英伟达收购 Arm 的新闻引起了海内外的轰动,作为英国科技业“皇冠上的明珠”,Arm 的命运对英国的未来至关重要,也对全球的发展有着很大的影响。英国担心技术主权的流失,以及工人失业,其他人担心 Arm 还能保持中立否?同门师兄弟 RISC-V 也再次被推上风口浪尖。有人说,如果美国企业英伟达真的将 Arm 收入麾下,那么必将会让美国补上 IP 这个芯片领域的重要一环。但即使不收购 Arm,美国的 IP 实力也是冠绝全球的。

说说 IP 核

在半导体中,我们常说的 IP,其实是指 IP 核心(半导体知识产权核)。半导体 IP (Intellectual Property)指在集成电路设计中,经过验证的、可重复使用且具备特定功能的集成电路模块,通常由第三方开发。IP 内核可以许可给另一方,也可以由一个单独方拥有和使用。IP 能帮助降低芯片开发的难度、缩短芯片的开发周期并提升芯片性能,是集成电路产业链上游关键环节,主要客户是设计厂商。

根据不同的设计 IP,半导体 IP 市场可分为处理器 IP、接口 IP、内存 IP 以及其他 IP (模拟到数字 IP 和数字到模拟 IP);在 IP 核的基础上,半导体 IP 市场主要细分为软核和硬核;按收费方式分类,IP 商提供许可 ( license ) 和版税 (royalty) 两种模式,其中版税占据较大份额。在许可(Licensing)模式下,设计商按 IP 授权次数付费,是一次性产品授权费。在版税(Royalty)模式下,设计商按制造的芯片数量付费,是跟产品销量挂钩的授权费。

据 Markets and Markets 预测,半导体 IP 市场将从 2017 年的 47 亿美元增长到 2024 年的 65 亿美元,预计将推动市场发展的主要因素是消费电子领域的多核技术的进步以及对现代 SoC 设计的需求不断增长。其中处理器 IP 市场将占据最大的市场份额,因为处理器 IP 在消费类电子产品和汽车垂直行业中有多个用例,尤其是汽车领域,随着自动驾驶的来临,汽车半导体 IP 市场将以最高复合年增长率增长。这些处理器主要包括微处理器单元(MPU),微控制器单元(MCU)和数字信号处理器(DSP)。

再者就是,版税的半导体 IP 市场预计将占据最大份额。在特许权 IP 采购中,芯片制造商必须为制造的每个芯片付费。由于技术市场的波动,特许权使用费的市场正在蓬勃发展,因为版税的模式可以帮助制造商生产所需数量的产品,并且只需为该产品支付一定比例的版税即可。

“满屏的”美国 IP 厂商

IP 核在芯片设计中的许可和使用在 1990 年代很普遍。如今,使用最广泛的 IP 内核来自 Arm,Synopsys,Imagination 和 Cadence。下图 1 是全球前十五的设计 IP 厂商排名,而在这些主要的厂商中,美国几乎占据了大半壁江山,见图 2。

美国芯片 IP 实力大盘点

图 1:全球 TOP15 半导体 IP 厂商排名

美国芯片 IP 实力大盘点

图 2:半导体 IP 厂商所属国家

按产品种类分类,半导体 IP 厂商主要提供包括处理器 IP、有线接口 IP、物理 IP 等不同产品。处理器 IP 是一种数字电路,用于完成取指令、执行指令及与外界存储器和逻辑部件交换信息等操作,主要包括 CPU IP、GPU IP、神经网络处理器 IP (NPU IP)、视频处理器 IP (VPU IP)、DSP IP、图像信号处理器 IP (ISP IP)六大类。接口 IP 集成了基于协议的功能,其最大份额来自于以数据为中心的应用,主要包括通用串行总线(USB IP)、串行高级技术附件(SATA IP)、高清多媒体接口 / 显示端口(HDMI/DP IP)等。物理 IP 主要用于模拟及混合信号、物理接口、存储单元和其他的数字 IP,主要包括数模混合 IP、射频 IP 等。

在这些不同的 IP 产品中,其中接口 IP 在市场上的重要性正在增长。接口类 IP 主要集成了基于协议的功能,如 USB、PCI Express、以太网、MIPI、SATA、DP,以及 Die-to-Die (D2D) 接口和内存控制器 (DDRn、LPDDRn、HBM、GDDR)。

根据 IPnest 的统计,2018 到 2019 年,处理器 IP 的市场份额从 53.5% 下降到 51%,而接口类 IP 的市场份额则从 20.3% 上升到 22.1%。从增长和市场份额来看,接口 IP 市场是最大的赢家,2019 年的份额为 8.7 亿美元。而在 2009 年,接口 IP 类别仅占了 2.2 亿美元,在 10 年里翻了 4 倍。

美国芯片 IP 实力大盘点

2018-2019 年 IP 分类的演进(资料来源:IPnest)

具体来看美国各大 IP 供应商所经营的情况:

