通俗易懂詳細(xì)解讀【芯片行業(yè)中IP】到底是什么東西？

“IC、IP、IQ卡，通通告訴我密碼！”是電影《天下無(wú)賊》中范偉的一句經(jīng)典臺(tái)詞。現(xiàn)實(shí)中沒有IQ卡，只有IC卡和IP卡。IC卡是指集成電路卡，也叫做芯片卡，例如銀行卡，電信卡、交通卡和社?？ǖ榷际怯眯酒▽?shí)現(xiàn)的。IP卡是一種運(yùn)用了TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)電話卡，IP卡早已被淘汰不用了。但是，TCP/IP協(xié)議作為互聯(lián)網(wǎng)通信的底層技術(shù)一直被使用，所以IP、IP地址等詞匯還經(jīng)?？梢月牭?。這是第一種IP，它是互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的技術(shù)詞匯，專指IP協(xié)議或者IP地址。

圖1：電影《天下無(wú)賊》中列車上打劫一場(chǎng)戲的場(chǎng)景

第二種IP是一個(gè)法律詞匯，它是知識(shí)產(chǎn)權(quán)(Intellectual Property)的英文簡(jiǎn)稱。現(xiàn)代社會(huì)中，許多國(guó)家都十分重視知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)。芯片行業(yè)是一個(gè)高度智力密集、資金密集的行業(yè)，因此該行業(yè)中知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)則顯得更加重要。芯片行業(yè)中的知識(shí)產(chǎn)權(quán)可稱為硅知識(shí)產(chǎn)權(quán)(Silicon Intellectual Property)，簡(jiǎn)稱SIP。SIP的保護(hù)形式主要包括專利權(quán)保護(hù)(Patent Protection)和集成電路布圖保護(hù)(IC Layout Protection)。

本文要介紹第三種IP，它既是一個(gè)技術(shù)詞匯，也是一種東西，是一種商品。它凝聚了芯片設(shè)計(jì)者的智慧，具有商品和知識(shí)產(chǎn)權(quán)的屬性，可以被推廣、銷售和應(yīng)用。因此，芯片行業(yè)有IP開發(fā)、IP交易、IP復(fù)用等科技和商業(yè)活動(dòng)，也有一些企業(yè)被冠以IP廠商、IP提供商的稱謂。

一、芯片行業(yè)的IP是指什么？

芯片行業(yè)中所說(shuō)的IP，一般也稱為IP核。IP核是指芯片中具有獨(dú)立功能的電路模塊的成熟設(shè)計(jì)。該電路模塊設(shè)計(jì)可以應(yīng)用在包含該電路模塊的其他芯片設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，從而減少設(shè)計(jì)工作量，縮短設(shè)計(jì)周期，提高芯片設(shè)計(jì)的成功率。該電路模塊的成熟設(shè)計(jì)凝聚著設(shè)計(jì)者的智慧，體現(xiàn)了設(shè)計(jì)者的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，因此，芯片行業(yè)就用IP核(Intellectual Property Core)來(lái)表示這種電路模塊的成熟設(shè)計(jì)。IP核也可以理解為芯片設(shè)計(jì)的中間構(gòu)件。

一般說(shuō)來(lái)，一個(gè)復(fù)雜的芯片是由芯片設(shè)計(jì)者自主設(shè)計(jì)的電路部分和多個(gè)外購(gòu)的IP核連接構(gòu)成的。如圖2所示，要設(shè)計(jì)這樣結(jié)構(gòu)的一款芯片，設(shè)計(jì)公司可以外購(gòu)芯片中所有的IP核(不同顏色模塊)，僅設(shè)計(jì)芯片中自己有創(chuàng)意的、自主設(shè)計(jì)的部分(用綠色表示)，并把各部分連接起來(lái)。

圖2：自主設(shè)計(jì)部分和多個(gè)IP核集成在一起，形成復(fù)雜芯片的設(shè)計(jì)

圖2的芯片設(shè)計(jì)過(guò)程就像圖3的系統(tǒng)電路板開發(fā)過(guò)程一樣，是用已有的、成熟的IP核(或者芯片)進(jìn)行布局、擺放和信號(hào)連接的過(guò)程，這種過(guò)程可以稱為對(duì)IP核(或者芯片)的復(fù)用。不同的是，系統(tǒng)電路板上除了芯片和連接線之外，系統(tǒng)開發(fā)者很少自主開發(fā)自己的芯片。而在芯片設(shè)計(jì)過(guò)程中，芯片上除了采用外購(gòu)的IP核之外，一般說(shuō)來(lái)，芯片設(shè)計(jì)者還要設(shè)計(jì)一部分自己的電路，并完成各部分之間的信號(hào)連線，最后還要對(duì)整個(gè)芯片的功能、性能進(jìn)行制造前的反復(fù)檢查和驗(yàn)證。

