半導體IP藍海將至，誰能爭得新王座？

半導體IP市場風起云涌，迎來了一個新的發(fā)展時期，在這個過程中，接口IP將發(fā)揮越來越重要的作用。

目前，半導體行業(yè)已經(jīng)進入后摩爾時代，制程工藝很難像過去30年那樣，芯片上的晶體管數(shù)量每兩年就可以翻倍，近些年，制程節(jié)點的演進速度明顯放緩，且晶體管數(shù)量的增加也越來越艱難。在這種情況下，要想提升芯片性能，同時控制好功耗和成本，就不能局限于傳統(tǒng)意義上的制程工藝水平提升了，必須想出新的辦法，例如，先進的Die、總線和封裝技術(shù)等，而這些對IP的種類、數(shù)量和創(chuàng)新提出了更高要求，此時，IP在產(chǎn)業(yè)內(nèi)發(fā)揮的作用更加凸顯。

正因如此，近些年，全球半導體IP市場呈現(xiàn)出快速發(fā)展態(tài)勢，各種類型的IP增速都在加快。按產(chǎn)品類型分，半導體IP大致可分為處理器 IP、接口 IP、物理IP和數(shù)字IP。其中，處理器IP是市場規(guī)模最大的一類，而增速最快的品類是接口IP。

接口IP包括有線接口IP和無線接口IP：有線接口IP包括USB、PCIe、DDR、SATA、D2D（Die to Die）等，應用較多的為USB、DDR、PCIe、MIPI和以太網(wǎng)IP；無線接口IP主要包括藍牙、Zigbee、Thread等。有線接口IP占接口IP市場總份額的95%。

據(jù)IPnest統(tǒng)計，各類接口IP在2021年產(chǎn)生了13億美元的收入，同比增長22.7%，這主要歸功于PCIe、DDR內(nèi)存控制器和以太網(wǎng)/ SerDes。IPnest預測接口IP在2026年的市場規(guī)模將達到30億美元。

在過去15年中，IP市場的主要驅(qū)動力是智能手機，在這個過程當中，Arm和Imagination等IP廠商是最大受益者。而近些年，以數(shù)據(jù)為中心為代表的HPC市場蓬勃發(fā)展，對DDR內(nèi)存控制器（DDR5，LPDDR5，HBM），PCIe、CXL和以太網(wǎng)/ SerDes提出了更多需求，此時，主要提供有線接口IP的廠商成為了新的增長引擎，Synopsys和Alphawave是典型代表企業(yè)。

下圖所示為IPnest給出的IP供應商按許可證（LICENSE）收入的排名情況。

從圖中可以看出，Synopsys是IP許可收入的第一贏家，2021年市場份額為31.2%，而Arm以25.6%的市場份額排名第二（Arm的主要收入來源為版稅，市場占有率超過60%）。

Synopsys的市占率與該公司對有線接口的重點投入有很大關(guān)系，Synopsys在高性能SerDes市場占有55.6%的份額，而該類IP是有線高速互連市場的重要支柱，該公司支持幾乎所有協(xié)議（USB、PCIe、以太網(wǎng)、SATA、HDMI、MIPI、DDR 內(nèi)存控制器等），并在每個協(xié)議IP市場都處于領(lǐng)先地位。

有些驚奇的是，Alphawave排到了第四，僅次于Cadence，顯示了高性能SerDes IP對于當下以數(shù)據(jù)中心應用為主要市場驅(qū)動力的重要性，目前，Alphawave是臺積電，三星和英特爾IFS等頂級晶圓代工廠7nm、5nm和3nm所需的PAM4 112G SerDes IP的重要供應商。

Alphawave由SerDes專家團隊于2017年創(chuàng)建，開發(fā)了基于DSP的PAM4 112G，并在2021年創(chuàng)造了8900萬美元的IP收入，同比增長了102%，2020年同比增長了75%。該公司成功的關(guān)鍵是瞄準了前沿協(xié)議和技術(shù)節(jié)點，這些在數(shù)據(jù)中心的計算、存儲，以及通過PCIe、CXL等協(xié)議進行互連的應用當中發(fā)揮著越來越重要的作用?？梢哉f，Alphawave在正確的時間出現(xiàn)在了正確的地方，再加上該公司團隊在SerDes設(shè)計方面長期的經(jīng)驗積累，才取得了這樣的業(yè)績。

接口IP與Chiplet相得益彰

如前文所述，要進一步延續(xù)摩爾定律，接口IP的將發(fā)揮越來越重要的作用，目前來看，Chiplet將是推動相關(guān)IP發(fā)展的重要引擎，特別是在布局Chiplet的D2D接口方面，既需要具備先進制程的支持能力，還需要了解異構(gòu)，能把28nm、16nm、7nm、5nm等各種制程的Die融合在一起。這就需要具備開發(fā)Chiplet架構(gòu)中兩邊接口的能力，其對帶寬、時延的要求，與傳統(tǒng)接口IP相比，提高了很多。不僅如此，設(shè)計Chiplet，需要對工藝和封裝有很深的了解。所有這些加起來，工作量是巨大的，特別是在驗證方面，需要花費的精力、人力和相關(guān)資源，比傳統(tǒng)設(shè)計方案要多很多。

此外，Chiplet設(shè)計還涉及協(xié)議問題，因為Chiplet屬于新生事物，目前仍還處于摸索階段，相關(guān)協(xié)議沒有定型，各家都有自己的方法，如英特爾的AIB、Co-EMIB技術(shù)，AMD的Infinity Fabric On Package (IFOP)接口及MCM Chiplet技術(shù)，用7nm Core Die加上14nm IO Die取代傳統(tǒng)單芯片。從以上這兩家的技術(shù)方案可以直觀地看出，Chiplet與封裝技術(shù)緊密相關(guān)，這就進一步增加了相關(guān)接口IP的設(shè)計復雜度。正是因為如此，就需要IP供應商與下游的晶圓代工和封測廠加強合作。

