半導(dǎo)體IP——芯片設(shè)計和科技新基建的基石

基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)有兩個基本特征，一是重要性，二是艱難性。中國人對基建的重要性是有很深的認識的，從八十年代就喊出了“要致富先修路”的口號。伴隨著轟轟烈烈的鐵路、公路、航空、電力、網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)建設(shè)，中國從一個貧窮落后的國家變成了現(xiàn)在的世界第二大經(jīng)濟體，建立了全世界門類最全的工業(yè)體系。當初我們的基建幾乎都是舉債進行的，似乎都不賺錢，但是現(xiàn)在來看，正是這些基建給中國經(jīng)濟的騰飛插上了翅膀。時至今日即便高鐵不賺錢，但我國仍在大力修建高鐵，這便是國人對新基建深刻認識的體現(xiàn)。但大家也都知道，基建不是個人或者小公司就可以做的，有著相當高的門檻，絕非朝夕之事。

為什么國家最近在提發(fā)展新基建--芯片? 原因就在于今天是一個信息化和智能化的時代，數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理能力成為新的經(jīng)濟發(fā)展動力，而數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)處理都離不開芯片。而芯片的重要基石之一就是半導(dǎo)體IP，通俗的講IP就是芯片的零部件。圖一是一張非常簡化的手機芯片圖，其實芯片方案商只做自己擅長的一部分，其他的功能實現(xiàn)需要買第三方的各種各樣IP，例如數(shù)據(jù)處理的CPU、GPU、NPU，緩存接口的DDR，低功耗多媒體接口MIPI，通用數(shù)據(jù)接口USB等等。可以說沒有這些IP，我們就沒有功能如此強大的手機以及目不暇接的更新?lián)Q代。其實不僅僅是手機芯片，任何稍微復(fù)雜的芯片都離不開IP，IP的重要性怎么強調(diào)都不為過。
                   

圖一  高通SDM450框圖
   

IP作為芯片的基石同樣具有艱難性的特點。一個是技術(shù)難度高，一個是經(jīng)濟正循環(huán)難度大。

大家印象比較深的是CPU、GPU很重要很難。的確，指令集的設(shè)計，流水線的設(shè)計，緩存的管理以及各種中斷、調(diào)試的處理等很復(fù)雜，但是高性能的DDR和GDDR同樣重要和同樣艱難。CPU、GPU是用于計算的，計算過程中需要讀寫大量的數(shù)據(jù)，這時就需要DDR和GDDR了，如果沒有高速的DDR和GDDR，CPU和GPU的處理能力再強也成了無本之木，無源之水。因此，DDR和GDDR一直是國際IP巨頭最為看重的制高點。

圖二 基于數(shù)據(jù)和視頻的并行計算需求正在急劇增大，對系統(tǒng)內(nèi)存的帶寬帶來了更大的渴求

由于DDR是并行接口，因此數(shù)據(jù)的串擾、對齊，信號的恢復(fù)，時鐘的架構(gòu)都是技術(shù)難點。由于這些壁壘，想撼動國際IP巨頭絕非易事。2018年，國內(nèi)的一家IP公司芯動科技Innosilicon在全球首先發(fā)布16Gbps的GDDR6，在IP圈引起了巨大的轟動，這比IP巨頭Cadence還早，甚至直到今天另外一家IP巨頭Synopsys都沒有自己的GDDR6。如此高端和重要的IP居然被國內(nèi)的一家公司先拔頭籌，不得不讓人有探究一番的興趣。

芯動科技Innosilicon成立于2006年，最開始就是從做DDR、USB等接口類IP起家。2012年，芯動科技作為海思首個國內(nèi)IP戰(zhàn)略伙伴，支持了后者多個先進產(chǎn)品量產(chǎn)。芯動是中國唯一全球各大頂尖晶圓廠（臺積電/三星/格芯/中芯國際/ 聯(lián)華電子/英特爾）簽約支持的技術(shù)合作伙伴，深度合作開發(fā)了各工藝節(jié)點的DDR2/3/4,LPDDR3/4等產(chǎn)品，并在客戶產(chǎn)品上大規(guī)模量產(chǎn)，積累了深厚的技術(shù)。所以GDDR6的全球首發(fā)并非一日之功，而是十年磨一劍的深厚積累。

事實上，芯動目前還開發(fā)了21Gbps的GDDR6X，并且目前全球只有芯動具有這個技術(shù)。此外，芯動還開發(fā)了DDR5/LPDDR5、HBM2e/3等目前最頂尖的存儲接口IP。在高端內(nèi)存接口IP上，芯動不僅實現(xiàn)了國產(chǎn)突破，而且是處于世界領(lǐng)先地位。對于高端技術(shù)常被國人詬病的中國企業(yè)，這是一件非常了不起的事情。

