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原创 从ARM被收购到Imagination整体出售,IP供应商开始走向没落?

2017-7-4 21:35 1236 2 2 分类: EDA/ IP/ 设计与制造

1. 引言

上个世纪90年代初,伴随着集成电路制造技术和EDA工具的快速发展,芯片设计规模和设计复杂度急剧提高,出现了一批专门为第三方公司提供可复用的集成电路模块为主营业务的IP供应商。 IP供应商的出现,极大地促进了集成电路设计业的发展。集成电路(IC)设计步入SoC(片上系统,System on Chip)时代后,设计变得日益复杂,为了加快产品上市时间,基于IP复用的SoC软硬件平台的设计方法已成为世界IC产品开发的主流技术,IP成为IC设计与开发工作不可或缺的要素。


然而走到今天,上游IP厂商开始陷入困境。据美国媒体当地时间6月22日报道,在前不久和苹果因为GPU纠纷而闹得沸沸扬扬的Imagination,在当日宣布,公司已决定整体出售。消息一出,众多潜在收购者对其伸出橄榄枝,其潜在买家包括紫光、苹果、因特尔等巨头,股价也应声上涨20%以上。作为全球第三大半导体IP供应商,Imagination如今也走到要被整体出售的地步。


Imagination选择被出售并不是个例。早在2016年7月份,日本软银宣布以320亿美元收购ARM公司。全球第一大半导体IP供应商ARM也没能逃脱被收购的命运。


Imagination和ARM面临的困境背后折射出的是整个半导体第三方IP供应商的危机。为何IP供应商的日子过得这么艰难?为了让大家对于IP供应商先有一个全面的了解,本文前半部分会先对IP的开发和集成技术做一番介绍,之后介绍其商业模式,最后讨论整个剧烈变化的大环境之下,IP供应商的日子为何这么难,是否能够突围?


2. IP开发与集成


为了更好地理解IP的开发流程,首先需要明确IP的基本特征。IP的本质特征是可重用性。因此通常IP有3个基本特征:一是通用性好,二是保证正确性,三是可移植性好。通用性是指IP在某一应用领域广泛通用,实现一般子功能要具有可配置或可编程的特点。为了保证正确性IP需要严格遵守一系列可重用设计开发规范,同时IP的验证必须完整,测试的覆盖率应该要达到100%,还要能覆盖临界条件。可移植性好是指IP的实现如行为描述、网表、GDSII文件具有可移植性,其设计功能可以在不同的平台上重现。


IP的开发流程包括两条主线:IP设计和IP验证。IP设计流程一般可以划分为确定规格和模块划分、子模块的定义和设计、顶层模块的设计、产品化四个阶段。而IP验证流程包括建立参照模型、建立测试平台和准备验证用例、回归测试、形式测试。


2.1 IP设计四步曲


(1) 确定规格和划分模块

IP的规格包括:概述、功能需求、性能需求、物理需求、详细的结构模块框图、对外系统接口的详细定义、可配置功能的详细描述、需要支持的制造测试方法和验证策略等。

划分模块是指规划师给出IP结构框图的同时,对于每一个子模块给出一个详细的功能描述,同时必须明确子模块之间的接口的时序要求。确定规格和划分模块是IP开发是否成功最关键的一步。


(2) 子模块定义和设计

设计小组对所有子模块的规格进行讨论和审查,重点检查时序接口和功能接口的一致性。随后设计者进行设计,从RTL代码书写、编写时序约束文件、子模块验证用测试平台和测试套件等。当这些工作都完成通过代码规范性检查、测试覆盖率检查、功能覆盖率检查,性能分析、功耗分析等验收以后,这个子模块就可以和其他子模块一起集成了。


(3) 顶层模块设计

顶层模块的设计就是把子模块集成起来,产生顶层模块,并对它进行综合处理和功能验证。


(4) IP的产品化

IP的产品化包括以下几个部分:提供IP设计和验证testbench,使用转换器进行打包提交,但转换后需要重新验证,产生用户文档。


2.2 IP验证的主要过程


(1)建立参照模型

这里的参照模型主要用于对系统功能进行验证以及RTL模型的对照验证。该模型可用SystemC/VHDL等语言进行构造;


(2)测试平台的建立

测试平台的建立是指与子模块设计并行,由验证组的一些成员开始搭建验证环境和开发测试用例,并针对IP的行为级模型对测试环境和测试用例进行调试,从而同步准备好用来仿真测试RTL级IP的验证环境和测试用例。