中國IP市場潛力巨大

IPnest的數(shù)據(jù)顯示，過去5年到未來5年的全球接口IP市場年均復合增長率達到16%，而中國市場增長率更高，雖然接口IP市場前景廣闊、增長迅速，但中國市場自給率卻不足10%，未來，中國本土IP企業(yè)是大有可為的。

近兩年，中美貿(mào)易關(guān)系出現(xiàn)了大問題，我國需要進口的中高端芯片被“卡脖子”了，而處于產(chǎn)業(yè)鏈上游的半導體IP更是被美國監(jiān)管的重點對象，高端IP進口到中國市場的難度越來越大，以Synopsys為例，很多IP產(chǎn)品不能再像以前那樣提供給中國本土客戶了，例如華為海思，國內(nèi)IP短板在這種形勢下凸顯出來。面對這樣的局面，很多在外企工作的中國半導體IP人心里很不是滋味，紛紛回國加入或創(chuàng)建本土IP企業(yè)。

未來，中國本土IP企業(yè)需要進一步沉下心來，不甘寂寞地專注于高端，特別是高速接口IP的研發(fā)。另外，國內(nèi)該領(lǐng)域沒有起色的一個重要原因，就是相關(guān)產(chǎn)品和專利被國際大廠壟斷了（中國市場90%的高端IP把持在國外大廠手中），在這種情況下，中國半導體IP人還不站出來的話，中國高端IP產(chǎn)品缺乏迭代機會的局面就會永遠保持下去，那樣的話，這個產(chǎn)業(yè)很難發(fā)展起來。

近些年，國際貿(mào)易限制激發(fā)了中國本土半導體IP企業(yè)的發(fā)展動力，同時，一批新勢力也涌現(xiàn)出來。在接口IP領(lǐng)域，中國本土代表企業(yè)主要包括芯耀輝、芯動科技、銳成芯微、納能微、牛芯、和芯微、芯思原、燦芯等。

如前文所述，高速SerDes接口IP已成為以數(shù)據(jù)中心為代表的HPC應用的關(guān)鍵。中國在這方面的代表企業(yè)是芯動科技，該公司可提供16/32/56/64Gbps多標準SerDes解決方案，25G/32Gbps SerDes已經(jīng)量產(chǎn)，56Gbps SerDes已經(jīng)發(fā)布；另一家廠商牛芯半導體則推出了25/28/32Gbps的SerDes IP；燦芯、和芯微可提供1.25Gbps-12.5Gbps多速率SerDes IP。此外，銳成芯微、納能微電子也有各種SerDes IP產(chǎn)品。

與Chiplet相關(guān)的接口IP方面，芯動科技和芯原微電子已經(jīng)推出了相關(guān)產(chǎn)品。芯原是中國大陸首批加入UCIe產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的企業(yè)，該公司推出了基于Chiplet架構(gòu)設(shè)計的高端應用處理器平臺，該平臺12nm SoC版本已經(jīng)完成流片，正在進行Chiplet版本的迭代。

存儲接口IP方面，以DDR接口為例，DDR PHY和內(nèi)存控制器是保證SoC和DRAM之間數(shù)據(jù)傳輸的關(guān)鍵，隨著速度不斷提升，DDR模塊的設(shè)計難度也隨之增加，IC設(shè)計企業(yè)對相關(guān)IP的依賴度不斷增加。在中國DDR IP供應商中，芯動科技的覆蓋面較廣，能支持的速率也達到了較高的水平。

中國本土IP新勢力芯耀輝正在集中力量研發(fā)28nm/14nm/12nm及更先進工藝IP，該公司還開發(fā)了DDR PHY IP產(chǎn)品，目前尚不清楚其所能支持的DDR應用有哪些。目前，芯耀輝正從可靠的SI（信號完整性）和PI（電源完整性）分析、高可靠性訓練設(shè)計、高性能DDR IO設(shè)計和多頻點快速切換這四方面入手，攻克DDR PHY技術(shù)瓶頸。

此外，燦芯和牛芯半導體也是中國本土DDR IP的重要力量。 

結(jié)語

在宏觀世界，萬物互聯(lián)已經(jīng)成為全球IT界的共識，而在集成電路層面，一個微觀的“萬物互聯(lián)”世界正在形成，也就是說，一個芯片上，或一個類似于芯片的高密度封裝模塊內(nèi)，所要承載的功能塊越來越多，這是應用需求和技術(shù)發(fā)展共同作用的結(jié)果。

集成電路的異構(gòu)，使得組成部分數(shù)量不斷增加，各個組成部分之間的連接需求愈加迫切，傳統(tǒng)方法和技術(shù)已經(jīng)難以滿足這么多數(shù)量、這么高速度連接的要求。這給半導體IP廠商提供了更多的發(fā)展機遇，這其中，接口IP是重中之重。

傳統(tǒng)上，處理器IP是整個IP市場最大的一支，但隨著異構(gòu)計算的崛起，各種接口IP迎來了新的發(fā)展機遇，這是一片藍海，誰能夠看準發(fā)展方向，并抓住機遇，只要找對了一個突破口，就有望在較短時間內(nèi)，實現(xiàn)快速發(fā)展，前文提到的Alphawave就是抓住了數(shù)據(jù)中心SerDes發(fā)展的窗口期，在很短時間內(nèi)市占率就達到了行業(yè)前四的水平。相信類似的事情在今后會越來越多。