圖三 芯動是國內(nèi)一站式高端IP的領(lǐng)軍企業(yè)
   

不僅僅是內(nèi)存IP，正如圖三所示，芯動科技做到了所有高速接口IP全覆蓋，而且工藝做到最先進的5nm，客戶涵蓋國內(nèi)外最知名的公司，例如微軟，亞馬遜等。要知道這些公司對IP的選購是極其嚴格的，因為這直接關(guān)系到公司產(chǎn)品的成敗和名聲，可見芯動的IP的品質(zhì)是一流的。

這里需要特別強調(diào)兩類IP，一類是高速的SerDes。這個時代對數(shù)據(jù)帶寬的要求是無止境的，因此高速SerDes接口應(yīng)用十分廣泛，技術(shù)門檻也特別高，以前就是被國外大公司壟斷。以32G SerDes為例，一個UI只有31.25ps，如此短的時間傳輸一位數(shù)據(jù)，難度可想而知。目前芯動是國內(nèi)唯一一家擁有32G PCIe G5技術(shù)的IP公司，同時基于PAM4的56G和112G的SerDes也在研發(fā)中，不久就會公布。

另外一類是Chiplet技術(shù)。以前大家的主流做法是做SoC，把所有的模塊都裝在一個芯片上來提高速度，降低功耗。但是現(xiàn)在在先進制程上這種做法，有三個致命的問題。一是IP成本高，最先進的制程的低電壓對很多IP性能是不利的，同時也導(dǎo)致IP的開發(fā)費用劇增；二是SoC設(shè)計周期過長，很多本來只需要6個月的設(shè)計大部分由于PI的原因可能要1年半到2年；三是芯片良率過低，由于SoC面積過大導(dǎo)致芯片良率可能低于50%。因此大家希望用芯片互聯(lián)的方式解決這些問題，同時又希望具有SoC的性能和功耗。在此訴求下，Chiplet應(yīng)運而生。

目前的Chiplet有兩種技術(shù)方案，一種是基于DDR的技術(shù)，一種是基于SerDes的技術(shù)。由于在這兩大領(lǐng)域有著深厚的技術(shù)積累，因此芯動有全套的Chiplet解決方案且可以應(yīng)用不同的場景。芯動的Chiplet可以做到0.2pj/bit的低功耗，不僅是目前國內(nèi)唯一一家提供Chiplet的IP商，也是全球技術(shù)最先進的Chiplet提供商，已作為主要成員發(fā)起成立了國內(nèi)首個Chiplet產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。
 

圖四  芯動Chiplet互聯(lián)技術(shù)
     

前面提及IP經(jīng)濟正循環(huán)難度大，原因之一是IP的開發(fā)和驗證花費巨大。在FinFET先進制程下，IP的流片費用動輒數(shù)百萬美金，各種測試設(shè)備昂貴，還有大量的開發(fā)和支持人員。二是IP很難像終端產(chǎn)品那樣獲得超額收益。由于絕大部分IP是以授權(quán)方式銷售，很難像終端產(chǎn)品那樣獲得規(guī)模收益。因此IP雖然是芯片的基石，但卻是一條艱辛的路。

國產(chǎn)IP逆襲國際巨頭盤踞的市場，一如很多國產(chǎn)產(chǎn)品替代國際產(chǎn)品的道路。如中國的白色家電也是在幾代人的努力下，首先成功替代國內(nèi)市場，進而走向國際市場，將日韓廠商邊緣化，走出了一條國產(chǎn)替代的大道。不同的是，IP是集成電路設(shè)計領(lǐng)域皇冠上的明珠，技術(shù)含量更高，難度也更大。值得欣慰的是，如今也能看到國產(chǎn)IP完全能夠替代甚至在很多細分領(lǐng)域超過國外競爭對手。

15年來，數(shù)百芯動人抱著“科技報國，板凳甘坐十年冷”的理念一直默默的奮斗，堅信好的國產(chǎn)IP一定有被市場認可的那一天。當美國對中國進行芯片制裁后，很多公司和科研院所要找高端替代IP時，才發(fā)現(xiàn)本土企業(yè)只有芯動可以做到。近年來，芯動在圈內(nèi)名聲鵲起，畢竟全球數(shù)以10億計的高端SoC芯片產(chǎn)品背后都有芯動技術(shù)。在困難的IP行業(yè)堅持那么多年，足以證明芯動是一家有情懷的公司；很多方面能做到世界領(lǐng)先水平，說明芯動是一家有實力的公司。這樣的公司，這樣的產(chǎn)品，才是我們國家新基建戰(zhàn)略安全的基石。