原標題：【芯論語】科普：芯片行業(yè)所說的IP是個什么東西？
在芯片行業(yè)，人們經(jīng)常用到IP這個詞，例如IP開發(fā)、IP交易、IP復(fù)用、IP廠商、IP提供商等。行外人對此詞可能覺得不明覺厲，不知所云。他們也許以為是說IP卡，也或者以為是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中所說的IP地址，其實都不是。本文就專門科普一下，說說芯片行業(yè)中IP到底是個什么東西。
“IC、IP、IQ卡，通通告訴我密碼!”是電影《天下無賊》中范偉的一句經(jīng)典臺詞。現(xiàn)實中沒有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、交通卡和社保卡等都是用芯片卡實現(xiàn)的。IP卡是一種運用了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)常可以聽到。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《天下無賊》中列車上打劫一場戲的場景
第二種IP是一個法律詞匯，它是知識產(chǎn)權(quán)(Intellectual Property)的英文簡稱。現(xiàn)代社會中，許多國家都十分重視知識產(chǎn)權(quán)保護。芯片行業(yè)是一個高度智力密集、資金密集的行業(yè)，因此該行業(yè)中知識產(chǎn)權(quán)的保護則顯得更加重要。芯片行業(yè)中的知識產(chǎn)權(quán)可稱為硅知識產(chǎn)權(quán)(Silicon Intellectual Property)，簡稱SIP。SIP的保護形式主要包括專利權(quán)保護(Patent Protection)和集成電路布圖保護(IC Layout Protection)。
本文要介紹第三種IP，它既是一個技術(shù)詞匯，也是一種東西，是一種商品。它凝聚了芯片設(shè)計者的智慧，具有商品和知識產(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，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)中所說的IP，一般也稱為IP核。IP核是指芯片中具有獨立功能的電路模塊的成熟設(shè)計。該電路模塊設(shè)計可以應(yīng)用在包含該電路模塊的其他芯片設(shè)計項目中，從而減少設(shè)計工作量，縮短設(shè)計周期，提高芯片設(shè)計的成功率。該電路模塊的成熟設(shè)計凝聚著設(shè)計者的智慧，體現(xiàn)了設(shè)計者的知識產(chǎn)權(quán)，因此，芯片行業(yè)就用IP核(Intellectual Property Core)來表示這種電路模塊的成熟設(shè)計。IP核也可以理解為芯片設(shè)計的中間構(gòu)件。
一般說來，一個復(fù)雜的芯片是由芯片設(shè)計者自主設(shè)計的電路部分和多個外購的IP核連接構(gòu)成的。如圖2所示，要設(shè)計這樣結(jié)構(gòu)的一款芯片，設(shè)計公司可以外購芯片中所有的IP核(不同顏色模塊)，僅設(shè)計芯片中自己有創(chuàng)意的、自主設(shè)計的部分(用綠色表示)，并把各部分連接起來。
圖2.自主設(shè)計部分和多個IP核集成在一起，形成復(fù)雜芯片的設(shè)計
圖2的芯片設(shè)計過程就像圖3的系統(tǒng)電路板開發(fā)過程一樣，是用已有的、成熟的IP核(或者芯片)進行布局、擺放和信號連接的過程，這種過程可以稱為對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)計過程中，芯片上除了采用外購的IP核之外，一般說來，芯片設(shè)計者還要設(shè)計一部分自己的電路，并完成各部分之間的信號連線，最后還要對整個芯片的功能、性能進行制造前的反復(fù)檢查和驗證。
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專業(yè)，還可以用拼圖畫來對芯片設(shè)計打比方，可以把圖2所示的芯片抽象地理解成圖4所示的拼圖畫。芯片中外購的不同功能的IP核用不同色的圖塊表示，自主設(shè)計的電路部分用綠色圖塊表示，復(fù)雜芯片的設(shè)計過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)計要考量IP核的許多參數(shù)和指標，并要把各個IP核和自主設(shè)計部分正確連接，保證整個芯片的功能和性能正確無誤。
圖4.IP核使復(fù)雜芯片的設(shè)計變得較容易，IP復(fù)用類似于“拼圖”
IP核被其他芯片設(shè)計公司采用，行業(yè)內(nèi)稱為IP復(fù)用。專門設(shè)計相對獨立電路功能模塊，目的是推廣給其他芯片設(shè)計公司進行復(fù)用，這種設(shè)計工作稱為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)計公司是一種IP交易行為。
二、IP的由來和作用
IP的由來要從早期的芯片設(shè)計過程講起。早期芯片的集成規(guī)模有限，設(shè)計復(fù)雜度不高，芯片上所有的電路都是由芯片設(shè)計者自主完成。設(shè)計水平不高、能力有限的芯片公司只能設(shè)計規(guī)模小的簡單的芯片。設(shè)計水平高、能力強的芯片公司才可以設(shè)計規(guī)模大、功能復(fù)雜的芯片。這個時期，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)計的。早期的高端芯片基本上都是由為數(shù)不多的大型國際芯片公司把持。
