從集成電路設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)出發(fā)，討論了IP核相關(guān)技術(shù)和特有的發(fā)展模式。從國內(nèi)外的市場(chǎng)和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)出發(fā)，針對(duì)先進(jìn)工藝技術(shù)支持的高端芯片和特色工藝支持的成熟芯片需要的IP做了分析，簡要地介紹了先進(jìn)設(shè)計(jì)和制造協(xié)同優(yōu)化和人工智能技術(shù)在IP驗(yàn)證中的應(yīng)用。最后提出了發(fā)展我國集成電路設(shè)計(jì)中IP技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的策略以及建議。
集成電路產(chǎn)業(yè)是信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的核心，是支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和保障國家安全的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性和先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)。《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要》對(duì)產(chǎn)業(yè)3大特征的定位主要體現(xiàn)在：（1）我國近幾年每年集成電路進(jìn)口額巨大，2017年達(dá)到2601億美元（海關(guān)[敏感詞]數(shù)據(jù)顯示2018年達(dá)3120.58億美元），遠(yuǎn)高于原油或其他戰(zhàn)略物質(zhì)進(jìn)口總額；（2）產(chǎn)業(yè)的發(fā)展高度依賴于材料、機(jī)械（裝備）、電子和軟件等基礎(chǔ)工業(yè)的支撐；（3）[敏感詞]的先導(dǎo)技術(shù)研發(fā)成果通常在集成電路產(chǎn)業(yè)中首先得到應(yīng)用，從而引導(dǎo)其他產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。芯片的重要性如同[敏感詞]次、第二次工業(yè)革命中的蒸汽機(jī)和內(nèi)燃機(jī)。無論是日常生活的手機(jī)、電腦，還是企業(yè)應(yīng)用的服務(wù)器與數(shù)據(jù)中心、工業(yè)機(jī)器人，乃至航空航天和[敏感詞]安全都離不開芯片。
芯片設(shè)計(jì)中的IP核（intellectual property core，IP）通常指應(yīng)用在系統(tǒng)芯片（SoC）中且具有特定功能的可復(fù)用（reusable）的電路模塊，具有標(biāo)準(zhǔn)性和可交易性。通過產(chǎn)業(yè)化驗(yàn)證的IP電路模塊可以被系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師直接植入芯片。IP包括CPU類（包括DSP、MPU、MCU），已經(jīng)成為集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)的核心與精華。IP大體上可以分為軟核（soft core）、硬核（hard core）和固核（firm core）3種。
IP軟核是獨(dú)立于制造工藝的寄存器傳輸級(jí)（RTL）代碼，經(jīng)過行為級(jí)（behavioral）的功能驗(yàn)證（functional verification）和優(yōu)化，使用時(shí)具有相當(dāng)?shù)撵`活度。IP硬核是通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證、物理版圖設(shè)計(jì)驗(yàn)證和工藝制造獲得的半成品或者產(chǎn)品。其優(yōu)點(diǎn)是確保電路性能達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，提交形式是芯片制造掩模版結(jié)構(gòu)的全部版圖和詳細(xì)系統(tǒng)的全套工藝相關(guān)文件。由于與成套工藝的綁定 ，硬核沒有應(yīng)用靈活度。工藝升級(jí)后相應(yīng)的硬核需要重新驗(yàn)證、重新進(jìn)行物理設(shè)計(jì)。在軟核與硬核之間的是IP固核。固核通常以邏輯門級(jí)網(wǎng)表（gate-level netlist）的形式提交。由于固核多由設(shè)計(jì)客戶完成最終布線設(shè)計(jì)，因此核的端口位置、核的形狀和大小都可以調(diào)整，比硬核更具有靈活度。
一個(gè)可復(fù)用的IP核必須要具備完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用參數(shù)（specifications）說明，各種兼容的應(yīng)用模型、可配置性、驗(yàn)證代碼和測(cè)試文件，通用的總線接口以及通用的檢測(cè)接口，功能驗(yàn)證、邏輯綜合和物理設(shè)計(jì)驗(yàn)證等相關(guān)的腳本（script）文件、設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)讓文檔等。
從IP設(shè)計(jì)的產(chǎn)品類型來看，可以分為：（1）IP成熟產(chǎn)品模塊類?？梢灾苯蛹蓱?yīng)用，例如DDR裸片等，也稱作已知合格芯片（known good die，KGD）；（2）IP半成熟產(chǎn)品模塊類，也稱作驗(yàn)證IP（簡稱VIP），IP設(shè)計(jì)者需要提供驗(yàn)證代碼 ，供系統(tǒng)芯片（SoC）統(tǒng)一集成使用；（3）新定義或者新開發(fā)的，并且需要設(shè)計(jì)的IP（design IP，DIP）。VIP的類型有：高速IP類的 ，例如總線和接口標(biāo)準(zhǔn)（peripheralcomponent interface express，PCIe）、快速接口（rapi-dIO）等。DIP的類型有：人工智能專用DIP，大數(shù)據(jù)用DIP，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）用DIP等。
