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【2021-2022专题】半导体IP:我有两个支点 预备撬动6000亿美元市场

来源:爱集微

#年度专题#

#半导体IP#

01-04 07:14

编者按:2021年,半导体行业依然在挑战中前行。后疫情时代、产能紧张、地缘政治等因素仍深刻地影响着全球半导体产业链及生态。2022年,全球半导体行业如何发展?新的挑战又会从何而来?为了厘清这些问题,集微网特推出【2021-2022专题】,围绕热点话题、热门技术和应用、重大事件等多维度梳理,为上下游企业提供参考镜鉴。

集微网报道,我们往往很难单从市场规模来论述IP对于整个半导体产业链的重要性。相对于SIA给出的2021年全球半导体市场5530亿美元的规模,多数机构对IP市场同期市场规模的预测堪堪超过50亿美元,增速更是大大落后于产业整体。

缺芯让产业注意力从设计转移至制造,使身处拐点的IP产业显得更加静默。但一些变革已深深影响到产业链的各个环节,摩尔定律失效、先进封装提速、异构集成崛起……这些2021年半导体产业关键词背后,IP革命已悄然展开。

在风云变幻的2021年,由RISC-V引领的芯片架构竞争格局重塑,Chiplet带来的D2D接口IP崛起和异构集成高端IP市场扩容,构成了IP产业变革的两大要素,预备成为两大支点,撬动2022年的6000亿美元、甚至更大的半导体产业。

RISC-V进入爆发前夜 芯片架构竞争格局重塑

2020年9月,英伟达宣布将以400亿美元的价格从软银集团手中收购Arm,让刚刚为了规避地缘政治风险而将基金会迁移至瑞士的RISC-V,受到了开发至今最大程度的瞩目。

虽然从目前来看,这项交易获得审批通过的可能性已变得越来越小,但RISC-V仍然在2021年迎来了更多的玩家,以及更加友好的生态,这表明,RISC-V并非仅仅是Arm back-up,除了免费、开源且不受出口限制以外,基于其优势特性的市场需求正在起量。

从技术角度来说,RISC-V架构出色的灵活性、可扩展性和功耗优化已得到业内公认,在5G、IoT时代快步到来的当下,物联网将是发挥其最大效能的主战场之一。此外,在半导体行业迎来众多初创企业的当下,RISC-V将会是其平衡成本、研发的最佳选择。

Counterpoint Research报告指出,到2025年,全球半导体IP市场规模将以11%复合年增长率增长,达到86亿美元,其中RISC-V的作用不容忽视。另据德勤近期行业报告预测,RISC-V处理内核的市场将在2022年较2021年翻番,并且在2023年将再次翻番。强劲的市场增量由几大半导体巨头共同引领。首先是英特尔,年初即有消息传出,其将收购基于RISC-V架构的SiFive,虽然最新消息称该谈判由于在财务条款及技术整合方式上没能达成一致而宣告破裂,但作为几十年来X86架构的最大受益者,英特尔此举意味浓厚。

与最初业内猜想英特尔此举是为应对英伟达收购Arm不同,事实上,今年以来,英特尔RISC-V动作频频,例如计划首发的7nm CPU将基于与SiFive合作的Horse Creek平台,采用RISC-V架构,这一消息近期在SiFive的新闻稿中被证实。

需要指出的是,一些观点认为,英特尔采用RISC-V核心的并非为主要CPU,而是作为辅助使用,这也印证行业内对RISC-V一种发展趋势的判断,即凭借设计弹性,作为X86、Arm架构的补充,在如高性能计算(HPC)等新兴应用市场将得到更加广泛的应用。

另一不能忽视的RISC-V玩家是中国。德勤最新报告指出,在地缘政治威胁之下,更多的中国设计公司为规避风险,将选择RISC-V架构以减少对海外供应商的依赖。数据统计显示,大约三分之一的RISC-V组织成员来自中国,多家中国大公司已经发布了RISC-V芯片。

其中,身处地缘政治风暴核心已久的华为,对RISC-V的多年布局,终于在2021年年末迎来曙光乍现。就在本月,华为海思传闻已久的高清电视芯片Hi373V110露出庐山真面目,这或是华为基于RISC-V架构推出的首款处理器,且支持鸿蒙操作系统。