隨著現(xiàn)代信息社會對芯片要求提升，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立完成一款復(fù)雜芯片設(shè)計幾乎變得不太可能。特別是20世紀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)計公司(Fabless)應(yīng)運而生。這個時期，芯片設(shè)計行業(yè)急需解決小芯片公司無法設(shè)計大芯片的難題。
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;由標準件設(shè)計大型機器;由軟件子程序(或者中間件)調(diào)用設(shè)計大型軟件;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)計好的成熟的構(gòu)件來搭建更復(fù)雜的系統(tǒng)，省掉對構(gòu)件內(nèi)部問題的考慮，化繁為簡;重復(fù)使用構(gòu)件，減少重復(fù)勞動，節(jié)省時間;重復(fù)使用構(gòu)件，提高整個復(fù)雜系統(tǒng)搭建的成功率。
芯片設(shè)計行業(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)計好的具有獨立功能的電路模塊設(shè)計。有了IP核這種構(gòu)件，大的復(fù)雜的芯片設(shè)計就變得較容易、周期短、易成功。
IP的作用主要有四個方面，一是使芯片設(shè)計化繁為簡，縮短芯片設(shè)計周期，提高復(fù)雜芯片設(shè)計的成功率。二是IP開發(fā)和IP復(fù)用技術(shù)使小公司設(shè)計大芯片成為可能;三是使系統(tǒng)整機企業(yè)可以設(shè)計自己的芯片，提升自主創(chuàng)新能力和整機系統(tǒng)的自主知識產(chǎn)權(quán)含量;四是使芯片設(shè)計行業(yè)擺脫傳統(tǒng)IDM模式，成為產(chǎn)業(yè)鏈上獨立的行業(yè)，促進了芯片設(shè)計業(yè)迅猛發(fā)展。
目前，許多中小微芯片設(shè)計公司雖然設(shè)計能力和水平有限，但出于搶占市場，縮短芯片設(shè)計周期的需要，會外購許多IP核來完成自己的芯片設(shè)計項目。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交易活動也日趨普遍，交易金額也越來越大。
三、IP的種類和舉例
IP核有行為(Behavior)級、結(jié)構(gòu)(Structure)級和物理(Physical)級三個層次的分類，對應(yīng)著三個種類型的IP核，它們是由硬件描述語言設(shè)計的軟核(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)過工藝驗證的硬核(Hard IP Core)。
1.IP軟核：它是用硬件描述語言(HDL)設(shè)計的獨立功能的電路模塊。從芯片設(shè)計程度來看，它只經(jīng)過了RTL級設(shè)計優(yōu)化和功能驗證，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現(xiàn)信息，因此，IP軟核與制造工藝無關(guān)。
用戶購買了IP軟核后，可以綜合出正確的門電路級設(shè)計網(wǎng)表，并可以進行后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，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)計的電路部分合成一體，并根據(jù)各種不同半導體工藝，設(shè)計成具有不同性能的芯片。
2.IP固核：它的設(shè)計程度介于IP軟核和IP硬核之間，它除了完成IP軟核所有的設(shè)計外，還完成了門級電路綜合和時序仿真等設(shè)計環(huán)節(jié)。一般地，它以門級電路網(wǎng)表的形式提供給用戶。
3.IP硬核：它提供了電路設(shè)計最后階段掩模級的電路模塊。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，也可以針對特定工藝或特定IP提供商進行功耗和尺寸的優(yōu)化。
所以，三種類型的IP核是電路功能模塊設(shè)計在不同設(shè)計階段的產(chǎn)物，如圖5所示。
圖5.在電路功能模塊設(shè)計的不同階段，可得到不同類型的IP核
用戶經(jīng)過精心評測和選擇，購買了IP廠商的IP核后，開始設(shè)計自己的芯片。前文講過，一個復(fù)雜芯片一般由購買的IP核和用戶自主設(shè)計的電路部分組成。芯片設(shè)計過程包括了行為級、結(jié)構(gòu)級和物理級三個階段。行為級和結(jié)構(gòu)級設(shè)計階段的工作一般稱為前端設(shè)計，物理級設(shè)計階段的工作一般稱為后端設(shè)計。圖6的示意圖說明，不同類型的IP核是在不同的設(shè)計階段中加入到整個芯片設(shè)計中去。
圖6.三種類型的IP核在芯片設(shè)計不同階段被合并到設(shè)計中，形成了一個整體
三種類型的IP核各有優(yōu)缺點，用戶會根據(jù)自己的實際需要來選擇。以下是三種IP核的優(yōu)缺點簡要總結(jié)。
IP軟核：它以綜合源代碼的形式交付給用戶，其優(yōu)點是源代碼靈活，在功能一級可以重新配置，可以靈活選擇目標制造工藝。靈活性高、可移植性強，允許用戶自配置。其缺點是對電路功能模塊的預(yù)測性較差，在后續(xù)設(shè)計中存在發(fā)生錯誤的可能性，有一定的設(shè)計風險。并且IP軟核的知識產(chǎn)權(quán)保護難度較大。