圖3：由IP核搭建復(fù)雜芯片，與用芯片搭建完整的系統(tǒng)電路板類似

如果以上介紹還顯得太過(guò)專業(yè)，還可以用拼圖畫來(lái)對(duì)芯片設(shè)計(jì)打比方，可以把圖2所示的芯片抽象地理解成圖4所示的拼圖畫。芯片中外購(gòu)的不同功能的IP核用不同色的圖塊表示，自主設(shè)計(jì)的電路部分用綠色圖塊表示，復(fù)雜芯片的設(shè)計(jì)過(guò)程就像要拼好這幅圖畫一樣。所相同的是，用現(xiàn)有的圖塊(IP核)拼接美麗圖畫(復(fù)雜芯片)。所不同的是，拼圖畫只要考慮圖塊的形狀，而芯片設(shè)計(jì)要考量IP核的許多參數(shù)和指標(biāo)，并要把各個(gè)IP核和自主設(shè)計(jì)部分正確連接，保證整個(gè)芯片的功能和性能正確無(wú)誤。

圖4：IP核使復(fù)雜芯片的設(shè)計(jì)變得較容易，IP復(fù)用類似于“拼圖”

IP核被其他芯片設(shè)計(jì)公司采用，行業(yè)內(nèi)稱為IP復(fù)用。專門設(shè)計(jì)相對(duì)獨(dú)立電路功能模塊，目的是推廣給其他芯片設(shè)計(jì)公司進(jìn)行復(fù)用，這種設(shè)計(jì)工作稱為IP開發(fā)。專門從事IP開發(fā)的公司稱為IP廠商，或者IP提供商。IP廠商把IP銷售給芯片設(shè)計(jì)公司是一種IP交易行為。

二、IP的由來(lái)和作用

IP的由來(lái)要從早期的芯片設(shè)計(jì)過(guò)程講起。早期芯片的集成規(guī)模有限，設(shè)計(jì)復(fù)雜度不高，芯片上所有的電路都是由芯片設(shè)計(jì)者自主完成。設(shè)計(jì)水平不高、能力有限的芯片公司只能設(shè)計(jì)規(guī)模小的簡(jiǎn)單的芯片。設(shè)計(jì)水平高、能力強(qiáng)的芯片公司才可以設(shè)計(jì)規(guī)模大、功能復(fù)雜的芯片。這個(gè)時(shí)期，不論芯片規(guī)模大還是小，芯片從“頭”到“腳”都是由芯片公司自己設(shè)計(jì)的。早期的高端芯片基本上都是由為數(shù)不多的大型國(guó)際芯片公司把持。

隨著現(xiàn)代信息社會(huì)對(duì)芯片要求提升，芯片的規(guī)模呈指數(shù)性增加，復(fù)雜性急劇增大。中小型芯片公司要獨(dú)立完成一款復(fù)雜芯片設(shè)計(jì)幾乎變得不太可能。特別是20世紀(jì)80年代末，芯片行業(yè)出現(xiàn)了晶圓代工(Foundry)商業(yè)模式，大批的中小微芯片設(shè)計(jì)公司(Fabless)應(yīng)運(yùn)而生。這個(gè)時(shí)期，芯片設(shè)計(jì)行業(yè)急需解決小芯片公司無(wú)法設(shè)計(jì)大芯片的難題。

解決這一難題的啟發(fā)思路很多。例如：搭積木和拼圖畫玩具；由標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計(jì)大型機(jī)器；由軟件子程序(或者中間件)調(diào)用設(shè)計(jì)大型軟件；用芯片搭建大型電子系統(tǒng)等。思路都是重復(fù)使用預(yù)先設(shè)計(jì)好的成熟的構(gòu)件來(lái)搭建更復(fù)雜的系統(tǒng)，省掉對(duì)構(gòu)件內(nèi)部問(wèn)題的考慮，化繁為簡(jiǎn)；重復(fù)使用構(gòu)件，減少重復(fù)勞動(dòng)，節(jié)省時(shí)間；重復(fù)使用構(gòu)件，提高整個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)搭建的成功率。