根據(jù)IP核在SoC中的集成方式及應(yīng)用場(chǎng)景，還可以將其分為：（1）接口IP，例如通用串行總線（universal serial bus ，USB）、串行高級(jí)技術(shù)附件（serial advanced technology attachment，SATA）、PCIe、高清多媒體接口/顯示端口（high definition multimediainterface，HDMI/Display Port，DP）等；（2）存儲(chǔ)IP，例如靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（SRAM）、動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（DRAM），NAND/NOR閃存存儲(chǔ)器 、單次/多次可編程（OTP/MTP）存儲(chǔ)器等；（3）功能性IP，例如模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ADC/DAC）、數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）、微控制器（MCU）、音視頻交叉存取（audiovideo interleave / interleaved，AVI）等IP。
隨著集成電路產(chǎn)業(yè)的工藝技術(shù)的發(fā)展，IC設(shè)計(jì)的性能不斷提升，復(fù)雜度不斷增加，很多IC的規(guī)模已經(jīng)達(dá)到10?～101?個(gè)晶體管，如圖1所示，從而對(duì)IP的驗(yàn)證提出了更高、更快、更準(zhǔn)確的要求?，F(xiàn)有的以及不斷發(fā)展的驗(yàn)證方法已經(jīng)顯示出，設(shè)計(jì)規(guī)模越大，驗(yàn)證時(shí)間越長，驗(yàn)證覆蓋率的增大變得更困難，如圖2所示，這直接影響到IP或IC產(chǎn)品的性能等指標(biāo)的收斂，影響設(shè)計(jì)可靠性（design for reliability，DFR），同時(shí)間接地影響到產(chǎn)品的量產(chǎn)（成本），也稱作設(shè)計(jì)量產(chǎn)性（designfor yield，DFY）。
圖1.制造工藝的進(jìn)步與設(shè)計(jì)規(guī)模的變化
圖2.IC/IP設(shè)計(jì)規(guī)模和復(fù)雜度的增加與驗(yàn)證準(zhǔn)確度的關(guān)系
集成電路產(chǎn)業(yè)的最上游是設(shè)計(jì)IP，2018年全球IP市場(chǎng)規(guī)模約49億美元。IP本身的產(chǎn)值雖然不是[敏感詞]但是其具有極大的附加值和特有的產(chǎn)業(yè)生態(tài)支柱作用 ，同時(shí)其產(chǎn)品與國家信息安全密切相關(guān)。以IP核復(fù)用為基礎(chǔ)的SoC技術(shù)是全球集成電路發(fā)展的方向。產(chǎn)業(yè)界以IP核設(shè)計(jì)為主的SoC占總數(shù)的90%以上。全球的10大設(shè)計(jì)IP的供應(yīng)商如表1所示。
表1.2017年全球前10名IP供應(yīng)商
全球IP核龍頭企業(yè)ARM從2007年33%的市場(chǎng)占有率增加到2017年的46.2%，表明IP正向高度集中的方向發(fā)展。全球IP的發(fā)展路徑主要由上升中的SoC市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)。同時(shí)，開源CPU指令集（instructionset architecture，ISA）架構(gòu) RISC-V、人工智能的技術(shù)滲透和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）推動(dòng)的接口類IP是未來IP發(fā)展的熱點(diǎn)趨勢(shì)。例如，將多種傳統(tǒng) CPU、GPU、DSP 等模塊集成在同一個(gè)芯片的異構(gòu)系統(tǒng)架構(gòu)（heterogeneous system architecture，HSA）的設(shè)計(jì)中，美國[敏感詞]部先進(jìn)研究項(xiàng)目局（DARPA）關(guān)注的、[敏感詞]提出的未來領(lǐng)域特定體系架構(gòu)（domain specific architecture，DSA）等都將對(duì)IP的發(fā)展帶來新的應(yīng)用需求。
隨著全球產(chǎn)業(yè)發(fā)展，處理器IP市場(chǎng)將占據(jù)[敏感詞]市場(chǎng)份額。由于對(duì)各種垂直領(lǐng)域的微處理器（MPU）、微控制器（MCU）、數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）和圖形處理單元（GPU）的需求增加，處理器IP將占據(jù)半導(dǎo)體IP市場(chǎng)的[敏感詞]份額。其中，以移動(dòng)通信微處理器龍頭企業(yè)ARM為代表的IP核授權(quán)業(yè)務(wù)，近年來，特別是在芯片技術(shù)發(fā)展到后摩爾時(shí)代，仍舊不斷顯示出巨大的商業(yè)機(jī)會(huì)。IP核顯然已成為芯片設(shè)計(jì)業(yè)的放大器。后摩爾時(shí)代的SoC設(shè)計(jì)需要越來越多的IP核。從商業(yè)機(jī)會(huì)來看，一個(gè)芯片制造企業(yè)所擁有的IP核數(shù)量的多少和質(zhì)量的高低已成為其市場(chǎng)競爭力的核心；從國家戰(zhàn)略看，一個(gè)國家所擁有的IP核體現(xiàn)了其搶占集成電路戰(zhàn)略制高點(diǎn)的水平，其中IP核數(shù)量多、質(zhì)量高則成為芯片產(chǎn)業(yè)的制高點(diǎn)。事實(shí)上IP核已成為集成電路產(chǎn)業(yè)在實(shí)施大眾創(chuàng)新時(shí)不可或缺的低成本利器。