同样也是在本月月初,中科院计算所研究员包云岗公开表示,高性能RISC-V开源处理器“香山”第一代内核“雁栖湖”已经在7月15日流片,基于28nm工艺,裸片面积6.6平方毫米,单核二级缓存1MB,预计功耗5W。第二代核心“Nanhu”目标是14nm 2GHz。

生态系统方面,今年10月,阿里平头哥宣布全栈开源玄铁RISC-V系列处理器,并开放系列工具及系统软件。这一举措将极大推动RISC-V架构走向成熟,帮助RISC-V软硬件技术加速融合发展,推动创新落地。而在此之前,玄铁910已宣布实现兼容安卓。

与上述两大玩家不同,凭借2020年推出自研芯片M1成功证明自身半导体研发实力的苹果,更像是伺机而动的利益收割者。尽管M1芯片采用Arm架构,极大加深了Arm架构在PC领域对X86架构的威胁,但这并不表示苹果是Arm架构的绝对拥护者。

根据9月的一份招聘通知,苹果正计划为一个跨软硬件的研发团队招揽RISC-V高性能程序员,该团队正实施创新的RISC-V解决方案,以支持机器学习、视觉算法、信号和视频处理等计算。鉴于苹果在科技行业的影响力,这一小小的招聘启示,传递的信息量是庞大的。

对于财大气粗的苹果来说,为了节省几百万的Arm架构许可费转向RISC-V的说法是站不住脚的,更符合逻辑的理解是,RISC-V作为一种开源的架构,在摩尔定律难以支撑算力高速发展的前提下,相较于封闭的Arm、X86等架构,更利于后来者如苹果进行自由开发。

新老巨头争相入场,地缘政治加速生态建设,RISC-V已进入爆发前夜,但这一夜或许比想象的漫长。当前,RISC-V仍缺乏Arm或X86架构的某些功能,并且在代工制造层面上与传统架构有很大不同。德勤认为,到2025年,X86、Arm架构仍然是主流架构。

Chiplet站上风口 接口IP有望乘风破浪

2021年,“摩尔定律失效”是半导体行业高频词之一。一方面,台积电、三星、英特尔之间的先进制程大战正酣,但参与者寥寥,大多数人沦为看客,另一方面,上述巨头纷纷加快先进封装布局,也昭示了在更先进制程的比拼上,有了另一维度的标准。

Chiplet是巨头们的共同选择。就本质而言,Chiplet是以硅片形式供应的IP(甚至可以理解为一种硬核IP),是硅片级别的IP重用,其意义在于,对于某些IP而言,无需Fabless自己做设计和生产,只需要购买IP,在一个封装里集成一个SiP即可。

如同当初SoC带来了IP重用技术的兴起、进而推动IP市场的增长一样,Chiplet时代的到来,同样将为IP市场带来显著的增量。不过,鉴于Chiplet以2.5D/3D封装技术为基础,目前为止,最大的推动力来自于台积电、三星、英特尔以及AMD等代工厂或设计巨头。

对于IP供应商而言,Chiplet最大的价值之一,来自于其对接口IP、尤其是D2D(die to die)IP的广阔需求。在Chiplet中,裸片之间通过D2D接口进行互联。根据IPnest预测,2021年-2025年,接口IP将以22.4%的年增长率增至25亿美元,其中以太网&D2D增速最高达29%。

目前,业内对于D2D标准暂未形成统一,领先的D2D标准包括:由英特尔提出、目前提供免费版本的高级接口总线(AIB、AIB2)、由DRAM裸片在硅介质层上堆叠的高带宽内存(HBM)、已经定义了BoW和OpenHBI的开放专用域架构(Open Domain-specific Architecture,ODSA)子组。此外,英特尔等厂商也提供一些内部D2D协议。

随着Chiplet市场扩容,对融合的D2D协议的需求将变得迫切,而这也是IP供应商的切入点。IPnest报告指出,正如在2000年代的SoC构建中,半导体公司过渡到集成不同来源的各种IP核,这些发挥重要作用的IP供应商将不可避免地成为2020年代的Chiplet供应商。对于某些功能,如高速SerDes或复杂协议(PCIe、以太网或CXL), IP供应商有最好的技术在硅上实现。