芯片設(shè)計(jì)行業(yè)中的IP核開發(fā)和IP復(fù)用，就是在這些思路啟發(fā)下形成的。IP核就類似于上述的構(gòu)件。IP核是預(yù)先設(shè)計(jì)好的具有獨(dú)立功能的電路模塊設(shè)計(jì)。有了IP核這種構(gòu)件，大的復(fù)雜的芯片設(shè)計(jì)就變得較容易、周期短、易成功。

IP的作用主要有四個(gè)方面，一是使芯片設(shè)計(jì)化繁為簡(jiǎn)，縮短芯片設(shè)計(jì)周期，提高復(fù)雜芯片設(shè)計(jì)的成功率。二是IP開發(fā)和IP復(fù)用技術(shù)使小公司設(shè)計(jì)大芯片成為可能；三是使系統(tǒng)整機(jī)企業(yè)可以設(shè)計(jì)自己的芯片，提升自主創(chuàng)新能力和整機(jī)系統(tǒng)的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)含量；四是使芯片設(shè)計(jì)行業(yè)擺脫傳統(tǒng)IDM模式，成為產(chǎn)業(yè)鏈上獨(dú)立的行業(yè)，促進(jìn)了芯片設(shè)計(jì)業(yè)迅猛發(fā)展。

目前，許多中小微芯片設(shè)計(jì)公司雖然設(shè)計(jì)能力和水平有限，但出于搶占市場(chǎng)，縮短芯片設(shè)計(jì)周期的需要，會(huì)外購(gòu)許多IP核來(lái)完成自己的芯片設(shè)計(jì)項(xiàng)目。業(yè)界的IP開發(fā)商、IP提供商數(shù)量不斷增加，也變得越來(lái)越專業(yè)。各種功能、各種類型的IP核不斷涌現(xiàn)。IP交易活動(dòng)也日趨普遍，交易金額也越來(lái)越大。

三、IP的種類和舉例

IP核有行為(Behavior)級(jí)、結(jié)構(gòu)(Structure)級(jí)和物理(Physical)級(jí)三個(gè)層次的分類，對(duì)應(yīng)著三個(gè)種類型的IP核，它們是由硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)的軟核(Soft IP Core)、完成結(jié)構(gòu)描述的固核(Firm IP Core)和基于物理描述并經(jīng)過(guò)工藝驗(yàn)證的硬核(Hard IP Core)。

1、IP軟核：它是用硬件描述語(yǔ)言(HDL)設(shè)計(jì)的獨(dú)立功能的電路模塊。從芯片設(shè)計(jì)程度來(lái)看，它只經(jīng)過(guò)了RTL級(jí)設(shè)計(jì)優(yōu)化和功能驗(yàn)證，通常是以HDL文本形式提交給用戶。所以它不包含任何物理實(shí)現(xiàn)信息，因此，IP軟核與制造工藝無(wú)關(guān)。

用戶購(gòu)買了IP軟核后，可以綜合出正確的門電路級(jí)設(shè)計(jì)網(wǎng)表，并可以進(jìn)行后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有很大的靈活性。借助于EDA綜合工具，用戶可以很容易與其它IP軟核，以及自主設(shè)計(jì)的電路部分合成一體，并根據(jù)各種不同半導(dǎo)體工藝，設(shè)計(jì)成具有不同性能的芯片。

2、IP固核：它的設(shè)計(jì)程度介于IP軟核和IP硬核之間，它除了完成IP軟核所有的設(shè)計(jì)外，還完成了門級(jí)電路綜合和時(shí)序仿真等設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。一般地，它以門級(jí)電路網(wǎng)表的形式提供給用戶。

3、IP硬核：它提供了電路設(shè)計(jì)最后階段掩模級(jí)的電路模塊。它以最終完成的布局布線網(wǎng)表形式提供給用戶。IP硬核既具有結(jié)果的可預(yù)見性，也可以針對(duì)特定工藝或特定IP提供商進(jìn)行功耗和尺寸的優(yōu)化。