IP的技術(shù)發(fā)展與工藝技術(shù)發(fā)展密切相關(guān)。目前全球主流的先進(jìn)工藝技術(shù)是10/7 nm成套工藝，未來3年內(nèi)5 nm的成套工藝也將進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段。而芯片制造技術(shù)，從以三維晶體管FinFET結(jié)構(gòu)為主線的技術(shù)路線，擴(kuò)展到全方位的技術(shù)創(chuàng)新。其創(chuàng)新點(diǎn)主要有3方面，即晶體管結(jié)構(gòu)、材料和工藝、以及芯片結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新。
隨著2D平面技術(shù)向3D技術(shù)的發(fā)展，芯片設(shè)計(jì)也發(fā)生了極大的變化。從而根本上改變芯片晶體管的設(shè)計(jì)：包括3D維度的FinFET芯片設(shè)計(jì)、圍柵（gateall-around，GAA）、量子隧穿效應(yīng)（quantum tunnelingeffect）等。進(jìn)入28 nm技術(shù)代以后，平面晶體管的比例縮小到了極限，3D晶體管逐漸形成主流。預(yù)計(jì)主流技術(shù)依然采用3D的FinFET架構(gòu)和浸沒式193 nm（i193）波長的光刻技術(shù)。圍柵結(jié)構(gòu)由于工藝復(fù)雜，成本必然上升，所以最早可能在5 nm節(jié)點(diǎn)應(yīng)用。如圖3所示是全球集成電路產(chǎn)業(yè)主流的晶體管結(jié)構(gòu)發(fā)展路線圖，其技術(shù)發(fā)展的主要目標(biāo)是提高性能功耗比。同時(shí)由于物聯(lián)網(wǎng)的市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，超低功耗的器件研究 ，如隧道場(chǎng)效應(yīng)管（tunnel field-effect transistor，TFET）等，也將是集成電路的技術(shù)發(fā)展方向，與之伴隨的外延、沉積、刻蝕、CMP等設(shè)備及相關(guān)材料的研發(fā)都是需要跟進(jìn)的。尤其是光刻技術(shù)，從浸沒式193 nm多重曝光到EUV光刻工藝的技術(shù)門檻還沒有完全跨過去。EUV的掩模版技術(shù)在批量生產(chǎn)時(shí)遇到一些瓶頸，例如掩模版的缺陷檢測(cè)，保護(hù)膜（pellicle）的耐用性等問題還未解決，大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還有很艱難的路要走?？梢灶A(yù)料，未來僅以特征尺寸縮小為標(biāo)志的技術(shù)發(fā)展速度將會(huì)減緩，而功耗和性能技術(shù)進(jìn)步將成為產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。
圖3.全球集成電路產(chǎn)業(yè)主流晶體管結(jié)構(gòu)發(fā)展路線圖（黃如院士提供）
2.我國IP產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀
目前，國內(nèi)還沒有類似國外有規(guī)模的專門設(shè)計(jì)IP硬核的公司，芯片設(shè)計(jì)公司的成功設(shè)計(jì)還不能被定性為IP。國內(nèi)已經(jīng)有專門提供IP軟核的公司，可以以RTL形式提供給用戶。針對(duì)上述現(xiàn)狀與差異，我國的IP核發(fā)展主要有3個(gè)方向，即高端處理器的IP核、高速接口類的IP核以及與產(chǎn)品應(yīng)用密切相關(guān)的應(yīng)用類IP。其中高端處理器的IP核被國外完全壟斷（如ARM），國內(nèi)產(chǎn)品基本處于空白狀態(tài)。由于高端處理器短期內(nèi)沒有盈利的可能，目前國內(nèi)沒有IP公司開展相關(guān)研發(fā)，也看不到任何發(fā)展計(jì)劃。在嵌入式處理器的IP核方面，由于門檻不像CPU那么高，又有較高的盈利空間，目前有一些國內(nèi)公司在開展研發(fā)；接口類的IP（ 如 SerDes、DDR和USB等），國內(nèi)有幾家公司已經(jīng)打開了良好的研發(fā)和市場(chǎng)局面。至于應(yīng)用類的IP基本上都是由芯片設(shè)計(jì)公司和芯片制造企業(yè)自行研發(fā)完成。同時(shí)，由于國內(nèi)14 nm技術(shù)代即將完成工藝研發(fā)，所以亟需建立相對(duì)完備的14 nm IP庫。
截止于2018年，我國現(xiàn)有的1698家芯片設(shè)計(jì)企業(yè)中，90%以上企業(yè)的營業(yè)額在1億元以下。這些設(shè)計(jì)企業(yè)的發(fā)展主要依賴于中國市場(chǎng)，而其技術(shù)積淀不足。這些企業(yè)無法關(guān)注到每一個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)的發(fā)展，其有限的技術(shù)研發(fā)資源只能聚焦于某些產(chǎn)品的開發(fā)，不可能全面鋪開。尤其是在一些通用IP核的使用方面，需要企業(yè)有工藝支持和設(shè)計(jì)服務(wù)的基礎(chǔ)。
企業(yè)需要進(jìn)一步重視IP的知識(shí)產(chǎn)權(quán)價(jià)值，尤其在當(dāng)前國際競爭的熱點(diǎn)上，需要加強(qiáng)自身IP的保護(hù)，也要用好別人的IP，這樣才不會(huì)把自己放到不可控的知識(shí)產(chǎn)權(quán)風(fēng)險(xiǎn)中。
