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美国芯片IP实力大盘点:占据了大半壁江山,两大“一站式”IP+一群专业细分领域IP

2020年9月25日 09:50:57

本文来自 微信公众号“半导体行业观察”,作者:杜芹。

英伟达(NVDA.US)收购Arm的新闻引起了海内外的轰动,作为英国科技业“皇冠上的明珠”,Arm的命运对英国的未来至关重要,也对全球的发展有着很大的影响。英国担心技术主权的流失,以及工人失业,其他人担心Arm还能保持中立否?同门师兄弟RISC-V也再次被推上风口浪尖。有人说,如果美国企业英伟达真的将Arm收入麾下,那么必将会让美国补上IP这个芯片领域的重要一环。但即使不收购Arm,美国的IP实力也是冠绝全球的。

说说IP核

在半导体中,我们常说的IP,其实是指IP核心(半导体知识产权核)。半导体IP(Intellectual Property)指在集成电路设计中,经过验证的、可重复使用且具备特定功能的集成电路模块,通常由第三方开发。IP内核可以许可给另一方,也可以由一个单独方拥有和使用。IP能帮助降低芯片开发的难度、缩短芯片的开发周期并提升芯片性能,是集成电路产业链上游关键环节,主要客户是设计厂商。

根据不同的设计IP,半导体IP市场可分为处理器IP、接口IP、内存IP以及其他IP(模拟到数字IP和数字到模拟IP);在IP核的基础上,半导体IP市场主要细分为软核和硬核;按收费方式分类,IP 商提供许可( license )和版税(royalty)两种模式,其中版税占据较大份额。在许可(Licensing)模式下,设计商按 IP 授权次数付费,是一次性产品授权费。在版税(Royalty)模式下,设计商按制造的芯片数量付费,是跟产品销量挂钩的授权费。

据Markets and Markets预测,半导体IP市场将从2017年的47亿美元增长到2024年的65亿美元,预计将推动市场发展的主要因素是消费电子领域的多核技术的进步以及对现代SoC设计的需求不断增长。其中处理器IP市场将占据最大的市场份额,因为处理器IP在消费类电子产品和汽车垂直行业中有多个用例,尤其是汽车领域,随着自动驾驶的来临,汽车半导体IP市场将以最高复合年增长率增长。这些处理器主要包括微处理器单元(MPU),微控制器单元(MCU)和数字信号处理器(DSP)。

再者就是,版税的半导体IP市场预计将占据最大份额。在特许权IP采购中,芯片制造商必须为制造的每个芯片付费。由于技术市场的波动,特许权使用费的市场正在蓬勃发展,因为版税的模式可以帮助制造商生产所需数量的产品,并且只需为该产品支付一定比例的版税即可。

“满屏的”美国IP厂商

IP核在芯片设计中的许可和使用在1990年代很普遍。如今,使用最广泛的IP内核来自Arm,Synopsys,Imagination和Cadence。下图1是全球前十五的设计IP厂商排名,而在这些主要的厂商中,美国几乎占据了大半壁江山,见图2。

图1:全球TOP15 半导体IP厂商排名

图2:半导体IP厂商所属国家

按产品种类分类,半导体IP厂商主要提供包括处理器IP、有线接口IP、物理IP等不同产品。处理器IP是一种数字电路,用于完成取指令、执行指令及与外界存储器和逻辑部件交换信息等操作,主要包括CPU IP、GPU IP、神经网络处理器IP(NPU IP)、视频处理器 IP(VPU IP)、DSP IP、图像信号处理器 IP(ISP IP)六大类。接口 IP 集成了基于协议的功能,其最大份额来自于以数据为中心的应用,主要包括通用串行总线(USB IP)、串行高级技术附件(SATA IP)、高清多媒体接口/显示端口(HDMI/DP IP)等。物理 IP 主要用于模拟及混合信号、物理接口、存储单元和其他的数字 IP,主要包括数模混合IP、射频IP等。

在这些不同的IP产品中,其中接口IP在市场上的重要性正在增长。接口类IP主要集成了基于协议的功能,如USB、PCI Express、以太网、MIPI、SATA、DP,以及Die-to-Die (D2D)接口和内存控制器(DDRn、LPDDRn、HBM、GDDR)。

根据IPnest的统计,2018到2019年,处理器IP的市场份额从53.5%下降到51%,而接口类IP的市场份额则从20.3%上升到22.1%。从增长和市场份额来看,接口IP市场是最大的赢家,2019年的份额为8.7亿美元。而在2009年,接口IP类别仅占了2.2亿美元,在10年里翻了4倍。

2018-2019年IP分类的演进(资料来源:IPnest)