所以，三種類型的IP核是電路功能模塊設(shè)計(jì)在不同設(shè)計(jì)階段的產(chǎn)物，如圖5所示。

圖5：在電路功能模塊設(shè)計(jì)的不同階段，可得到不同類型的IP核

用戶經(jīng)過(guò)精心評(píng)測(cè)和選擇，購(gòu)買了IP廠商的IP核后，開始設(shè)計(jì)自己的芯片。前文講過(guò)，一個(gè)復(fù)雜芯片一般由購(gòu)買的IP核和用戶自主設(shè)計(jì)的電路部分組成。芯片設(shè)計(jì)過(guò)程包括了行為級(jí)、結(jié)構(gòu)級(jí)和物理級(jí)三個(gè)階段。行為級(jí)和結(jié)構(gòu)級(jí)設(shè)計(jì)階段的工作一般稱為前端設(shè)計(jì)，物理級(jí)設(shè)計(jì)階段的工作一般稱為后端設(shè)計(jì)。圖6的示意圖說(shuō)明，不同類型的IP核是在不同的設(shè)計(jì)階段中加入到整個(gè)芯片設(shè)計(jì)中去。

圖6：三種類型的IP核在芯片設(shè)計(jì)不同階段被合并到設(shè)計(jì)中，形成了一個(gè)整體

三種類型的IP核各有優(yōu)缺點(diǎn)，用戶會(huì)根據(jù)自己的實(shí)際需要來(lái)選擇。以下是三種IP核的優(yōu)缺點(diǎn)簡(jiǎn)要總結(jié)。

IP軟核：它以綜合源代碼的形式交付給用戶，其優(yōu)點(diǎn)是源代碼靈活，在功能一級(jí)可以重新配置，可以靈活選擇目標(biāo)制造工藝。靈活性高、可移植性強(qiáng)，允許用戶自配置。其缺點(diǎn)是對(duì)電路功能模塊的預(yù)測(cè)性較差，在后續(xù)設(shè)計(jì)中存在發(fā)生錯(cuò)誤的可能性，有一定的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。并且IP軟核的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)難度較大。

IP固核：它的靈活性和成功率介于IP軟核和IP硬核之間，是一種折中的類型。和IP軟核相比，IP固核的設(shè)計(jì)靈活性稍差，但在可靠性上有較大提高。目前，IP固核是IP核的主流形式之一。

IP硬核：它的最大優(yōu)點(diǎn)是確保性能，如速度、功耗等達(dá)到預(yù)期效果。然而，IP硬核與制造工藝相關(guān)，難以轉(zhuǎn)移到新的工藝或者集成到新的結(jié)構(gòu)中去，是不可以重新配置的。IP硬核不許修改的特點(diǎn)使其復(fù)用有一定的困難，因此只能用于某些特定應(yīng)用，使用范圍較窄。但I(xiàn)P硬核的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)最為方便。

IP核的舉例，最典型有ARM公司的各種類型的CPU IP核。許多IP供應(yīng)商提供的DSP IP核、USB IP核、PCI-X IP核、WiFi IP核、以太網(wǎng)IP核、嵌入式存儲(chǔ)器IP核等，五花八門，品種十分繁多。

如果按大類分，大體上可分為處理器和微控制器類IP、存儲(chǔ)器類IP、外設(shè)及接口類IP、模擬和混合電路類IP、通信類IP、圖像和媒體類IP等。

全球大的EDA（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化，英語(yǔ)：Electronic design automation，縮寫：EDA）供應(yīng)商中，有些也是IP供應(yīng)商。例如美國(guó)新思科技(Synopsys)可提供上千種各類IP。涵蓋邏輯電路(Logic Libraries)、嵌入式存儲(chǔ)器(Embedded Memories)、模擬電路(Analog Libraries)、有線和無(wú)線通信接口(Wired and Wireless Interface)、安全(Security)、嵌入式處理器(Embedded Processors) 和子系統(tǒng)(Subsystems)等方面的IP。

四、IP的開發(fā)和應(yīng)用

從圖4、圖5可以看出，IP核開發(fā)與芯片設(shè)計(jì)過(guò)程比較相似，都需要緊跟芯片技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，不斷積累芯片設(shè)計(jì)技術(shù)，了解芯片制造工藝發(fā)展步伐。所不同的是，芯片設(shè)計(jì)公司的商業(yè)模式是設(shè)計(jì)完整的芯片，并推向市場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)芯片銷售利潤(rùn)。而IP開發(fā)商不設(shè)計(jì)完整的芯片，他們只設(shè)計(jì)芯片局部的某些功能模塊，追求這些功能模塊(IP核)的設(shè)計(jì)是最優(yōu)化的，并要實(shí)現(xiàn)IP核在多種復(fù)用場(chǎng)合的適應(yīng)性、便利化。IP開發(fā)商謀求這些IP可以被眾多芯片設(shè)計(jì)公司購(gòu)買采用，并實(shí)現(xiàn)IP的銷售利潤(rùn)。