完全自主可控的芯片設(shè)計(jì)IP核技術(shù)仍然是制約我國集成電路設(shè)計(jì)發(fā)展的重要因素之一。我國的IP企業(yè)基本上屬于小而散模式。雖然10年來累積了一批IP核，但是由于缺乏技術(shù)支持服務(wù)和工藝基礎(chǔ)，使得IP核的利用率很低，已有的IP缺乏維護(hù)，逐漸失去競爭力。缺乏完善中立的測(cè)試體系，IP企業(yè)又不愿意投入研發(fā)，使得國內(nèi)芯片企業(yè)要從國外采購大量的IP核。究其原因在于IP研發(fā)資金投入大且研發(fā)周期長，例如，130 nm工藝IP開發(fā)近500萬美元，需要耗時(shí)約18個(gè)月；28 nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)的IP研發(fā)需要近1000萬美元和約21個(gè)月的研發(fā)周期。這導(dǎo)致國內(nèi)IP公司很難在市場(chǎng)支撐下開展自主IP研發(fā)，從而對(duì)我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展埋下了極大的隱患。
業(yè)界IP設(shè)計(jì)技術(shù)專家朱敏先生認(rèn)為，集成電路產(chǎn)業(yè)的特點(diǎn)是投入大，回報(bào)周期長。集成電路芯片產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀是一個(gè)芯片制造的代工廠（28 nm，月產(chǎn)4萬片）需要投資近50億美元，大多設(shè)計(jì)企業(yè)沒有這么大的資金投入，也沒有必要花費(fèi)大量資源運(yùn)行生產(chǎn)線，所以利用代工共享產(chǎn)能是[敏感詞]的選擇。然而，IP的研發(fā)和應(yīng)用也有類似情況。開發(fā)新一代工藝節(jié)點(diǎn)（28 nm）上的IP需要投入近1000萬美元，以及至少6個(gè)月以上的研發(fā)周期，多數(shù)設(shè)計(jì)企業(yè)無法在每一代的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中有那么大資源投入，所以IP也需要共享。IP核共享是支撐產(chǎn)業(yè)鏈整體發(fā)展的重要環(huán)節(jié)之一。
為此，需要有一個(gè)IP核共享的公共平臺(tái)。公共平臺(tái)依靠國內(nèi)的芯片制造的工藝基礎(chǔ)，為設(shè)計(jì)公司提供設(shè)計(jì)服務(wù)。我國蓬勃發(fā)展的集成電路產(chǎn)業(yè)急需一個(gè)中立的IP公共平臺(tái)提供設(shè)計(jì)服務(wù)。充分利用國內(nèi)優(yōu)質(zhì)IP公司和研究所、高校的優(yōu)質(zhì)資源，組織產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合團(tuán)隊(duì)開發(fā)IP核 ，通過公共平臺(tái)支持設(shè)計(jì)公司創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)。同時(shí)具備中立的IP核測(cè)試評(píng)估，IP核的工藝驗(yàn)證和IP核相關(guān)的設(shè)計(jì)服務(wù)，包括公共IP平臺(tái)和電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（electronic design automation ，EDA）工具平臺(tái)的支持。其結(jié)構(gòu)類似于法國的Design Reuse IP公共平臺(tái)。
公共IP設(shè)計(jì)服務(wù)平臺(tái)扮演著連接設(shè)計(jì)企業(yè)與各芯片制造企業(yè)橋梁角色。我國的產(chǎn)業(yè)需要建設(shè)一個(gè)公共IP平臺(tái)，從工藝平臺(tái)建設(shè)和基礎(chǔ)的模型研究開始，扎扎實(shí)實(shí)地提升我國的IP核技術(shù)水平和應(yīng)用規(guī)模。如圖4所示，公共IP平臺(tái)的架構(gòu)是以工藝平臺(tái)為基礎(chǔ)，建立相應(yīng)的模型，工藝設(shè)計(jì)（智囊）包（process design kit，PDK）及單元庫（library），真正發(fā)揮連接設(shè)計(jì)和制造的橋梁。
集成電路技術(shù)60年來基本遵循摩爾定律演進(jìn)規(guī)律。隨著進(jìn)入后摩爾時(shí)代,即兩年一代技術(shù)更換的節(jié)奏開始放緩，設(shè)計(jì)和制造企業(yè)開始更加重視產(chǎn)品的多樣化發(fā)展，而不再一味追求特征尺寸的縮小，使得IP技術(shù)發(fā)展也出現(xiàn)新的趨勢(shì)。IP技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)可以認(rèn)為有6個(gè)方面。
3.1 IP技術(shù)與工藝結(jié)合愈發(fā)緊密，同步變革
IP核是集成電路設(shè)計(jì)和制造環(huán)節(jié)的關(guān)鍵組成部分，其發(fā)展趨勢(shì)和集成電路整體演進(jìn)趨勢(shì)基本相同，都是向著工藝制程和精度尺寸不斷縮小，產(chǎn)品集成度不斷提高，整體性能不斷提升的方向發(fā)展。在工藝和設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)度越來越高后，也衍生出了設(shè)計(jì)制造協(xié)同優(yōu)化技術(shù)（design technology Co-optimization，DTCO），通過彼此協(xié)作滿足新制程節(jié)點(diǎn)器件的要求。
3.2 IP研發(fā)遵循統(tǒng)一性、簡單化、局部化原則
