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高起点、高质量创新发展我国IP产业
2021-12-28 17:12

  曾克强,余成斌

 

  我国IC设计业和芯片代工业的崛起和高速发展,为本土EDA/IP产业发展提供了用武之地。一方面,本土IC设计公司要构建起自主可控的SoC芯片开发平台,相应的自主IP及其复用技术是不可或缺的关键模块和核心技术。另一方面,本土芯片制造厂商为打造自主可控芯片制造平台,必须根据新类别的IC开发及其应用,考虑引进并提前验证一些关键性国产EDA/IP,以便导入客户SoC产品投片并实现量产。

  在半导体领域,所谓知识产权(IP)是指集成电路(IC)设计中那些具有特定功能、可以重复使用的电路模块,通常也称为半导体知识产权(SIP)。它的兴起和演进完全受益于专用标准产品(Application-Specific Standard Product,ASSP)和片上系统(System on a Chip,SoC)的发展,包括电子设计自动化(Electronic Design Automation,EDA)软件的发展。今天,IP及其复用已成为SoC设计平台的不可或缺的关键技术和核心基础,它决定着最终SoC芯片的性价比(面积、功耗、时延等)、市场竞争性及其系统创新性等。  

  应该看到,集成电路是国之重器,我国EDA/IP技术,至今受制于人的状况未有根本性改变。在“十四五”期间,我们必须以创新为动力,高质量发展为主题,加快关键核心技术突破,构建起以国内大循环为主体、国内国际双循环相互促进的新发展格局,创造新需求;坚持与国产EDA融合发展,励志于高起点开拓自主可控的“IP+EDA”民族事业,推动以IC为核心的战略性新兴产业融合化、集群化、生态化发展。

  

01
SoC芯片设计方法演进
 
SoC概念是1995年由美国LSI Logic等公司首先提出,是指在单一硅芯片上实现一个系统所具有的信号采集、转换、存储、处理和输入、输出(I/O)等功能的电路。其基本特征包括:内嵌CPU核和其他诸如DSP等核心IP、包括丰富的输入/输出(I/O)接口,和一定容量的存储器;采用硬件、软件协同设计方法,包括完整的操作系统和用户软件;具有强大的数据、图像传输和处理能力,以及高可靠、友好的用户界面。如上表显示了世界IC设计方法进步带动其IC产品形态演变的过程。
20世纪70年代,IC基于器件级而设计。这一时期为配合刚兴起的微处理器和存储器的开发应用,通用的系列化、标准化逻辑电路盛行。其设计主要以人工为主,仅在数据处理和图形编辑方面采用了计算机辅助设计。其中IC设计和半导体工艺不可分离。
20世纪80年代,IC基于单元库而设计。这一时期由于微处理器和PC机的广泛应用和普及,标准化功能的IC难以满足整机客户对成本和可靠性的要求。于是专用集成电路(ASIC)诸如门阵列(GA)、可编程逻辑(PLDs)包括现场可编程门阵列(FPGA)、标准单元、全定制电路等应运而生。其比例在1982年,已占整个集成电路销售额中12%,此时ASIC单为一个客户服务。同时其设计方法随着EDA工具(电子设计自动化工具)的出现,PCB(印刷线路板)设计方法被引入,如库的概念、工艺模拟参数及其时序仿真概念等,并逐渐造成了设计和工艺分离的技术环境。
20世纪90年代,IC基于IP而设计。这一时期由于互联网推动了通信和网络及多媒体信息家电的IC需求,仅为单一客户服务的ASIC已难以应对不同客户对某一类系统功能(如音频、图像压缩等)的不同要求,故ASIC延伸为专用标准产品;同时其设计方法由于EDA工具的发展,解决了过去IC设计技术中的时序收敛等问题,设计进入了功能级的抽象化阶段,即可复用以前的、经过验证、并有一定功能的设计资源。这些设计资源具有知识产权价值,故称为硅知识产权,且IP及其复用在业界巨头企业内部被普遍采用。特别是,到20世纪90年代中期,由于SoC的兴起,鉴于其使IC设计公司将有限的资源投入核心专长领域,故一些专门提供这种IP功能模块的知识产权的公司和供应商也就应运而生,IP开始成为市场化商品。
21世纪初至今,IC基于IP模块及其复用的平台而设计。当前的硅加工技术已可以在一个芯片上制备近百亿个晶体管。根据IBS报告,以80mm²面积的芯片裸片为例,在3nm工艺节点下,该晶体管数量可增长到156.8亿个。另外,以5nm制程节点为例,可集成的IP数量将达到218个。
 
鉴此,基于平台设计的SoC架构特点有三点。一是,它基于结构件(IP模块)及其复用的系统级不同应用,故可应地衍生出一系列不同功能的IC产品;二是,它基于软硬件协同设计的结构,故使得同一系列的IC产品升级更为方便;三是,它将有助于包括IP、EDA、芯片制造、封装测试和集成器件制造(IDM)及其应用在内的整个IC产业链和供应链的高质量地自主可控发展。