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曾克强:外商垄断芯片IP,国产如何换道超车

发布日期:2021-07-30 浏览次数:1953 来源:澎湃新闻作者:网络

 指甲盖大小的芯片,可能是人类目前能够创造的最细微、最宏大的工程——上百亿个晶体管集成在一起——可谓一座微缩的城市。

 

正如城市中建筑需要大量预制件,芯片产业链中,半导体IP作为设计上游关键技术环节,就像建筑行业中的“预制件”,以搭积木式的开发模式帮助缩短芯片开发时间、降低研发风险。

 

但全球前十IP供应商主要来自英美,国外巨头垄断下,国产IP的新鲜血液能否为市场竞争带来新活力?国产IP又如何突围?

 


芯耀辉科技有限公司董事长兼联席CEO曾克强

 

近日,国内半导体IP初创企业芯耀辉科技有限公司董事长兼联席CEO曾克强在上海浦东张江接受澎湃新闻www.thepaper.cn)专访时表示,中国的半导体IP需求“已经到了一个即将爆发式增长的时期”。尽管目前国产IP行业还较为薄弱,但他坚信现在是厚积薄发的最好时机,中国人可以靠自己研发出面向未来的IP技术,前提是必须吸引到中国最顶尖的人才。

 

曾克强曾在国际顶尖IP设计企业新思科技(Synopsys)任中国区副总经理,在新思科技的20多年里一直负责芯片EDA和IP的市场产业化落地,他敏锐捕捉到半导体IP市场的高速增长,但外商市占率超90%,中国急需自主研发的先进IP技术和产品。

 

IP设计不是闭门造车,没有和客户十几年的量产、磨合、迭代,研发IP根本不现实。从过去30多年全球IP发展历程看,技术的快速迭代和市场应用新需求的出现共同推动了IP产业的突破。而当前的中国,芯片应用走在世界前沿,这是这一特殊时代中能够看到并把握的机会。

 

今年6月是芯耀辉成立一周年的日子,曾克强带领各路团队登高庆祝。“大家都感觉我们做的是顺应时代的事,大家有同一个梦想、同一个信念,关键是把人聚在一起。”

 

专访时间定在上午10时,澎湃新闻记者达到时,他刚刚结束一个会议。在1个多小时的采访里,曾克强激情澎湃,亲历中国缺“芯”之痛,“那时候大家已经有一种感觉,如果有一天IP被卡脖子怎么办?”曾克强说,他们这一代半导体人必须站出来,“我们真的应该要为产业做点事情了。”

 

“我们的团队又恰恰是在全球顶尖的公司有过数十年的积累,所以我们有责任和使命创立一家自主研发的中国IP企业,突破卡脖子问题,为国家、为产业解决问题。”

 

芯片中的“预制件”:缩短开发时间,串联芯片设计和制造

 

半导体IP核是系统芯片设计产业链上游的关键技术环节。它是经过验证的、具有特定功能的可重用芯片模块。终端产品复杂多样,芯片设计难度提升,研发资源和成本持续增加,促使全球半导体产业分工不断细化,IP产业应运而生。

 

由于经过验证且可重复使用,半导体IP核就像建筑行业中的预制件,当前国际上绝大部分芯片企业在设计芯片时会采用IP,通过购买成熟可靠的IP方案实现某个功能,缩短芯片开发时间,降低研发风险,很快搭起一栋建筑。根据美国电子行业战略咨询公司IBS(International Business Strategies,国际商业战略公司)报告,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5nm时,可集成的IP数量超过200个。

 

单颗芯片可集成IP数量增多为更多IP在SoC(系统级芯片)中实现可复用提供新的空间。IP在集成电路设计与开发工作中已是不可或缺的要素,推动了半导体产业和芯片技术的进一步发展。

 

IBS曾预计,全球半导体IP市场将从2018年的46亿美元增至2027年的101亿美元,增长率高达120%,年均复合增速9.13%。半导体IP无处不在,它可以分为处理器IP、接口IP、物理IP等,其中高速接口IP量大面广,比如手机充电、和外部交换数据就要用到USB接口。由于手机应用爆发式增长,要传输的数据越来越大,接口IP的数据传输速率越来越快,否则就会影响手机性能和用户体验。

 

曾克强举了个例子,“USB接口日常大家使用已经好多年了,仔细观察可以看到形态发生了很多变化。以前是比较厚的接口,后来到type c然后一直到现在用苹果里面lightning,它都属于接口IP。”

 

“接口IP从USB2.0到3.0、3.1到现在最新的4.0,传输速度提高了85倍。”这也意味着,以前我们从手机导出一部全高清视频动辄需要以小时为单位计量,而现在不到一分钟就能导出一部更高质量的8K视频了。

 

再比如,计算设备都需要存储数据并与CPU交互数据,这就要用到DDR内存接口IP。曾克强介绍,现在的游戏都以画质精美而著称,实现逼真画质的前提是设备可以进行大量数据运算和处理来完成渲染,这需要高带宽、大容量存储支持。