在IP的研發(fā)過程中，要特別注意到可復(fù)用的單個(gè)的IP核必須經(jīng)過組裝后才能有產(chǎn)品設(shè)計(jì)的價(jià)值。在組裝過程中，統(tǒng)一的IP核規(guī)范化非常重要，包括必須按特定的命名定義接口信號(hào)，統(tǒng)一復(fù)位方式、事先約定編寫代碼的習(xí)慣和風(fēng)格。同時(shí)需要服從簡單化原則，因?yàn)楹唵蔚哪K比較容易被第三方識(shí)別和理解，一個(gè)復(fù)雜功能的模塊需要由一系列功能盡量簡單的模塊組成。最后，需要服從局部化原則，各個(gè)局部模塊相互正交獨(dú)立，模塊間的接口需要顯式標(biāo)出。局部化設(shè)計(jì)可以將成本、功能、時(shí)序等重要指標(biāo)和獨(dú)立模塊相結(jié)合。
3.3 新一代高速接口IP走熱，新產(chǎn)品涌現(xiàn)
當(dāng)前，PCIe（PCI express）4.0（2017；5.0，2019）、USB 3.2（2017）、DDR/LPDDR 5（2017）、HBM 2（高帶寬存儲(chǔ)器high bandwidth memory，HBM；V2/V3，2016）、SATA rev3、HDMI 2.1、MIPI DSI/DPI、Bluetooth 5（2016）和Ethernet（400 Gbps，2018）等接口標(biāo)準(zhǔn)的新版本 IP 正在不斷涌現(xiàn)。2018 年已經(jīng)有芯片企業(yè)推出了業(yè)內(nèi)[敏感詞]個(gè)通過7 nm FinFET硅驗(yàn)證的56Gbps PAM4（四級(jí)脈沖放大調(diào)制）SerDes IP。國內(nèi)IP企業(yè)USB3.1 IP已經(jīng)得到了歐洲的證書，成為世界僅有兩家得到該證書的IP公司之一。
3.4 AI算法推動(dòng)IP核研發(fā)加速
人工智能（AI）技術(shù)的發(fā)展帶來了計(jì)算模型的變革，一方面使得各大IP供應(yīng)商紛紛推出為AI定制或與AI結(jié)合的IP，如Synopsys公司于日前推出了高性能嵌入式視覺處理器IP——DesignWare EV系列；另一方面人工智能算法也被用在IP相關(guān)的EDA工具當(dāng)中，如華大九天推出的Empyrean Mcfly就是用人工智能算法實(shí)現(xiàn)IP驗(yàn)證加速。
3.5 IP的研發(fā)應(yīng)用呈現(xiàn)平臺(tái)化發(fā)展態(tài)勢(shì)
以成套工藝技術(shù)為基礎(chǔ)，IC設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)為核心，以IP為核心資產(chǎn)的設(shè)計(jì)平臺(tái)正在成為設(shè)計(jì)公司的核心競爭力。IP平臺(tái)的主要任務(wù)是研發(fā)設(shè)計(jì)公司急需的IP以及提供相應(yīng)的設(shè)計(jì)技術(shù)服務(wù)，并將IP的設(shè)計(jì)驗(yàn)證貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)過程，如圖5所示。
圖5.IP驗(yàn)證貫穿于整個(gè)設(shè)計(jì)流程
傳統(tǒng)的驗(yàn)證平臺(tái)（testbench）適用于小型設(shè)計(jì)，是一種基于斷言驗(yàn)證（assertion-based verification，ABV）方法。對(duì)于IP在超大規(guī)模SoC與數(shù)?；旌闲盘?hào)設(shè)計(jì)中的驗(yàn)證與集成，基于事務(wù)級(jí)建模（transaction-level modeling，TLM）的通用驗(yàn)證方法（universal verification methodology，UVM）已經(jīng)開發(fā)應(yīng)用多年，并且不斷趨于成熟。在UVM技術(shù)中，根據(jù)設(shè)計(jì)特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)計(jì)者可以選用不同的驗(yàn)證語言，對(duì)IP設(shè)計(jì)進(jìn)行建模并驗(yàn)證，如圖6所示。例如，對(duì)于小型與基于器件的設(shè)計(jì)，采用SPICE語言為主的驗(yàn)證；對(duì)于模擬IP設(shè)計(jì)，采用Verilog-A語言作驗(yàn)證；對(duì)于數(shù)?；旌闲盘?hào)IP設(shè)計(jì)，可以采用Verilog-AMS語言進(jìn)行驗(yàn)證；對(duì)于超大規(guī)模的數(shù)字電路中應(yīng)用的IP設(shè)計(jì)，則需要建立TLM，采用UVM，應(yīng)用SystemVerilog語言進(jìn)行驗(yàn)證。
圖6.IC/IP設(shè)計(jì)驗(yàn)證及其應(yīng)用
3.6 開源IP將為IP供應(yīng)商帶來新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)
后摩爾時(shí)代的產(chǎn)品設(shè)計(jì)將更加多樣化，嵌入式處理器因其功能的多樣性和靈活性，預(yù)計(jì)將迎來更大的市場(chǎng)空間。嵌入式處理器一般都是以IP核授權(quán)的商業(yè)模式運(yùn)作，而ARM的IP核高昂的授權(quán)費(fèi)用會(huì)使初創(chuàng)芯片設(shè)計(jì)公司的創(chuàng)新成本大增。因此，在眾多中小公司需求的驅(qū)動(dòng)下，近年來一些開源的免費(fèi)IP核也開始初露頭角。
