半导体IP市场风起云涌,迎来了一个新的发展时期,在这个过程中,接口IP将发挥越来越重要的作用。


目前,半导体行业已经进入后摩尔时代,制程工艺很难像过去30年那样,芯片上的晶体管数量每两年就可以翻倍,近些年,制程节点的演进速度明显放缓,且晶体管数量的增加也越来越艰难。在这种情况下,要想提升芯片性能,同时控制好功耗和成本,就不能局限于传统意义上的制程工艺水平提升了,必须想出新的办法,例如,先进的Die、总线和封装技术等,而这些对IP的种类、数量和创新提出了更高要求,此时,IP在产业内发挥的作用更加凸显。


正因如此,近些年,全球半导体IP市场呈现出快速发展态势,各种类型的IP增速都在加快。按产品类型分,半导体IP大致可分为处理器 IP、接口 IP、物理IP和数字IP。其中,处理器IP是市场规模最大的一类,而增速最快的品类是接口IP。


接口IP包括有线接口IP和无线接口IP:有线接口IP包括USB、PCIe、DDR、SATA、D2D(Die to Die)等,应用较多的为USB、DDR、PCIe、MIPI和以太网IP;无线接口IP主要包括蓝牙、Zigbee、Thread等。有线接口IP占接口IP市场总份额的95%。


据IPnest统计,各类接口IP在2021年产生了13亿美元的收入,同比增长22.7%,这主要归功于PCIe、DDR内存控制器和以太网/ SerDes。IPnest预测接口IP在2026年的市场规模将达到30亿美元。


在过去15年中,IP市场的主要驱动力是智能手机,在这个过程当中,Arm和Imagination等IP厂商是最大受益者。而近些年,以数据为中心为代表的HPC市场蓬勃发展,对DDR内存控制器(DDR5,LPDDR5,HBM),PCIe、CXL和以太网/ SerDes提出了更多需求,此时,主要提供有线接口IP的厂商成为了新的增长引擎,Synopsys和Alphawave是典型代表企业。


下图所示为IPnest给出的IP供应商按许可证(LICENSE)收入的排名情况。

 


从图中可以看出,Synopsys是IP许可收入的第一赢家,2021年市场份额为31.2%,而Arm以25.6%的市场份额排名第二(Arm的主要收入来源为版税,市场占有率超过60%)。


Synopsys的市占率与该公司对有线接口的重点投入有很大关系,Synopsys在高性能SerDes市场占有55.6%的份额,而该类IP是有线高速互连市场的重要支柱,该公司支持几乎所有协议(USB、PCIe、以太网、SATA、HDMI、MIPI、DDR 内存控制器等),并在每个协议IP市场都处于领先地位。


有些惊奇的是,Alphawave排到了第四,仅次于Cadence,显示了高性能SerDes IP对于当下以数据中心应用为主要市场驱动力的重要性,目前,Alphawave是台积电,三星和英特尔IFS等顶级晶圆代工厂7nm、5nm和3nm所需的PAM4 112G SerDes IP的重要供应商。


Alphawave由SerDes专家团队于2017年创建,开发了基于DSP的PAM4 112G,并在2021年创造了8900万美元的IP收入,同比增长了102%,2020年同比增长了75%。该公司成功的关键是瞄准了前沿协议和技术节点,这些在数据中心的计算、存储,以及通过PCIe、CXL等协议进行互连的应用当中发挥着越来越重要的作用。可以说,Alphawave在正确的时间出现在了正确的地方,再加上该公司团队在SerDes设计方面长期的经验积累,才取得了这样的业绩。

 

接口IP与Chiplet相得益彰

 

如前文所述,要进一步延续摩尔定律,接口IP的将发挥越来越重要的作用,目前来看,Chiplet将是推动相关IP发展的重要引擎,特别是在布局Chiplet的D2D接口方面,既需要具备先进制程的支持能力,还需要了解异构,能把28nm、16nm、7nm、5nm等各种制程的Die融合在一起。这就需要具备开发Chiplet架构中两边接口的能力,其对带宽、时延的要求,与传统接口IP相比,提高了很多。不仅如此,设计Chiplet,需要对工艺和封装有很深的了解。所有这些加起来,工作量是巨大的,特别是在验证方面,需要花费的精力、人力和相关资源,比传统设计方案要多很多。


此外,Chiplet设计还涉及协议问题,因为Chiplet属于新生事物,目前仍还处于摸索阶段,相关协议没有定型,各家都有自己的方法,如英特尔的AIB、Co-EMIB技术,AMD的Infinity Fabric On Package (IFOP)接口及MCM Chiplet技术,用7nm Core Die加上14nm IO Die取代传统单芯片。从以上这两家的技术方案可以直观地看出,Chiplet与封装技术紧密相关,这就进一步增加了相关接口IP的设计复杂度。正是因为如此,就需要IP供应商与下游的晶圆代工和封测厂加强合作。

