng)，一如很多國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品替代國(guó)際產(chǎn)品的道路。如中國(guó)的白色家電也是在幾代人的努力下，首先成功替代國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，進(jìn)而走向國(guó)際市場(chǎng)，將日韓廠商邊緣化，走出了一條國(guó)產(chǎn)替代的大道。不同的是，IP是集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域皇冠上的明珠，技術(shù)含量更高，難度也更大。值得欣慰的是，如今也能看到國(guó)產(chǎn)IP完全能夠替代甚至在很多細(xì)分領(lǐng)域超過(guò)國(guó)外競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

15年來(lái)，數(shù)百芯動(dòng)人抱著“科技報(bào)國(guó)，板凳甘坐十年冷”的理念一直默默的奮斗，堅(jiān)信好的國(guó)產(chǎn)IP一定有被市場(chǎng)認(rèn)可的那一天。當(dāng)美國(guó)對(duì)中國(guó)進(jìn)行芯片制裁后，很多公司和科研院所要找高端替代IP時(shí)，才發(fā)現(xiàn)本土企業(yè)只有芯動(dòng)可以做到。近年來(lái)，芯動(dòng)在圈內(nèi)名聲鵲起，畢竟全球數(shù)以10億計(jì)的高端SoC芯片產(chǎn)品背后都有芯動(dòng)技術(shù)。在困難的IP行業(yè)堅(jiān)持那么多年，足以證明芯動(dòng)是一家有情懷的公司；很多方面能做到世界領(lǐng)先水平，說(shuō)明芯動(dòng)是一家有實(shí)力的公司。這樣的公司，這樣的產(chǎn)品，才是我們國(guó)家新基建戰(zhàn)略安全的基石。

20211012_61654fd9e42d4__ip – 芯片設(shè)計(jì)和科技新基建的基石（芯動(dòng)科技 曾令剛）