當(dāng)前，最典型的案例就是由美國加州大學(xué)Berkeley校區(qū)推出的RISC-V，可以提供免費(fèi)的基礎(chǔ)40多條指令集和其他模塊化的數(shù)十條擴(kuò)展指令。開源采用寬松的伯克利軟件套件（berkeley software distribution，BSD）協(xié)議（protocol），企業(yè)可以在Linux衍生的BSD系統(tǒng)上免費(fèi)開發(fā)使用。由于 RISC-V的開源指令集近年來快速興起，眾多企業(yè)加入到RISC-V芯片的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的開源IP將會(huì)對(duì)現(xiàn)有龍頭IP供應(yīng)商帶來挑戰(zhàn)。當(dāng)然，成熟的IP必須經(jīng)過充分的驗(yàn)證以保證其可靠性和復(fù)用性，避免風(fēng)險(xiǎn)。開源 IP帶來新機(jī)會(huì)的同時(shí)也將面臨相應(yīng)的考驗(yàn)。
以下舉兩個(gè)例子說明高端工藝的設(shè)計(jì)與制造協(xié)同優(yōu)化和人工智能對(duì)IP檢查的應(yīng)用是未來IP技術(shù)發(fā)展的必然途徑。
（1）設(shè)計(jì)和制造協(xié)同優(yōu)化（DTCO）。在基礎(chǔ)IP設(shè)計(jì)方法上，隨著技術(shù)發(fā)展，關(guān)鍵尺寸越來越小，工藝窗口越發(fā)窄小，工藝和設(shè)計(jì)相互獨(dú)立的模式導(dǎo)致工藝窗口無法滿足設(shè)計(jì)需求，必須將設(shè)計(jì)與制造的關(guān)系緊密結(jié)合。在設(shè)計(jì)過程中，需要根據(jù)芯片制造工藝的要求，服從一系列的設(shè)計(jì)規(guī)則。在工藝和設(shè)計(jì)規(guī)則的約束下，物理版圖的布局，布線對(duì)速度和信號(hào)的完整性，壓縮芯片的面積至關(guān)緊要。在28 nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)以及更先進(jìn)的技術(shù)節(jié)點(diǎn)上，一種新的設(shè)計(jì)和工藝協(xié)同優(yōu)化的概念和方法論DTCO開始被采用。從而可以從設(shè)計(jì)開始就給工藝留有足夠的窗口。設(shè)計(jì)工藝協(xié)同優(yōu)化的主要內(nèi)容就是把基礎(chǔ)IP電路設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化放在一起全盤考慮，通過兩者的協(xié)同優(yōu)化，使集成電路特征尺寸的進(jìn)一步微縮得以繼續(xù)，并滿足市場(chǎng)對(duì)芯片功耗、性能、面積、成本（PPAC）的需要；也有觀點(diǎn)提出面積、功耗、性能、可靠性、可量產(chǎn)性（APPRY）為順序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的方案；同時(shí)在可能的范圍內(nèi)兼顧可制造性。采用DTCO的主要原因有以下兩點(diǎn)：1）僅僅靠工藝來實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的微縮和芯片性能提升變得越來越有挑戰(zhàn)性；2）市場(chǎng)對(duì)芯片特征尺寸的微縮和性能的提升有著持續(xù)的訴求。例如，傳統(tǒng)浸沒式光刻工藝在單次曝光情況下已經(jīng)難以滿足要求。晶體管尺寸的進(jìn)一步微縮開始越來越影響晶體管性能，譬如短溝道效應(yīng)增強(qiáng)、應(yīng)力下降、寄身電容增加，漲落增大等，后段互連金屬線在進(jìn)一步微縮之后電阻電容急劇變化，這些因素必須與設(shè)計(jì)同時(shí)考慮進(jìn)去。
具體的DTCO執(zhí)行如圖7所示。設(shè)計(jì)工藝協(xié)同優(yōu)化主要發(fā)生在工藝/器件開發(fā)和基礎(chǔ)IP設(shè)計(jì)之間。通常在工藝和基礎(chǔ)IP之間進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化，同時(shí)考慮到一定的繞線需求和策略，通過優(yōu)化疊代，定義工藝技術(shù)框架和標(biāo)準(zhǔn)單元設(shè)計(jì)構(gòu)架，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化PPAC。一個(gè)完善的設(shè)計(jì)工藝協(xié)同優(yōu)化過程還會(huì)在達(dá)到PPAC目標(biāo)的同時(shí)兼顧到可制造性，使具有競爭力的芯片產(chǎn)品在最快的時(shí)間內(nèi)達(dá)到量產(chǎn)，推向市場(chǎng)。
（2）IP驗(yàn)證采用人工智能技術(shù)。現(xiàn)代SoC設(shè)計(jì)中普遍會(huì)用到成百種IP單元模塊。這些IP的性能表現(xiàn)以及其IP庫交付數(shù)據(jù)質(zhì)量是影響芯片性能以及整個(gè)設(shè)計(jì)周期的重要因素。設(shè)計(jì)公司需要對(duì)IP庫進(jìn)行深入的性能分析比較、細(xì)致的交付項(xiàng)質(zhì)量驗(yàn)證和數(shù)據(jù)校驗(yàn)后，才能確定一套適合設(shè)計(jì)要求的高質(zhì)量IP庫以及相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)則。業(yè)內(nèi)已經(jīng)有IP交付物驗(yàn)證解決方案，可以驗(yàn)證IP數(shù)據(jù)的正確性和一致性。此外，近年來人工智能技術(shù)發(fā)展對(duì)IP技術(shù)有很大的促進(jìn)作用。在IP的時(shí)序驗(yàn)證過程中，機(jī)器學(xué)習(xí)的方法可以對(duì)IP進(jìn)行檢查。例如基于CPU-GPU異構(gòu)平臺(tái)架構(gòu)異構(gòu)計(jì)算平臺(tái)的電路仿真器 Empyrean ALPS-GT，性能較傳統(tǒng)的模擬電路仿真器加速1個(gè)數(shù)量級(jí)以上，可以大幅提升模擬IP的驗(yàn)證效率。用人工智能技術(shù)做IP質(zhì)量驗(yàn)證，通過人工智能的方法學(xué)習(xí)以前的模擬IP情況，訓(xùn)練出模型，讓AI為IP質(zhì)量驗(yàn)證服務(wù)。
