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[导读]芯片设计和制造流程简单来说可以分四个阶段的,功能/性能定义(需求分析)、IC设计(集成电路设计)、IC制造(光刻机部分了)、封装测试。

一、IP核就是光刻机的魂

芯片设计和制造流程简单来说可以分四个阶段的,功能/性能定义(需求分析)、IC设计(集成电路设计)、IC制造(光刻机部分了)、封装测试。

芯片功能、性能的定义。在做设计芯片之前要先定位,这个芯片是用来干什么的,它要性能指标要达到什么样的要求。比如,厂家要出一个处理器芯片,最简单的一点就要先确定这是一个多少位的CPU,多少核的。

比如咱们买电脑的时候,经常看到电脑搭载的是英特尔64位四核处理器。那么这个芯片在出厂之前,英特尔就定好了,它是64位的,里面有四个核心。

64位是采用64位处理技术的CPU,简单理解就是处理器一次运行64bit数据,这个数字越大说明单次可以运行的数据越多,处理速度越快。

四核处理器就是基于单个半导体的一个处理器上拥有四个处理器核心。并且四个核心的处理能力和功能是一样,可以同时运行,所以业界将这样的处理器称为真四核。

然后还需要定义该芯片的其他的一些属性,比如I/O驱动能力、功耗、工作温度等等。

二、IC设计需要EDA软件和IP核

如果这里翻车,也就没光刻机什么事了,这步骤包含的内容非常之多,比如系统设计、算法设计、行为级描述/优化、逻辑综合/优化、仿真、测试、制版数据生成等等。

这里的IP跟咱们常熟知的IP地址中的IP不一样。它的全称是Intellectual property,也就是知识产权。这些IP核心就是别人做好的模块,可以在设计中直接使用。

软银集团欲出售的ARM公司就是该环节的头号玩家,据悉全球90%的智能手机的处理器都是用ARM的IP授权,苹果、高通、华为海思、三星都是其客户。

三、IP核也有三种不同程度的设计:软核,固核,硬核。

软核,以加密源代码的形式提供;简单理解就是提供代码给你,你还可以根据自研芯片的情况来调整和优化,灵活性高,对芯片厂商的技术要求较高。

固核,介于软核和硬核之间的一种核。以门级网表提供,除了完成软核所有的设计外,还完成门级电路综合和时序仿真等设计环节。比如它完成了描述功能中一些比较关键的路径进行预先的布局布线,而其他部分仍然可以任由编译器进行相关优化处理。

硬核,完整后端设计的掩模了,可理解为成品,拿去就可以用。相当于厂商跟你把需求完整分析后交付的,将该考虑的全考虑进去了,可靠性很高,但是灵活性就低了。

通常芯片设计公司会根据自身的业务,以及IP核的特性,购买不同的形态IP,用在自己的芯片设计中。IP核主要就是方便了设计的重用性,使得通用模块可以被重复用,省时、省力。

芯片设计公司自己设计IP核,需要面对:

1、专利保护,能否绕开现有IP授权公司专利。

2、巨大投入,人力、物力、时间。

3、够不够打,做出来了,能不能与竞争对手对抗。

4、容错率低,一旦设计不当,满盘皆输。

华为海思采购的是IP就是ARM公司授权的v8架构,华为在其基础上再进行芯片设计。如果没有ARM授权,不会在这么短的时间内出现如此优秀的华为海思麒麟处理器。

在5G时代,新应用、新产品将会层出不穷,需求多且更加个性化,要求芯片厂商以更快的速度推动新产品上市。

现今的芯片厂商都在开发5G SoC(系统芯片),以便快速适应5G技术,并将产品及时投放到市场。因此厂商需要考虑采用新工艺的芯片成本、功耗、温度、算力多少?能否快速上市等问题,而IP核的强大之处就在于这些它都帮你验证好了。

系统SOC结构是一种实现复杂系统功能的超大规模集成电路,大家可以看到里面包含有大量的IP核,功能越复杂,对IP核的依赖就越多。

ARM的IP核授权,让很多芯片设计公司省去了很多事,该验证的环节、该考虑的因素,ARM可以全部解决;公司的产品可以快速上市,占领市场先机。另外,ARM是一家纯粹的IP授权公司,以IP授权为核心的无晶圆半导体公司,即只做IP授权,其他一概不涉及。所以ARM联合创始人发言称,若ARM被芯片厂商英伟达收购,则对ARM来说是个灾难。

四、国产IP核之路,任重道远。

有着“中国半导体IP之王”的芯原微电子,成立至今已有19年,虽然其2019年在同类公司中排名第七,但是其短板也非常明显。

1、不具备CPU类的IP,拥有图形处理器(GPU)、神经网络处理器(NPU)、视频处理器(NPU)、数字信号处理器(DSP)和图像信号处理器(ISP)五类处理器IP,以及 1400 多个数模混合IP 和射频IP。

2、在嵌入式非挥发性存储器、内存编译器等 IP 方面也没有储备。

3、大部分IP是通过外部并购而来,并非自主研发,说明自研方面的技术储备不够。

但是,芯原所积累的经验非常宝贵,因为它知道哪些IP是目前没有办法介入,半导体哪些领域的IP值得去投入,这样就可以少走很多弯路。比如芯原在这么多年的积累就指出,RISC-V (RISC-FIVE)将会是中国芯片产业的全新机遇,RISC-V 是第五代基于 RISC(精简指令集计算机)的 指令集架构,因具备自由开放、成本低、功耗低等方面的优势,受到全球广泛关注。

在2019国际芯片大会(Chips 2019)上,中国工程院院士倪光南在展望开源芯片前景时曾表示:“RISC-V很可能发展成为世界主流CPU之一,在CPU领域形成英特尔、ARM、RISC-V三分天下的格局。”

在5G这个万物互联的时代,RISC-V的轻量级,灵活性,更符合物联网应用的碎片化特性。国内目前围绕RISC-V 架构开发和使用的企业已有上百家企业。比如华为海思、阿里的平头哥、中天微,兆易创新、华米科技、嘉楠科技、北京君正以及获得小米投资的芯来科技。

RISC-V 俨然为中国提供了在 X86 与 ARM 架构之外的第三条自主化路径。英特尔靠X86在PC时代叱咤风云,ARM靠RISC在移动互联网时代处于浪潮之巅,当今,只有牢牢把握IP核才能引领5G和物联网时代。

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