美国两大“一站式”IP 供应商

除了 Arm 之外,EDA 软件工具商 Synopsys 和 Cadence 也是 IP 阵营的主要参与者。而且就半导体知识产权(IP)的前期技术许可的收入而言,Synopsys 在 2019 年的表现优于 ARM。

美国芯片 IP 实力大盘点

2019 年半导体 IP 许可的市场份额,但不包括特许权使用费。(资料来源:IPnest)

2019 年 Synopsys 收入同比增长 13.8%,取得了 18.2%的市场份额,是目前除 ARM 外唯一市占率超过 10% 的半导体 IP 公司。Synopsys 市占率提升的主要原因是近年来数据中心蓬勃发展带动接口 IP 需求的增长。2019 年 Synopsys 的最高增长来自接口 IP 类别,大约占据 19.3% 的来源,其他类别也有贡献,但较少。目前,在有线接口类别中,Synopsys 市占率排名第一,2018 年其份额达到 45%。排在第三的 Cadence 也是主要通过共享接口 IP 和 DSP IP 为主要收入。

Synopsys 和 Cadence 的增长率表明他们的 IP 长期战略是成功的。两家 EDA 供应商围绕着“一站式”IP 供应商战略,通过收购各自领域内领先的中小型 IP 优质供应商,创建了自己的 IP 产品。但成为“一站式”供应商战略之所以成为可能,是因为两家公司都是足够大的公司,财力雄厚,可以通过多次收购来支持这一定位。

Synopsys 从 2000 年初开始就开始了一系列收购,据不完全统计 Synopsys 共收购了近 20 家 IP 供应商。比较有代表的是 IP 供应商 ARC,Synopsys 2010 年以 3.15 亿美元收购 IP 供应商 Virage;2015 年收购 Elliptic Technologies 公司以及 Vision 的 Bluetooth Smart IP;2017 年收购了 Sidesense;2018 年以非公开的价格收购了非易失性内存 IP 供应商 Kilopass;2020 年 1 月,Synopsys 又收购了 INVECAS 部分 IP 资产,这有助于拓展新思科技 DesignWare 逻辑库、通用 I/O、嵌入式内存、接口和模拟 IP 产品组合。

Cadence 定位在 IP 是在 2010 年收购 IP 验证公司 Denali 开始。2013 年,Cadence 又收购了 IP 供应商 Cosmic Circuits 和 Tensilica,收购两家公司之后,Cadence 在 2013 年跻身半导体 IP 核心供应商的前四名。2017 年 11 月,Cadence 收购了专注在超高速 SerDes 通信 IP 的公司 nusemi inc,nusemi 的超高速 SerDes 技术将有效补充 Cadence 强势 IP 产品,包括内存 IP、存储 IP、互联 IP 和数字信号处理(DSP) IP 的全套方案。

存储器 IP 领域的领导者 SST

SST 提供 NVM IP,该领域无可争议的领导者,收入超过 1 亿美元或超过 2 倍的第二收入。

Silicon Storage Technology (简称“SST”)成立于 1989 年,于 1995 年上市,并于 2010 年 4 月被 Microchip 收购。SST 现在是 Microchip 的全资子公司,总部位于加利福尼亚州圣何塞。

SST 是 SuperFlash® 技术的创造者,该技术是一种创新,高度可靠且用途广泛的 NOR 闪存。

SuperFlash 技术于 1995 年与 ESF-1 (第一代嵌入式 SuperFlash)一起投入量产。开发中的最新一代产品是用于 28 nm 工艺节点的 ESF-3。从 ESF-1 到 ESF-3,该技术已被证明具有可扩展性,与标准制造工艺兼容且高度可靠。它还通过高产,面积优化的 IP 和低掩膜数量的铸造工艺来降低与大批量生产相关的成本。

“随着半导体行业的无晶圆厂化,越来越多的半导体公司通过 SST 的灵活许可模式利用我们差异化的非易失性存储器 IP 解决方案,”SST 技术许可副总裁 Mark Reiten 说。“随着我们与一系列代工厂,IDM 和无晶圆厂合作伙伴的建立,SuperFlash 技术已成为半导体行业创新的隐秘宝石。这项技术正通过其依赖的电子设备和机器悄悄地普及到世界上的大多数人口。”

排名第九的 Rambus 为各种类型的内存和 SerDes 提供 PHY 和控制器 IP,聚焦于 DRAM 的 IP 供应,在内存接口 IP 市场份额排行全球第三。Rambus 的发展过程也有不少收购:2010 年 5 月 Rambus 以 225 万美元的价格收购了 unio - pixel 的部分 IP 产品,涉及动态背光、现场顺序彩色显示和时间多路光快门显示技术;2016 年 8 月,以 3200 万美元收购 Semtech 公司的 Snowbush IP 资产,该公司是一家高性能串行链路解决方案提供商;2019 年 12 月,Rambus 以 4500 万美元的价格从 Verimatrix(以前是 Inside secure) 收购了硅 IP、安全协议和供应业务。