但是，IP開發(fā)的技術(shù)難度和要求很高，并不是任何芯片設(shè)計(jì)公司想為即可為的事情。這主要體現(xiàn)在，一是IP的完備性要求。IP核作為芯片設(shè)計(jì)的構(gòu)件，可以與軟件設(shè)計(jì)的構(gòu)件(中間件)作比較。軟件構(gòu)件中可以隱藏小瑕疵，集成后的系統(tǒng)軟件還可以在投入實(shí)際應(yīng)用時(shí)，通過(guò)打補(bǔ)丁升級(jí)的方式不斷完善。但I(xiàn)P核必須非常完善，一點(diǎn)瑕疵都不能有。因?yàn)?，IP核的任何小瑕疵都有可能影響到整個(gè)復(fù)雜芯片設(shè)計(jì)的成敗，影響到花費(fèi)了數(shù)百萬(wàn)元甚至上億元整個(gè)芯片研發(fā)的投入產(chǎn)出。因此，復(fù)雜IP核的售價(jià)極為昂貴，從數(shù)十萬(wàn)元到上百萬(wàn)元不等。為了便于推廣，IP廠商一般采用收取前期IP許可費(fèi)(IP License)+后期按芯片出貨量計(jì)算的版權(quán)費(fèi)(Royalty)的商業(yè)模式，以降低用戶的研發(fā)投入。二是IP的多參數(shù)需求，包括工藝節(jié)點(diǎn)、電源、功耗、性能等。這些都要求IP開發(fā)者對(duì)芯片設(shè)計(jì)、制造工藝和行業(yè)應(yīng)用等非常熟悉。三是用戶對(duì)IP提供商的信譽(yù)度要求，包括公司技術(shù)實(shí)力、影響力和穩(wěn)定度等。用戶很難接受一家規(guī)模較小，發(fā)展不穩(wěn)定的IP廠商提供的IP，哪怕這些IP很便宜，甚至免費(fèi)。用戶寧愿購(gòu)買著名的、大的IP廠商提供的較貴的IP，因?yàn)檫@樣的IP才有質(zhì)量保障和后續(xù)服務(wù)的保障。

2000年以來(lái)，在國(guó)發(fā)18號(hào)文件和八個(gè)國(guó)家級(jí)IC設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)化基地的促進(jìn)下，國(guó)內(nèi)IC設(shè)計(jì)企業(yè)如雨后春筍般涌現(xiàn)，并得到快速發(fā)展。這些企業(yè)大部分是中小微IC設(shè)計(jì)企業(yè)，得益于IP開發(fā)和IP復(fù)用技術(shù)，這些中小IC設(shè)計(jì)企業(yè)都可以根據(jù)市場(chǎng)需要，及時(shí)開發(fā)出各種功能的系統(tǒng)級(jí)芯片(SOC)、人工智能(AI)芯片、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)芯片等。這些推動(dòng)了國(guó)內(nèi)IC設(shè)計(jì)業(yè)的高速發(fā)展，帶動(dòng)了我國(guó)新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?？梢哉f(shuō)，晶圓代工技術(shù)、IP開發(fā)和IP復(fù)用技術(shù)成就了我國(guó)目前芯片產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展基礎(chǔ)。

后記：芯片行業(yè)中所說(shuō)的IP，也稱為IP核。IP核是指芯片中具有獨(dú)立功能的電路模塊的成熟設(shè)計(jì)。在電路模塊設(shè)計(jì)的三個(gè)不同階段，可以得到的不同類型的IP核，分別稱為IP軟核、IP固核和IP硬核。由軟化到固化，再到硬化，IP核的可配置性和靈活性變小，但完善性提高，復(fù)用風(fēng)險(xiǎn)性降低。芯片設(shè)計(jì)公司購(gòu)買IP廠商的IP核，通過(guò)IP復(fù)用可以快速設(shè)計(jì)出功能復(fù)雜的芯片，可以節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間，提高芯片設(shè)計(jì)成功率。IP開發(fā)和IP復(fù)用技術(shù)大大促進(jìn)了芯片設(shè)計(jì)業(yè)的快速發(fā)展。

參考資料：

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4.liwliwliw，集成電路與IP核技術(shù)，CSDN博客：https://blog.csdn.net/liwliwliw/article/details/91969797，2019.6.14