半导体IP蓝海将至，谁能争得新王座？

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。

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