以華大九天的Timing ARC驗(yàn)證為例。TimingARC是時(shí)序計(jì)算中最關(guān)鍵、最基本的組成元素。如果IP單元的管腳之間在時(shí)序上存在因果關(guān)系，就稱之為 Timing ARC。應(yīng)用傳統(tǒng)的檢查方法對(duì)IP的Timing ARC功能驗(yàn)證有很大的局限性。這是因?yàn)榛谝?guī)則檢查（rule- based）的方法無法支撐MissingARC的功能驗(yàn)證。隨著IP規(guī)模變大，一個(gè)IP有數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)輸入輸出，需要驗(yàn)證的ARC達(dá)數(shù)百萬條。這顯然是傳統(tǒng)仿真測(cè)試方法在時(shí)間和資源上都無法滿足的，即便是國際[敏感詞]的大型IC設(shè)計(jì)企業(yè)花費(fèi)大量人力資源（數(shù)十人）和時(shí)間（幾個(gè)月時(shí)間）也不能完美地完成IP的驗(yàn)證。
而借助于人工智能的機(jī)器學(xué)習(xí)（machine learning，ML）技術(shù)，可以快速準(zhǔn)確地幫助設(shè)計(jì)者對(duì)IP設(shè)計(jì)有效地檢查Missing Arc Validation等時(shí)序問題，其流程如圖8所示。在一個(gè)應(yīng)用實(shí)例中，待分析IP包括PLL、TX、RX、PHY、LDO、HBM等，訓(xùn)練集為16 nm工藝的30個(gè)IP，測(cè)試集為7 nm工藝設(shè)計(jì)的IP，訓(xùn)練時(shí)間約為1h，對(duì)千萬量級(jí)Timing ARC的時(shí)序驗(yàn)證在10 min內(nèi)完成預(yù)測(cè) 。
圖8.利用AI-ML技術(shù)進(jìn)行IP時(shí)序驗(yàn)證流程示意圖（華大九天提供）
4.發(fā)展我國IP產(chǎn)業(yè)的策略和建議
可以預(yù)測(cè)我國未來集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展一定會(huì)相當(dāng)快速。集成電路產(chǎn)業(yè)的頂層是設(shè)計(jì)IP核，因此我國必須對(duì)發(fā)展IP核有充分的當(dāng)下認(rèn)識(shí)和前瞻計(jì)劃?？焖偬嵘覈鳬P水平的基本策略就是：我們需要堅(jiān)定不移地認(rèn)識(shí)到要堅(jiān)決走自主創(chuàng)新之路，優(yōu)先布局核心IP；依托精英團(tuán)隊(duì)，重點(diǎn)突破關(guān)鍵IP；以常規(guī)IP為抓手，成熟工藝為基礎(chǔ)，大力建設(shè)公共IP平臺(tái)，支持產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。
（1）堅(jiān)決走自主創(chuàng)新之路，優(yōu)先布局核心IP。核心IP的重要性一方面體現(xiàn)在其位于集成電路價(jià)值鏈[敏感詞]端，附加值高且擁有龐大的生態(tài)支持；另一方面體現(xiàn)在其產(chǎn)品往往用于涉及國家安全問題的關(guān)鍵領(lǐng)域。我國目前所處的國際局勢(shì)日益復(fù)雜，在關(guān)系到國家安全的芯片產(chǎn)品領(lǐng)域，必須制定長遠(yuǎn)目標(biāo)，堅(jiān)持自主可控安全可靠的發(fā)展。經(jīng)過20多年的發(fā)展，我國已經(jīng)初步具備了核心IP自主創(chuàng)新的基礎(chǔ)，核心架構(gòu)IP領(lǐng)域逐步深入，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、人工智能等市場(chǎng)創(chuàng)新IP產(chǎn)品層出不窮。一方面要繼續(xù)發(fā)揮科研院所和龍頭企業(yè)主力軍的作用，激發(fā)他們投身技術(shù)創(chuàng)新的積極性，加大自主創(chuàng)新力度；另一方面要進(jìn)一步通過開發(fā)部分市場(chǎng)，把創(chuàng)新企業(yè)的高端技術(shù)應(yīng)用到國家關(guān)鍵核心領(lǐng)域，充分發(fā)揮它們作為“生力軍”的作用。
（2）依托精英團(tuán)隊(duì)，重點(diǎn)突破關(guān)鍵IP核研發(fā)和應(yīng)用。關(guān)鍵IP是一個(gè)領(lǐng)域中產(chǎn)品競爭力的體現(xiàn)，是某類產(chǎn)品或技術(shù)的瓶頸所在，也是從中低端向高端邁進(jìn)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。當(dāng)前[敏感詞]的高速串行接口SerDes、高速ADC/DAC等關(guān)鍵IP依然掌握在博通、ADI、TI等少數(shù)幾家龍頭企業(yè)手中。由于技術(shù)龐雜、種類繁多，類似Synopsys公司這樣的綜合IP供應(yīng)商也不可能通過購買獲得大量關(guān)鍵IP。每一個(gè)關(guān)鍵IP通常都具有獨(dú)立的技術(shù)要點(diǎn)且技術(shù)性強(qiáng)大，其關(guān)鍵在于能否找到真正專業(yè)的、具有產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)品背景的技術(shù)團(tuán)隊(duì)去開發(fā)實(shí)施。因此，突破關(guān)鍵IP要依托專業(yè)的精英人才，要組織團(tuán)隊(duì)進(jìn)行專項(xiàng)攻關(guān)。這類團(tuán)隊(duì)通過3～5年的時(shí)間就能在某一關(guān)鍵IP領(lǐng)域取得突破。