 

DDR接口就是为了满足这一需求而不断迭代,当前最先进的DDR接口是DDR5和LPDDR5。采用最先进的DDR接口已经成为电子终端差异化产品和市场的重要手段之一。

 

随着个人计算机产业向手机产业迈进,电子终端产品更加复杂多样,芯片设计复杂程度大幅提升。曾克强说,IP设计标准也在朝着带宽更大、数据量更大、传输速率更高、功耗更低的方向发展,因此研发难度也就更大。

 

对于芯片生态来讲,IP也是供应链的重要一环。由于居于产业链上游,它对全产业链创新具有重要作用,也能带动下游发展。

 

IP公司的价值就是预先设计芯片里通用的功能,并且让其具备高可靠性和高兼容性,让芯片公司可以直接复用而无需再承担研发风险并节省开发时间。

 

而一个成熟的IP要被充分验证,才能避免给芯片厂商带来风险。要知道,芯片行业是一个几乎没有容错空间的产业,一个先进工艺芯片的流片成本就是数亿美元级别。

 

另一方面,IP和芯片制造(芯片代工产业)休戚与共。曾克强说,每家芯片制造公司都有其独特芯片工艺,工艺和工艺的名字在公众看来都差不多,比如14nm工艺或7nm工艺,但技术路径百花齐放,同纳米级别的工艺参数也大相径庭。IP研发需要配合每一家芯片制造公司的独特工艺去设计产品,才能保证下游芯片公司的“IP选择自由”。

 

“所以芯片制造公司也把IP厂商视作他们最重要的生态伙伴之一”,曾克强告诉澎湃新闻www.thepaper.cn),“中国的半导体行业正在奋力追赶,以对标国际先进工艺为当前目标,芯耀辉也是其中一员。”

 

外商市占率超90%,半导体IP研发难在哪?

 

半导体IP市场参与者可大致分为两类:一类是与EDA工具捆绑型的半导体IP供应商,如美国的新思科技(Synopsys);一类是只提供专业领域半导体IP的供应商,如英国的ARM公司、Imagination。这些企业都成立于上世纪八九十年代。

 

而如今使用最广泛的半导体IP也主要来自它们。IP领域调研机构IPnest调查显示,2019-2020年全球半导体IP供应商销售收入市场占有率分布中,排名前二的依次是ARM和新思科技。其中ARM在2020年的市占率为41%,新思科技为19.2%。仅这两家企业就占据了全球六成半导体IP市场。

 

“国内IP基本上就是处于被卡脖子状态。”一位芯片从业人员对澎湃新闻www.thepaper,cn)表示,“就连国内设计最强的芯片设计企业这块也得仰赖外方,更别提其他的芯片公司了。”

 

半导体IP的外商市占率超90%,中国急需自主研发的先进IP技术和产品。但中国半导体IP至今没有成功突围,曾克强说,主要挑战来自三方面。首先是快速升级的各种接口IP标准化协议,这决定了IP研发不是一蹴而就的事情,而是需要长期投入。

 

其次是IP研发需要持续跟踪各芯片制造公司的工艺演进,必须具备工艺制程的快速移植能力。

 

最后,把协议标准集成到IP,并针对各家工艺制程做定制化后,还必须与下游芯片设计公司共同进行芯片验证并大规模量产才能保证IP产品的市场化落地。

 

“本土的IP标准本身起来得就比国外慢,再加上技术没有积累。”上述芯片从业人员表示,14、12纳米IP当前是国内稀缺技术。“做出来真正在市场上有客户规模使用,真正受到市场检验的先进工艺IP,几乎是空白。”而现实是,高性能计算、5G、智能汽车等新应用的发展都需要先进工艺IP来支撑。

 

“IP不好做,做好IP更难。”曾克强坦言,半导体IP不是科学发明,而是一个典型的工业技术,一门跨学科、长产业链的工业工程。工业工程的发展是没有捷径的,需要技术积累、产品迭代、产业配套、生态链协同,缺少任何一环,都没法进步。

 

拿产品迭代来说,一个IP产品光设计起码需要一年时间,完成设计后,芯片要生产、测试、返回终端用户试用,从小批量试用到大批量试用,这个过程起码要两年。“这还是普通的芯片,如果遇到高性能计算服务器上用的复杂芯片,光设计一年时间就不够了。”上述芯片从业人员表示,这一代产品生产出来以后也可能会出现各种问题,有些可以打个补丁用软件解决,有些必须修改硬件,也就是做工程修改命令(ECO,Engineering Change Order)。

 

“ECO还是说你能找到这个问题在哪里,做一个ECO就半年,这一改,再去生产制造,回来差不多就是9个月以后。”该芯片从业人员表示,而经常碰到的问题是,硬件修改勉强通过,但客户希望下一代产品不再出现这一问题,“要做得更好,就得陪客户再做一代,这一代又是两三年过去了。等到两三年过去,可能新的标准又出来了。”

 

所以IP研发需要长期积累,曾克强也表示,“没有和客户十几年的量产、磨合、迭代,研发IP根本不现实。”这样的跨越不是砸钱就能解决的。

 

厚积薄发的最好时机:国产IP如何突围?

