后摩尔时代,由于Chiplet具有高性能、低功耗、高面积使用率以及低成本的优势,被业界寄予厚望。Chiplet的实质是硅片级别的IP重用,Chiplet将不同功能的IP模块集成,再通过先进封装技术将彼此互连,最终成为集成为一体的晶片组。
IP模块在Chiplet中的作用及优势
IP产业链为芯片制造的道路增加了一条"捷径",给芯片设计公司带来众多利好,尤其适用于Chiplet产业。
面对IP产业带来的种种利好,在Chiplet概念快速发展的背景下,也给IP设计企业带来了巨大的市场空间。
根据研究机构Omdia的报告,2024年,采用Chiplet的处理器芯片全球市场规模将达58亿美元,到2035年将达到570亿美元。而2024年,半导体IP市场预计也可以从2017年的47亿美元增长到65亿美元。
另外,Chiplet技术催生的半导体芯片产业变革也可能给IP公司的商业模式带来一系列变化。
Chiplet给IP设计企业的经营模式带来变革更多的新入局者
随着芯片产业的不断发展,以Chiplet为底层技术生产IP模块的企业数量将会明显增多。比如本身就具备芯片设计能力EDA公司继续积攒自己的IP产品,并向Chiplet产品供应持续发力,还有一些互联网公司也都在打造自身的视频处理芯片。此类芯片简单可分为标准件以及与上层图像识别、语音识别应用强绑定的IPdie,而Chiplet技术能够让这两个部分实现设计上的耦合。因此涉及IP产品,以满足自身软件的业务需求成了他们发展的一个方向。
设计能力较强的IP供应商演变为Chiplet供应商
IP位于集成电路产业链的上游,主要客户是设计厂商,因此Chiplet就可以提供一种新的产品形式,增加潜在的市场。对于一些设计能力比较强的厂商来说,也说不定未来会演变成专门做Chiplet的供应商。
产品利润率大幅提升
如今的产品正在从软核转变为硬核的方式提供,从虚拟变为实体的整个阶段也可以带来价值量的大幅提升。
根据IBS数据显示,以28nm工艺节点为例,单颗芯片中已可集成的IP数量为87个。当工艺节点演进至7nm时,可集成的IP数量达到178个,5nm制程下可集成数字IP数量与数模混合IP数量分别为126和92个,总计218个。
因此向Chiplet产品转型的IP企业可受益于先进制程的不断迭代而大幅提高毛利率,整个市场的增幅不容小觑。
不过,目前Chiplet尚处于起步阶段,只有少数公司拥有开发这些产品的能力,大多数企业还没有足够的专业知识,包括设计能力、die、die到die互连和制造策略等,一旦Chiplet定义出现问题,芯片IP厂商的大量存货容易造成滞销,还会产生存货减值的风险。
IP复用的难点
近年来,由于芯片行业在资本市场上炙手可热,不少芯片公司选择大量采购IP从而快速拼装出一颗让投资人满意的芯片,但芯片IP背后所隐藏的技术难点还没有被解决。
Die-to-Die接口成新挑战
进入2022年,工业界已有多款Chiplet产品面世,国内芯片企业对Chiplet也是一致看好,不过Chiplet的发展也诞生了高速DietoDie接口的需求。
合适的Die-to-Die接口是影响芯片性能的重要因素,不同模块的架构与互联协议都不相同,设计者必须考虑到工艺制程、封装技术、系统集成、扩展等诸多复杂因素。同时还要满足不同领域、不同场景对信息传输速度、功耗等方面的要求,因此在Chiplet的设计过程中IP接口统一达到高效的数据传输异常艰难,而解决这些问题的最大挑战就是缺少统一的互连标准协议。
今年3月,AMD、英特尔、三星等十大行业龙头宣布成立Chiplet行业联盟,共同构建Chiplet互连标准UCLe(通用芯粒互连技术),推进开放生态,国内芯原和芯动科技等国内企业也加入UCIe了产业联盟,目前已推出了实质性的产品。比如芯原基于Chiplet架构所设计的高端应用处理器平台;芯动科技也发布了自研的首套跨工艺、跨封装物理层兼容UCIe国际标准的InnolinkChiplet解决方案,不过还都处于发展初期。
寻找可复用的IP
找到可重复使用的IP模块也是一项挑战。
最后,跟踪和确定IP的质量也是一项难题。
企业的竞争格局
就半导体IP竞争格局而言,英国ARM公司和美国新思科技2021年以40.4%、19.7%(2020年分别为41%和19.3%)的高市占率稳居全球第一、第二位置,中国大陆仅有芯原股份以3.3%的全球市占率挤进前十名。
IP市场参与者主要分为两类:一类是与EDA工具捆绑型的半导体IP供应商,如楷登电子(Cadence)、新思科技(Synopsys)等;一类是提供专业领域IP模块的半导体IP供应商,如ARM、芯原股份、芯动科技、CEVA、ImaginaTIon等。Arm作为移动时代王者,布局CPU和GPU架构等核心IP多年,还联合合作伙伴建立了IP-芯片-应用的一体化生态,已形成较高的生态壁垒。
众所周知,IP产业重要的不只是芯片设计技术,生态建设也至关重要。通常电脑、手机、服务器等平台型应用领域都会受到软硬件生态系统的很大影响。随着国内芯片IP企业逐渐发展,IP产品种类也不断拓展,受到ARM软硬件生态系统的影响也越来越大,百般寻觅良机,最终,选定道路向toB领域进军。
随着人工智能、5G通讯、物联网的发展和Chiplet等新浪潮的出现,国内企业的舞台变得越来越大,另外RISC-V的出现,也为中国处理器IP的发展提供了一个千载难逢的机会。
结语
就全球市场而言,中国半导体IP产业在总体的规模上还比较小,国产IP类别完整性也比较差,还处于中低端技术水平。不过近两年来我们也可以看到国产IP在产品系列、与本土芯片代工企业的配合、国产EDA融合发展方面,都有着显著的进步。
对于IP企业来说,IP作为集成电路设计与开发中不可或缺的核心要素,国产替代将是未来国内IP企业发展的新契机。这个时候需要依托他们完成的,就是不断加速创新,打通内外循环,形成完整的生态系统,推动整个芯片产业的可持续发展。总的来看,国产IP前景一片大好。