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。