 

全球半导体IP市场不断增长。道阻且长,行则将至,国产IP的机会和出路在哪里?

 

从过去30多年的发展历程来看,技术的快速迭代和市场应用新需求的出现共同推动了IP产业的突破。曾克强说,全社会轰轰烈烈的数字化发展,让中国发展为全球最大的芯片应用市场,数字化和各行各业的结合也把中国的芯片应用推至了世界的前沿。

 

芯片技术无疑是中国发展数字经济和产业数字化的底层技术支持。而今天,越来越多过去只做应用的系统公司也计划从底层硬件实现产品差异化,开始布局芯片。

 

曾克强曾任职新思科技中国区副总经理,在新思科技的20多年里一直负责EDA和IP的市场产业化落地。他敏锐捕捉到,中国的半导体IP需求“已经到了一个即将爆发式增长的时期”。

 

“中国的系统公司以前专注做应用,今天都纷纷开始入场做芯片,包括BAT和后起之秀如字节跳动,这些公司非常擅长定义芯片的需求来支持应用的落地,这已经成为未来的市场趋势。“曾克强说。

 

“除此之外,还有很多电子终端公司也加入其中,代表性的是电器制造商格力、造车的小鹏汽车,再比如做手机的小米和OPPO。我相信IP可以为这些造芯新势力提供巨大的价值,但要有全新的IP设计方法学来支撑。”

 

曾克强用拍照打了个比方:以前拍照大多会用单反相机,但现在基本上只有发烧友在用,普通用户一个手机相机就可以拍出不亚于以前单反相机质量的照片,“用户不用去管光圈、快门,手机都处理好了,甚至连后期都做进去了。”

 

做IP也一样,曾克强说,未来的IP不只是设计一个个小而精的接口IP,还要做成IP子系统,让系统公司和芯片公司更容易通过集成IP来迅速做出大规模的系统芯片,满足数字时代应用市场的多元化需求。

 

与此同时,设计IP的方法学也需要革新,这样才能满足造芯新势力的实际需要,“把人工智能、云化这些技术应用于传统的IP设计中,解放工程师的创造力,才是面向未来全面技术革新,这和以前的方法学会完全不一样。”

 

走在世界前沿的应用市场,是这个特殊时代中能够看到并把握的机会,也是国产IP换道超车的不二路径。国内IP企业还未“成长到位”,市场需求已爆发。“时代呼唤我们创业,来成立一家拥有自主产权的中国IP公司。”2020年6月,芯耀辉在珠海成立,不到一年累计融资10亿元,聚集200多位国内国际顶尖人才,80%在芯片行业拥有15年以上工作经验。

 

芯片产业分工合作明确,IP要基于芯片设计公司的工艺开发。芯耀辉成立之初研发14纳米、12纳米IP,这是国内可以量产的最先进工艺。这批先进工艺IP已陆续推向市场并收获良好反响,“我们还在和国内的代工厂一起合作研发更先进工艺的IP。”

 

尽管目前国产IP行业的发展还较为薄弱,但曾克强坚信,现在是厚积薄发的最好时机,中国人可以靠自己做出IP,前提是必须吸引到中国最顶尖的人才。

 

拥有30多年行业经验,曾经带领新思科技全球IP解决方案事业部并在Intel担任全球副总裁的Anwar Award(安华)与美国电机电子工程师协会IEEE Fellow、澳门大学和里斯本大学双博士余成斌均先后加入芯耀辉,分别担任全球总裁和联席CEO。

 

余成斌是澳门大学集成电路国家重点实验室联合创始人, 也是Chipidea澳门微电子联合创始人。2009年Chipidea被新思科技收购后,他曾任IP研发总监,领导新思科技在亚太及大中华地区混合信号IP研发设计团队从事先进接口IP设计和开发。

 

业内人士表示,澳门大学在模拟和数模混合电路学术研究上是世界级水平,人才辈出,与IP设计紧密相关。被称为“芯片奥林匹克”的ISSCC(国际固态电路会议)在2020年收录了中国(包括香港、澳门)学术及产业机构共23篇论文,其中中国内地15篇,澳门6篇,香港2篇。而澳门获收录的6篇论文全部来自澳门大学。

 

“中国半导体发展了多年,已经培养了一批有经验的研发和技术人员,这给发展IP技术和产品提供了必须的土壤。“曾克强说,“我们这一代半导体人完全有信心抓住这百年一遇的数字化转型时代机遇,但一定要用全新的技术路径换道超车,做面向未来的半导体技术。”

 

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