从当前的接口IP竞争格局来看,龙头企业主要包括ARM、新思科技、CEVA、Cadence,其中新思科技在有线接口类别中占据了领先地位,并且在今年9月推出了完整的D2D IP解决方案,这也表明了IP供应商在D2D IP领域的攻势已经展开。

国内IP厂商同样瞄准了接口IP作为进入市场的切入点。其中,芯动科技在高速接口IP领域具备国际顶尖创新能力,成功推出全球第一款GDDR6/6X内存技术,中国第一个自主Chiplet、HBM2e/DDR5/LPDDR5,高速PCIe5等先进技术,其Memory接口和Chiplet接口上的优势和布局尤为突出。

此外,芯耀辉已完成14nm/12nm接口的布局,正在向下一代的产品研发,已陆续推出覆盖DDR、PCIe、HDMI、USB、SATA、MIPI等产品解决方案;和芯微自主开发的USB 2.0 PHY IP技术已达到国内领先、国际先进水平,量产数量过亿。传输速率高达4.8Gbps的高速串行接口技术也已通过了阶段性验证,拟投入量产。

与此同时,接口IP大厂在2021年投资并购活动频频,也侧面证明了这一市场的潜力。今年5月,112G PAM4 SerDes的领导者Alphawave IP在伦敦证交所上市,仅2021年上半年就募集了190美元。同月,新思科技宣布完成对10G至800G数据速率的以太网数字控制器IP核公司MorethanIP的收购。

Chiplet的到来对IP供应商的影响还在于对异质芯片市场的创建,从而从另一维度扩大半导体IP市场。与传统SoC不同,Chiplet能够多个基于不同工艺节点和不同材料(Si、GaN、SiC、InP等)、单独制造的裸片封装到一起,这种混合策略既降低了成本,也降低了与其他IP核直接集成到主SoC相关的设计风险,突破了IP重用技术当前面临的阻碍。

IPnest指出,异构集成的商业模式将更有利于IP供应商生产基于其IP的Chiplet,例如ARM生产基于ARM的CPU Chiplet,Si-Five生产基于RISC-V的计算Chiplet。“IP供应商更有能力快速发布由自己的IP构建的Chiplet,并提供最好的TTM,将风险最小化。”

不过需要指出的是,尽管IP供应商在以上两方面均具备优势,这些都不能阻止芯片厂设计他们自己的Chiplet和采购复杂的设计IP,以保护他们独特的架构或实现自制的互连。对于自产或购买Chiplet的决定将在核心竞争力保护和非差异化功能的采购之间进行权衡。

IPnest认为,分别芯片厂和IP供应商主导的两种Chiplet商业模式将在未来市场中并存,不过,自2000年以来,IP业务的历史和现代化增长是通过不断采用外部资源来维持的,历史也表明,对于芯片厂来说,外采Chiplet最终将会压倒性地取代自产模式。

写在最后

2021年,RISC-V站上风口、异构集成趋势、Chiplet蔚然成风,都使得在过去显得相对低调的IP供应商被推至聚光灯下。与此同时,在摩尔定律失效的背景之下,基于IP的各项技术成为支撑算力的最大支撑,由此,IP供应商们也正更加深入地渗透到包括制造、设计在内的各个环节

8月,安谋科技发布自研IP品牌“核芯动力”,囊括已发布的“周易”人工智能平台、“山海”信息安全解决方案、“玲珑”ISP和“玲珑”VPU;12月,新思科技宣布与台积电合作,基于后者N4P制程技术开发广泛的Synopsys DesignWare®接口和基础IP核组合,为高性能计算和移动SoC设计提供优化的功耗和性能……

可以预见,在即将到来的2022年,随着代工厂新产能的开出,行业内对制造端持续已久的强烈关注或将告一段落,另一方面,5G、HPC、物联网时代的到来,也对半导体产品的性能以及迭代速度提出了更高的要求,由新品驱动的IP产业,也将迎来市场快速扩容。

2020年以来,“1美元IP投入带来100美元芯片价值”已成为描述IP对半导体产业链重要性的经典话术。而根据SIA最新预测数据,2022年,全球半导体销售额将达到6015亿美元,在此趋势下,1美元IP所能撬动的芯片价值,将远远不止100美元。

(校对/holly)

责编: 乐川

思坦

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半导体产业观察者,微信:619721947

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