(3)回归测试

回归测试解决的问题是在设计中修改一个错误的同时,却引入了另外一个错误。回归测试保证在修改一个错误或加入一个新功能时,已经验证过的基本功能仍然正确。


(4)形式验证

形式验证是一种系统级的验证手段,不需要测试向量,而是根据静态地判断两个设计是否等价来确认它们的功能是否一致。形式验证常用来判断一个设计更改前和更改后的功能是否一致。同时也被用来确认综合插入扫描连后,版图提取后的网表实现的功能前后是否一致。


2.3 IP集成


IP集成面临一系列的挑战。在现实的市场上,很少的IP是能够拿来就可以立刻重复使用的,因为很多IP在设计之初都是针对特定的应用,而很少考虑到要与外来电路搭配使用。IP模块本身的缺陷给IP集成带来了一系列的问题:IP的接口不能够和系统芯片SOC定义的片上总线很好地匹配,IP模块提供的验证环境很难集成到SOC的验证环境中,IP模块提供的技术文档不完善,IP模块的技术支持不充分、不及时等。这些问题的关键自傲与IP的定义没有一个通过的接口标准,这是因为芯片实现的功能千差万别,性能方面的要求也由于应用领域的差异而不同,即使同样功能的IP在速度、面积、功耗、对外接口等方面也表现各异。国际上,一些大公司的解决方法是逐步定义公司内部甚至是几个公司间通用的片上总线标准,这方面最著名的是国际上的VSIA组织。还有一些专业IP公司解决方法是建立单一的开发平台,专注于某一个应用领域提供不断不断完善的IP模块和设计服务。


3. IP供应商的商业模式


目前国际IP市场的通用商业模式是基本授权费(license Fee)和版税(Royalty)的结合。通常设计公司首先通过支付一笔不菲的IP技术授权费来获得在设计中集成该IP并在芯片设计完成后销售该IP的芯片的权利,而一旦芯片设计完成并开始销售后,设计公司还需要根据芯片销售平均价格(ASP)按一定比例(通常在1%~3%)支付版税。通常IP厂商用收取的授权费用来支付IP开发成本、运作成本、人员成本,而收取的版税就是公司的盈利。


由于设计成本变得日益高昂,很多中小设计公司面临的设计风险也越来越大,对此IP厂商进行了商业模式的变革。将由一些设计用仿真模型组成的设计套件部分授权给设计公司,将GDSII(硬核)授权给Foundry厂商,以减少设计公司的授权成本。有些IP厂商免费提供部分设计套件,设计公司前期不用花一分钱就可以完成前段设计仿真甚至是后端布局布线,知道设计接近完成再考虑是否需要取得商业授权来完成设计并量产,以降低设计公司的风险。


对于IP厂商而言,其IP核必须通过设计公司的SOC验证平台的测试以及Foundry的硅验证(Silicon Proven),否则就无法进入市场。


4、IP供应商的困境与突围


前面我们介绍了IP供应商是如何开发IP,详细介绍了IP开发的整套流程,后面又介绍了IP供应商的商业模式。这样我们对于整个IP供应商的业务和商业模式就都有了一定的了解。接下来我们讨论下IP供应商今日面临的困境。


只有理解了IP供应商的兴起,才能理解IP供应商今日面临的困境。随着工艺的进步,芯片设计的复杂度也随之不断增加。从摩尔定律我们可以知道,每18个月单位面积集成的晶体管数量增加一倍,而晶体管数量的增加与设计复杂度的增加并不是简单的线性关系,实际上芯片设计复杂度的增加会超过晶体管数量的增加,因此在这种情况下,随着工艺进步,设计的复杂性要比以前高得多,为了帮助fabless降低设计难度,减少设计周期,加快产品上市时间,此时第三方IP供应商开始兴起。可以说,第三方IP供应商对Fabless而言是一种附属的关系。


而如今摩尔定律放缓,各Fabless厂商之间开始不断地兼并重组,寻求突围。Fabless不断兼并导致IP供应商客户数量不断减少,这在一定程度上影响了着P供应商的收入状况。与此同时,为了实现差异化竞争,Fabless也开始尝试自主设计关键IP。比如展讯最近宣布自主研发的嵌入式CPU取得成功。还有苹果、三星之前也相继宣布要自研GPU。Fabless兼并和Fabless自研IP这两大因素深刻影响了IP厂商的生存。所以也就不难理解,IP供应商为何选择要被出售的残酷现实。


面对如此困境,IP供应商又该如何突围?回到IP产业的根本驱动因素上,是技术创新能力造就了IP产业不断向前发展。IP核代表的是半导体产业最尖端的技术。因此当IP提供商不再能够提供半导体产业的最尖端技术的时候,没落也就不可避免了。


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