先進製程與 Chiplet 推動矽智財需求

 半導體 IP 是指 IC 設計中預先設計, 經過重覆驗證的, 可重覆使用的功能模塊. 半導體 IP 服務於 IC 設計, 因部分通用功能模塊在 IC 中被反覆使用, 半導體 IP 即為此類預先設計好的功能模塊, 從而在 IC 設計中結合使用 EDA 軟件與半導體 IP 來縮短 IC 設計周期, 降低開發成本.

半導體 IP 核可應用於 IC 中多個功能部件. IP 核可應用於 IC 中多個組件, 當前的 IP 供應商可提供 IC 中絕大部分部件的 IP, 如處理器, 外圍接口, 類比部件, RAM/ROM, 安全模塊等, 不同組件對應於不同的 IP 需求. 通過將不同組件的 IP 組合起來構成一塊完整的 IC 設計版圖.

IC 設計由自主設計部分與外購 IP 組合而成, 外購 IP 占比有提高趨勢. 經過多次驗證且可重覆使用的外購 IP 核可減少設計工作量, 縮短設計周期, 提高 IC 設計的成功率. 當前 IC 設計中驗證 IP, 嵌入式存儲 IP 以及有線接口 IP 中的外購 IP 部分已超過 50%, CPU 等處理器 IP 外購占比更高.

半導體 IP 行業處於產業鏈最上游, 為 IC 設計提供基本模塊. 半導體產業鏈可大體分為 IC 設計, 制造與封測三環節, 目 前 IC 廠商大多採用外購部分 IP+自主設計部分 IP, 結合外購 EDA 工具進行獨立 IC 設計的模式, Fabless 與 IDM 企業為 IP 核廠商的主要下游. 

按照交付方式分, 可以將 IP 內核分為;  硬核: 是較為成熟的板塊 IP, 主要以偏後期的版圖形式存在, 硬核提供設計的最終階段產品即光罩. 固核: 對於一些對時序要求嚴格的內核, 可預布線特定信號或分配特定的布線資源, 以滿足時序要求. 軟核: 是最原始的 IP,  主要以 HDL 等硬件描述語言存在, 軟核 IP 的設計周期相對較短, 設計投入相對較少.

按產品類型分, 半導體 IP 常見分類為處理器 IP, 接口 IP (主要有 SerDes, USB, DDR, PCIe, MIPI,  SATA 等),  物理 IP 與數位 IP, 往下細分又可分為處理器, 接口, 類比 (主要為電源管理類與信號鏈), 基礎 (部分存儲 IP, 邏輯單元庫與 IO 等), 安全 IP 以及 SoC 架構 和 IP 加速.

處理器 IP 是半導體 IP 中最大市場規模的子類. 主要處理器 IP 可分為 CPU IP, GPU IP, NPU IP, VPU IP, DSP IP 以及 ISP IP 六類, 其中 CPU IP 市場規模最大, 同時也具有極高的技術壁壘與生態壁壘, 海外主要玩家為 ARM, Cadence 與 Synopsys 三家.

接口 IP 包括有線接口 IP 與無線接口 IP, 為增速最快子類. 接口 IP 中主要為有線接口 IP, 有線接口 IP 包括 USB IP,  PCIe IP, DDR IP, SATA IP, D2D IP 等, 其中應用較多的為 USB, DDR, PCIe, MIPI 與以太網 IP. 無線接口 IP 主要包括藍牙, Zigbee, Thread IP 等.

物理 IP 可分為射頻 IP 與數類混合 IP. 其中物理接口類 IP 如 DDR 控制器 IP 等也可歸為接口類 IP, 在 IPnest 的行業 統計口徑中並入到接口 IP 類別中. 物理 IP 當中數模類合 IP 種類較多, 包括 SoC 子系統, 數據接口, 存儲, 單元庫 以及類比 IP 等.

半導體類存儲又可分為易失性存儲與非易失性存儲 (NVM), 易失性存儲類 IP 主要包括 SRAM 與 TCAM 等其他 IP, NVM 主要可按可編程次數分為 OTP 與 MTP, 各類存儲器又具有多種實現方式, 而不同存儲器在讀寫方式, 可編程性, 存儲方式上等都具有不同特性, 從而需要不同的半導體 IP.

半導體 IP 授權業務主要是 IP 授權給客戶使用, 並提供相應的配套軟件與技術支持. 知識產權授權模式為向客戶交付 IP 時進行一次性收費, 特許權授權即版稅的付費模式為客戶完成 IC 量產和銷售後按費率產生收入, 版稅收入將依賴於客戶搭載 IP 產品的銷量.  

隨制程的不斷進步, IC 設計軟硬件成本均增長明顯. Synopsys 數據估計在 5nm 制程下 IC 設計成本可達 5 億美元以上, 其中軟件成本與 硬件成本占比基本持平, 軟件成本主要包括驗證, 原型與相關軟件, 而外購 IP 核可快速完成 IC 設計中通用模塊的開發, 縮減 IC 設計成本, 提升研發效率. 

Chiplet 是一種可平衡計算性能與成本, 提高設計靈活度, 且提升 IP 模塊經濟性和覆用性的新技術之一.  Chiplet 實現原理與搭積木相仿, 把一些預先在工藝線上生產好的實現特定功能的晶片裸片, 通過先進的集成技術 (如 3D 集成等) 集成封裝在一起, 從而形成一個系統晶片.