（3）以常規(guī)IP為抓手，成熟工藝為基礎(chǔ)，大力建設(shè)公共IP平臺(tái)，支持產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。經(jīng)過多年發(fā)展，我國的成熟工藝技術(shù)發(fā)展已有一定的基礎(chǔ)。常規(guī)IP已經(jīng)擁有很強(qiáng)的市場(chǎng)資源和技術(shù)儲(chǔ)備，尤其是一些有較長產(chǎn)品生命周期的工藝技術(shù)節(jié)點(diǎn)的IP。例如以55 nm和28 nm成套工藝為基礎(chǔ)的IP，可以依托制造現(xiàn)有的成熟工藝為基礎(chǔ)，針對(duì)量大面廣的產(chǎn)品（如MCP 等），依賴市場(chǎng)競爭進(jìn)行發(fā)展。對(duì)于這類IP，政府不需要進(jìn)行大量投入 ，只需營造良好的市場(chǎng)競爭環(huán)境和產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境。因此 ，可以通過建設(shè)公共服務(wù)平臺(tái)支持常規(guī)IP發(fā)展，鼓勵(lì)有經(jīng)驗(yàn)的人開發(fā)IP，打通IP交易應(yīng)用渠道，通過市場(chǎng)競爭取得技術(shù)突破。
綜上所述，我國集成電路產(chǎn)業(yè)中的IP領(lǐng)域發(fā)展取得不小進(jìn)步，同時(shí)也看到與世界主流的差距明顯。在趕超過程中，提出以下5項(xiàng)建議。
（1）組建企業(yè)聯(lián)盟形成合力。推動(dòng)建立大產(chǎn)業(yè)專利分享聯(lián)盟，抱團(tuán)取暖，共同攻克專利壁壘，抵御國際專利攻擊。通過自主創(chuàng)造、企業(yè)并購和海外專利收購等多種方式增加企業(yè)自身的知識(shí)產(chǎn)權(quán)積淀，同時(shí)輔以產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、利益聯(lián)盟等方式構(gòu)建專利分享共同體。加大支持公共IP平臺(tái)建設(shè)力度。建議成立專業(yè)基金進(jìn)行專業(yè)并購整合，增強(qiáng)綜合競爭力。
（2）加大知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)。簡化IP侵權(quán)的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失的認(rèn)定辦法，從直接和間接經(jīng)濟(jì)損失補(bǔ)償轉(zhuǎn)向相對(duì)嚴(yán)厲的IP侵權(quán)的懲罰性條款，并在司法解釋和實(shí)踐方面逐步趨于嚴(yán)厲，打擊盜版侵權(quán)行為。充分利用我國在全球分工中的產(chǎn)業(yè)鏈及市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，針對(duì)海外訴訟采取一些行之有效的司法手段。成立相應(yīng)的專利運(yùn)營公司，參考國際商業(yè)化專利運(yùn)營公司模式，共同抵御外國專利訴訟。
（3）構(gòu)建差異化投資體系。建議考慮構(gòu)建由國家產(chǎn)業(yè)基金、地方類基金和社會(huì)其他基金組成的多層次、全方位投資架構(gòu)，面向不同規(guī)模的企業(yè)進(jìn)行投資以及產(chǎn)業(yè)服務(wù)，以解決 IP 企業(yè)既需要投資，又擔(dān)心大筆投資會(huì)影響公司股權(quán)、管理模式的現(xiàn)狀。也可以成立各種類型的子基金去投資數(shù)額相對(duì)較小且有一定風(fēng)險(xiǎn)，但對(duì)產(chǎn)業(yè)有積極意義的IP企業(yè)。
（4）多渠道財(cái)稅和投融資支持。增加對(duì)IP核設(shè)計(jì)的資金政策支持，出臺(tái)相應(yīng)稅收減免政策，建立專門面向IP核研發(fā)的基金項(xiàng)目，采取“平臺(tái)+項(xiàng)目”的運(yùn)作模式，鼓勵(lì)引導(dǎo)IP核新產(chǎn)品開發(fā)。對(duì)IP核設(shè)計(jì)研發(fā)項(xiàng)目給予投融資支持、成長激勵(lì)和政策上的扶持，引導(dǎo)相關(guān)企業(yè)將研發(fā)力量集中突破國內(nèi)急需的重點(diǎn)IP核領(lǐng)域。
（5）加大力度培養(yǎng)人才。重視相關(guān)專業(yè)人才的培養(yǎng)，支持示范性微電子學(xué)院的建設(shè)，增加高校相關(guān)專業(yè)課程和科研項(xiàng)目，不拘一格地引進(jìn)有經(jīng)驗(yàn)的工程技術(shù)人員到高校講授相關(guān)技術(shù)課程，促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研用多方對(duì)接，以促成產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟等形式實(shí)現(xiàn)協(xié)作創(chuàng)新，推動(dòng)國內(nèi)IP核產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。鼓勵(lì)企業(yè)開展校企合作育人，形成學(xué)生培養(yǎng)到企業(yè)實(shí)習(xí)和就業(yè)的一體化培養(yǎng)鏈。引進(jìn)具有豐富一線工作經(jīng)驗(yàn)的高端人才組建團(tuán)隊(duì)，培養(yǎng)青年人才。
本文從IP的屬性和技術(shù)特點(diǎn)，結(jié)合國內(nèi)外的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，討論了我國IP核技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。針對(duì)我們追趕中的發(fā)展道路，提出了相應(yīng)的5項(xiàng)建議。供讀者參考。不妥之處希望大家批評(píng)指正。
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