 

中国IP市场潜力巨大

 

IPnest的数据显示,过去5年到未来5年的全球接口IP市场年均复合增长率达到16%,而中国市场增长率更高,虽然接口IP市场前景广阔、增长迅速,但中国市场自给率却不足10%,未来,中国本土IP企业是大有可为的。


近两年,中美贸易关系出现了大问题,我国需要进口的中高端芯片被“卡脖子”了,而处于产业链上游的半导体IP更是被美国监管的重点对象,高端IP进口到中国市场的难度越来越大,以Synopsys为例,很多IP产品不能再像以前那样提供给中国本土客户了,例如华为海思,国内IP短板在这种形势下凸显出来。面对这样的局面,很多在外企工作的中国半导体IP人心里很不是滋味,纷纷回国加入或创建本土IP企业。


未来,中国本土IP企业需要进一步沉下心来,不甘寂寞地专注于高端,特别是高速接口IP的研发。另外,国内该领域没有起色的一个重要原因,就是相关产品和专利被国际大厂垄断了(中国市场90%的高端IP把持在国外大厂手中),在这种情况下,中国半导体IP人还不站出来的话,中国高端IP产品缺乏迭代机会的局面就会永远保持下去,那样的话,这个产业很难发展起来。


近些年,国际贸易限制激发了中国本土半导体IP企业的发展动力,同时,一批新势力也涌现出来。在接口IP领域,中国本土代表企业主要包括芯耀辉、芯动科技、锐成芯微、纳能微、牛芯、和芯微、芯思原、灿芯等。


如前文所述,高速SerDes接口IP已成为以数据中心为代表的HPC应用的关键。中国在这方面的代表企业是芯动科技,该公司可提供16/32/56/64Gbps多标准SerDes解决方案,25G/32Gbps SerDes已经量产,56Gbps SerDes已经发布;另一家厂商牛芯半导体则推出了25/28/32Gbps的SerDes IP;灿芯、和芯微可提供1.25Gbps-12.5Gbps多速率SerDes IP。此外,锐成芯微、纳能微电子也有各种SerDes IP产品。


与Chiplet相关的接口IP方面,芯动科技和芯原微电子已经推出了相关产品。芯原是中国大陆首批加入UCIe产业联盟的企业,该公司推出了基于Chiplet架构设计的高端应用处理器平台,该平台12nm SoC版本已经完成流片,正在进行Chiplet版本的迭代。


存储接口IP方面,以DDR接口为例,DDR PHY和内存控制器是保证SoC和DRAM之间数据传输的关键,随着速度不断提升,DDR模块的设计难度也随之增加,IC设计企业对相关IP的依赖度不断增加。在中国DDR IP供应商中,芯动科技的覆盖面较广,能支持的速率也达到了较高的水平。


中国本土IP新势力芯耀辉正在集中力量研发28nm/14nm/12nm及更先进工艺IP,该公司还开发了DDR PHY IP产品,目前尚不清楚其所能支持的DDR应用有哪些。目前,芯耀辉正从可靠的SI(信号完整性)和PI(电源完整性)分析、高可靠性训练设计、高性能DDR IO设计和多频点快速切换这四方面入手,攻克DDR PHY技术瓶颈。


此外,灿芯和牛芯半导体也是中国本土DDR IP的重要力量。 

 

结语

 

在宏观世界,万物互联已经成为全球IT界的共识,而在集成电路层面,一个微观的“万物互联”世界正在形成,也就是说,一个芯片上,或一个类似于芯片的高密度封装模块内,所要承载的功能块越来越多,这是应用需求和技术发展共同作用的结果。


集成电路的异构,使得组成部分数量不断增加,各个组成部分之间的连接需求愈加迫切,传统方法和技术已经难以满足这么多数量、这么高速度连接的要求。这给半导体IP厂商提供了更多的发展机遇,这其中,接口IP是重中之重。


传统上,处理器IP是整个IP市场最大的一支,但随着异构计算的崛起,各种接口IP迎来了新的发展机遇,这是一片蓝海,谁能够看准发展方向,并抓住机遇,只要找对了一个突破口,就有望在较短时间内,实现快速发展,前文提到的Alphawave就是抓住了数据中心SerDes发展的窗口期,在很短时间内市占率就达到了行业前四的水平。相信类似的事情在今后会越来越多。