具体来看美国各大IP供应商所经营的情况:

美国两大“一站式”IP 供应商

除了Arm之外,EDA软件工具商Synopsys和Cadence也是IP阵营的主要参与者。而且就半导体知识产权(IP)的前期技术许可的收入而言,Synopsys在2019年的表现优于ARM。

2019年半导体IP许可的市场份额,但不包括特许权使用费。(资料来源:IPnest)

2019年Synopsys 收入同比增长13.8%,取得了18.2%的市场份额,是目前除ARM外唯一市占率超过10%的半导体IP公司。Synopsys市占率提升的主要原因是近年来数据中心蓬勃发展带动接口IP需求的增长。2019年Synopsys的最高增长来自接口IP类别,大约占据19.3%的来源,其他类别也有贡献,但较少。目前,在有线接口类别中,Synopsys 市占率排名第一,2018 年其份额达到 45%。排在第三的Cadence也是主要通过共享接口IP和DSP IP 为主要收入。

Synopsys和Cadence的增长率表明他们的IP长期战略是成功的。两家EDA供应商围绕着“一站式”IP 供应商战略,通过收购各自领域内领先的中小型IP优质供应商,创建了自己的IP产品。但成为“一站式”供应商战略之所以成为可能,是因为两家公司都是足够大的公司,财力雄厚,可以通过多次收购来支持这一定位。

Synopsys从2000年初开始就开始了一系列收购,据不完全统计Synopsys共收购了近20家IP供应商。比较有代表的是IP供应商ARC,Synopsys 2010年以3.15亿美元收购IP供应商Virage;2015年收购 Elliptic Technologies公司以及Vision的 Bluetooth Smart IP;2017年收购了Sidesense;2018年以非公开的价格收购了非易失性内存IP供应商Kilopass;2020年1月,Synopsys又收购了INVECAS部分IP资产,这有助于拓展新思科技DesignWare逻辑库、通用I/O、嵌入式内存、接口和模拟IP产品组合。

Cadence定位在IP是在2010年收购IP验证公司Denali开始。2013年,Cadence又收购了IP供应商Cosmic Circuits和Tensilica,收购两家公司之后,Cadence在2013年跻身半导体IP核心供应商的前四名。2017年11月,Cadence收购了专注在超高速SerDes通信IP的公司nusemi inc,nusemi的超高速SerDes技术将有效补充Cadence强势IP产品,包括内存IP、存储IP、互联IP和数字信号处理(DSP)IP的全套方案。

存储器IP领域的领导者SST

SST提供NVM IP,该领域无可争议的领导者,收入超过1亿美元或超过2倍的第二收入。

Silicon Storage Technology(简称“SST”)成立于1989年,于1995年上市,并于2010年4月被Microchip收购。SST现在是Microchip的全资子公司,总部位于加利福尼亚州圣何塞。

SST是SuperFlash® 技术的创造者,该技术是一种创新,高度可靠且用途广泛的NOR闪存。

SuperFlash技术于1995年与ESF-1(第一代嵌入式SuperFlash)一起投入量产。开发中的最新一代产品是用于28 nm工艺节点的ESF-3。从ESF-1到ESF-3,该技术已被证明具有可扩展性,与标准制造工艺兼容且高度可靠。它还通过高产,面积优化的IP和低掩膜数量的铸造工艺来降低与大批量生产相关的成本。

“随着半导体行业的无晶圆厂化,越来越多的半导体公司通过SST的灵活许可模式利用我们差异化的非易失性存储器IP解决方案,”SST技术许可副总裁Mark Reiten说。“随着我们与一系列代工厂,IDM和无晶圆厂合作伙伴的建立,SuperFlash技术已成为半导体行业创新的隐秘宝石。这项技术正通过其依赖的电子设备和机器悄悄地普及到世界上的大多数人口。”

排名第九的Rambus为各种类型的内存和SerDes提供PHY和控制器IP,聚焦于DRAM的IP 供应,在内存接口IP市场份额排行全球第三。Rambus的发展过程也有不少收购:2010年5月Rambus以225万美元的价格收购了unio - pixel的部分IP产品,涉及动态背光、现场顺序彩色显示和时间多路光快门显示技术;2016年8月,以3200万美元收购Semtech公司的Snowbush IP资产,该公司是一家高性能串行链路解决方案提供商;2019年12月,Rambus以4500万美元的价格从Verimatrix(以前是Inside secure)收购了硅IP、安全协议和供应业务。