FPGA 和 eFPGA IP 供应商

排在第八位的 Achronix 是唯一在批量生产中同时具有高性能和高密度独立 FPGA 和嵌入式 FPGA (eFPGA)解决方案的 IP 供应商。

2013 年,Achronix 推出了 Speedster®22i FPGA 系列,并提供了用于高性能有线应用的嵌入式系统级 IP,从而交付了业界最先进的 FPGA。

2016 年,Achronix 开始向世界上一些最大的技术公司交付 Speedcore™嵌入式 FPGA (eFPGA) IP。Speedcore IP 是全球唯一在大批量应用中投入生产的 eFPGA IP 解决方案。Speedcore IP 目前可用于 TSMC 16FF +,TSMC 7nm 和 TSMC 12FFC 技术。

在 2019 年,Achronix 宣布推出基于台积电 7nm FinFET 技术的革命性 Speedster7t FPGA 产品系列,这是第一个提供 2D 片上网络(NoC)和针对 AI / ML 工作负载进行了优化的机器学习处理器的 FPGA 架构。

另外,还有美国的 Flex Logix 也是 eFPGA 硬 IP 和软件的领先提供商。Flex Logix 的 EFLX eFPGA 现在可用于 12、16、22、28 和 40nm,是台积电的第一个 eFPGA IP 联盟合作伙伴。

同门师兄弟 MIPS 和 RISC-V

今年 4 月 29 日,美国 AI 初创企业 Wave Computing 根据美国《破产法》第 11 章向美国加利福尼亚州北区圣荷西分部破产法院提交了救济申请书。MIPS 未来究竟属于哪个国家,还不得而知,鉴于其没有落到实处,暂且还将其归到美国阵营。

尽管智能手机热潮绕过了 MIPS 架构,但基于它的近 100 亿个芯片已经运用于成千上万的电子设备中。MIPS 架构在嵌入式处理器市场中扮演着重要角色,包括 Microchip,Mobileye 和 MediaTek 在内的数百家客户继续在商业上使用它。常见的应用是机顶盒,住宅网关和路由器。

国内也有不少 MIPS 的忠实用户,国人较为熟悉的如龙芯、君正、珠海炬力,还有上海芯联芯今年也取得了 MIPS 在中国的独家商业经营权。

另一个广受业界关注的 RISC-V,美国也是比较早涉猎的,美国的 SiFive 是第一家基于自由开放的 RISC-V 指令集架构构建定制硅的无晶圆厂半导体公司。它将开源 RISC-V ISA 的功能与 CPU IP 的创新相结合,带给了半导体行业,从而使开发特定领域的硅变得比以往更快。SiFive Core IP 产品组合涵盖了从高性能多核异构应用处理器到区域优化的低功耗嵌入式微控制器。SiFive Core IP 标准核心微体系结构基于 RISC-V ISA,可提供 64 位和 32 位选项。

NoC 互联 IP 厂商 Arteris IP 跻身第 12 位

2019 年,美国 IP 厂商 Arteris IP 跻身半导体 IP 供应商 15 强之列,排在第 12 位。在前 15 家半导体 IP 公司中,Arteris IP 的年营收增长率位居第二,并凭借其 2019 年 3400 万美元的营收,在互连 IP 市场占据了 31.3% 的份额。这种增长来自全球所有地区和所有用于领先应用的产品线 (FlexNoC Interconnect、Ncore Cache Coherent Interconnect、CodaCache Last Level Cache IP),如机器学习、汽车、5G 和基础设施 SoCs。

Arteris 发明了业界第一个商用芯片网络 (NoC) SoC 互连 IP 解决方案,是业界的领导者。Arteris 为片上系统 (SoC) 制造商提供片上网络 (NoC) 互连半导体知识产权 (IP),因此他们可以减少周期时间,增加利润,并容易地增加功能。

Arteris IP 为百度、Mobileye、三星、华为 / HiSilicon、东芝和 NXP 等客户提供网络芯片 (NoC) 互连 IP,用于加速系统芯片 (SoC) 半导体组装,应用范围广泛,从 AI 到汽车、手机、物联网、相机、SSD 控制器和服务器。与传统的解决方案不同,Arteris interconnect 即插即用技术是灵活和高效的,允许设计师优化吞吐量、功率、延迟和平面图。

结语

由上文分析可以看出,美国成功的 IP 厂商可以分为两类:一类是如 Synopsys 和 Cadence 等大型 EDA 公司提供一站式的 IP 组合;另一类是,是那些非常专注并有能力成为其细分市场或子细分市场技术领导者的公司。这些 IP 供应商的秘密就是其设计 (和产品) 的质量是第一位的,能够提供创新和先进的解决方案紧随其后。这或许是我们的一大借鉴思路。

反观管内,从排行榜中也可以看出,大陆只有芯原股份上榜全球 IP 榜单,当前国产 IP 的产业影响力相对较小,但是本土企业已积极布局。目前中国大陆有平头哥、芯来、芯原股份、寒武纪、华大九天、橙科微、IP Goal 和 Actt 等 IP 厂商。而从其产品布局和市场影响力来看,这些 IP 厂商还有很长的一段路要走。

来源:半导体行业观察

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