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)點是確保性能，如速度、功耗等達到預(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IP硬核的知識產(chǎn)權(quán)保護最為方便。
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供應(yīng)商中，有些也是IP供應(yīng)商。例如美國新思科技(Synopsys)可提供上千種各類IP。涵蓋邏輯電路(Logic Libraries)、嵌入式存儲器(Embedded Memories)、模擬電路(Analog Libraries)、有線和無線通信接口(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)計過程比較相似，都需要緊跟芯片技術(shù)的發(fā)展趨勢，不斷積累芯片設(shè)計技術(shù)，了解芯片制造工藝發(fā)展步伐。所不同的是，芯片設(shè)計公司的商業(yè)模式是設(shè)計完整的芯片，并推向市場，實現(xiàn)芯片銷售利潤。而IP開發(fā)商不設(shè)計完整的芯片，他們只設(shè)計芯片局部的某些功能模塊，追求這些功能模塊(IP核)的設(shè)計是最優(yōu)化的，并要實現(xiàn)IP核在多種復(fù)用場合的適應(yīng)性、便利化。IP開發(fā)商謀求這些IP可以被眾多芯片設(shè)計公司購買采用，并實現(xiàn)IP的銷售利潤。
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)計的構(gòu)件，可以與軟件設(shè)計的構(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際應(yīng)用時，通過打補丁升級的方式不斷完善。但IP核必須非常完善，一點瑕疵都不能有。因為，IP核的任何小瑕疵都有可能影響到整個復(fù)雜芯片設(shè)計的成敗，影響到花費了數(shù)百萬元甚至上億元整個芯片研發(fā)的投入產(chǎn)出。因此，復(fù)雜IP核的售價極為昂貴，從數(shù)十萬元到上百萬元不等。為了便于推廣，IP廠商一般采用收取前期IP許可費(IP License)+后期按芯片出貨量計算的版權(quán)費(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、電源、功耗、性能等。這些都要求IP開發(fā)者對芯片設(shè)計、制造工藝和行業(yè)應(yīng)用等非常熟悉。三是用戶對IP提供商的信譽度要求，包括公司技術(shù)實力、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。用戶寧愿購買著名的、大的IP廠商提供的較貴的IP，因為這樣的IP才有質(zhì)量保障和后續(xù)服務(wù)的保障。
2000年以來，在國發(fā)18號文件和八個國家級IC設(shè)計產(chǎn)業(yè)化基地的促進下，國內(nèi)IC設(shè)計企業(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)計企業(yè)都可以根據(jù)市場需要，及時開發(fā)出各種功能的系統(tǒng)級芯片(SOC)、人工智能(AI)芯片、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)芯片等。這些推動了國內(nèi)IC設(shè)計業(yè)的高速發(fā)展，帶動了我國新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。可以說，晶圓代工技術(shù)、IP開發(fā)和IP復(fù)用技術(shù)成就了我國目前芯片產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展基礎(chǔ)。
后記：芯片行業(yè)中所說的IP，也稱為IP核。IP核是指芯片中具有獨立功能的電路模塊的成熟設(shè)計。在電路模塊設(shè)計的三個不同階段，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)用風險性降低。芯片設(shè)計公司購買IP廠商的IP核，通過IP復(fù)用可以快速設(shè)計出功能復(fù)雜的芯片，可以節(jié)約設(shè)計時間，提高芯片設(shè)計成功率。IP開發(fā)和IP復(fù)用技術(shù)大大促進了芯片設(shè)計業(yè)的快速發(fā)展。
參考資料：
1.電子百科詞庫：IP核，科通芯城：https://www.cogobuy.com/wiki-3064.shtml
2.oLinXi1234567.什么是IP核?，CSDN博客：https://blog.csdn.net/oLinXi1234567/article/details/40682869.2014.11.1
3.長弓的堅持，F(xiàn)PGA的IP軟核、硬核以及固核，CSDN博客：https://blog.csdn.net/wordwarwordwar/article/details/53415523.2016.11.30
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
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