FPGA和eFPGA IP供应商

排在第八位的Achronix是唯一在批量生产中同时具有高性能和高密度独立FPGA和嵌入式FPGA(eFPGA)解决方案的IP供应商。

2013年,Achronix推出了Speedster®22i FPGA系列,并提供了用于高性能有线应用的嵌入式系统级IP,从而交付了业界最先进的FPGA。

2016年,Achronix开始向世界上一些最大的技术公司交付Speedcore™嵌入式FPGA(eFPGA)IP。Speedcore IP是全球唯一在大批量应用中投入生产的eFPGA IP解决方案。Speedcore IP目前可用于TSMC 16FF +,TSMC 7nm和TSMC 12FFC技术。

在2019年,Achronix宣布推出基于台积电7nm FinFET技术的革命性Speedster7t FPGA产品系列,这是第一个提供2D片上网络(NoC)和针对AI / ML工作负载进行了优化的机器学习处理器的FPGA架构。

另外,还有美国的Flex Logix也是eFPGA硬IP和软件的领先提供商。Flex Logix的EFLX eFPGA现在可用于12、16、22、28和40nm,是台积电的第一个eFPGA IP联盟合作伙伴。

同门师兄弟MIPS和RISC-V

今年4月29日,美国AI初创企业Wave Computing根据美国《破产法》第11章向美国加利福尼亚州北区圣荷西分部破产法院提交了救济申请书。MIPS未来究竟属于哪个国家,还不得而知,鉴于其没有落到实处,暂且还将其归到美国阵营。

尽管智能手机热潮绕过了MIPS架构,但基于它的近100亿个芯片已经运用于成千上万的电子设备中。MIPS架构在嵌入式处理器市场中扮演着重要角色,包括Microchip,Mobileye和MediaTek在内的数百家客户继续在商业上使用它。常见的应用是机顶盒,住宅网关和路由器。

国内也有不少MIPS的忠实用户,国人较为熟悉的如龙芯、君正、珠海炬力,还有上海芯联芯今年也取得了MIPS在中国的独家商业经营权。

另一个广受业界关注的RISC-V,美国也是比较早涉猎的,美国的SiFive是第一家基于自由开放的RISC-V指令集架构构建定制硅的无晶圆厂半导体公司。它将开源RISC-V ISA的功能与CPU IP的创新相结合,带给了半导体行业,从而使开发特定领域的硅变得比以往更快。SiFive Core IP产品组合涵盖了从高性能多核异构应用处理器到区域优化的低功耗嵌入式微控制器。SiFive Core IP标准核心微体系结构基于RISC-V ISA,可提供64位和32位选项。

NoC互联IP厂商Arteris IP跻身第12位

2019年,美国IP厂商Arteris IP跻身半导体IP供应商15强之列,排在第12位。在前15家半导体IP公司中,Arteris IP的年营收增长率位居第二,并凭借其2019年3400万美元的营收,在互连IP市场占据了31.3%的份额。这种增长来自全球所有地区和所有用于领先应用的产品线(FlexNoC Interconnect、Ncore Cache Coherent Interconnect、CodaCache Last Level Cache IP),如机器学习、汽车、5G和基础设施SoCs。

Arteris发明了业界第一个商用芯片网络(NoC) SoC互连IP解决方案,是业界的领导者。Arteris为片上系统(SoC)制造商提供片上网络(NoC)互连半导体知识产权(IP),因此他们可以减少周期时间,增加利润,并容易地增加功能。

Arteris IP为百度、Mobileye、三星、华为/ HiSilicon、东芝和NXP等客户提供网络芯片(NoC)互连IP,用于加速系统芯片(SoC)半导体组装,应用范围广泛,从AI到汽车、手机、物联网、相机、SSD控制器和服务器。与传统的解决方案不同,Arteris interconnect即插即用技术是灵活和高效的,允许设计师优化吞吐量、功率、延迟和平面图。

结语

由上文分析可以看出,美国成功的IP厂商可以分为两类:一类是如Synopsys和Cadence等大型EDA公司提供一站式的IP组合;另一类是,是那些非常专注并有能力成为其细分市场或子细分市场技术领导者的公司。这些IP供应商的秘密就是其设计(和产品)的质量是第一位的,能够提供创新和先进的解决方案紧随其后。这或许是我们的一大借鉴思路。

反观管内,从排行榜中也可以看出,大陆只有芯原股份上榜全球IP榜单,当前国产 IP 的产业影响力相对较小,但是本土企业已积极布局。目前中国大陆有平头哥、芯来、芯原股份、寒武纪、华大九天、橙科微、IP Goal 和 Actt 等IP厂商。而从其产品布局和市场影响力来看,这些IP厂商还有很长的一段路要走。

(编辑:张金亮)

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