什么是芯片IP核
芯片行业中所说的IP，一般称为IP核。IP 核（Intellectual Property）是具有知识产权核的集成电路芯核的总称，是芯片设计 环节中逐步分离出来的经过反复验证过的、具有特定功能的、可以重复使用的、包含特 定核心元素的（指令集、功能描述、代码等）集成电路设计宏模块（逻辑或功能单元）， 可以理解为部分可重复使用的“芯片设计模块”，如 AHB、APB、以太网、SPI、I2C、MIPI、USB、 UART 内核等，其作用就是在芯片设计环节中降低冗余设计成本，降低错误发生的风险， 提高芯片设计效率。该电路模块的成熟设计凝聚着设计者的智慧，体现了设计者的知识产权，因此，芯片行业就用IP核(Intellectual Property Core)来表示这种电路模块的成熟设计。IP核也可以理解为芯片设计的中间组件。
芯片IP核产生的背景
IP的由来要从早期的芯片设计过程讲起。早期芯片的集成规模有限，设计复杂度不高，芯片上所有的电路都是由芯片设计者自主完成。设计水平不高、能力有限的芯片公司只能设计规模小的简单的芯片。设计水平高、能力强的芯片公司才可以设计规模大、功能复杂的芯片。这个时期，不论芯片规模大还是小，芯片从“头”到“脚”都是由芯片公司自己设计的。早期的高端芯片基本上都是由为数不多的大型国际芯片公司把持。
随着现代信息社会对芯片要求提升，芯片的规模呈指数性增加，复杂性急剧增大。中小型芯片公司要独立完成一款复杂芯片设计几乎变得不太可能。特别是20世纪80年代末，芯片行业出现了晶圆代工(Foundry)商业模式，大批的中小微芯片设计公司(Fabless)应运而生。这个时期，芯片设计行业急需解决小芯片公司无法设计大芯片的难题。
解决这一难题的启发思路很多。例如：搭积木和拼图画玩具；由标准件设计大型机器；由软件子程序(或者中间件)调用设计大型软件；用芯片搭建大型电子系统等。思路都是重复使用预先设计好的成熟的构件来搭建更复杂的系统，省掉对构件内部问题的考虑，化繁为简；重复使用构件，减少重复劳动，节省时间；重复使用构件，提高整个复杂系统搭建的成功率。
芯片设计行业中的IP核开发和IP复用，就是在这些思路启发下形成的。IP核就类似于上述的构件。IP核是预先设计好的具有独立功能的电路模块设计。有了IP核这种构件，大的复杂的芯片设计就变得较容易、周期短、易成功。
芯片IP核分类
IP 核模块分为软核（Soft IP Core）、完成结构描述的固核（Firm IP Core）和基于物理 描述并经过工艺验证的硬核（Hard IP Core）。
三种类型的IP核各有优缺点，用户会根据自己的实际需要来选择。以下是三种IP核的优缺点简要总结。
IP软核：它以综合源代码的形式交付给用户，其优点是源代码灵活，在功能一级可以重新配置，可以灵活选择目标制造工艺。灵活性高、可移植性强，允许用户自配置。其缺点是对电路功能模块的预测性较差，在后续设计中存在发生错误的可能性，有一定的设计风险。并且IP软核的知识产权保护难度较大。
IP固核：它的灵活性和成功率介于IP软核和IP硬核之间，是一种折中的类型。和IP软核相比，IP固核的设计灵活性稍差，但在可靠性上有较大提高。目前，IP固核是IP核的主流形式之一。
IP硬核：它的最大优点是确保性能，如速度、功耗等达到预期效果。然而，IP硬核与制造工艺相关，难以转移到新的工艺或者集成到新的结构中去，是不可以重新配置的。IP硬核不许修改的特点使其复用有一定的困难，因此只能用于某些特定应用，使用范围较窄。但IP硬核的知识产权保护最为方便。
IP核的举例，最典型有ARM公司的各种类型的CPU IP核。许多IP供应商提供的DSP IP核、USB IP核、PCI-X IP核、WiFi IP核、以太网IP核、嵌入式存储器IP核等，五花八门，品种十分繁多。
如果按大类分，大体上可分为处理器和微控制器类IP、存储器类IP、外设及接口类IP、模拟和混合电路类IP、通信类IP、图像和媒体类IP等。
全球大的EDA供应商中，有些也是IP供应商。例如美国新思科技(Synopsys)可提供上千种各类IP。涵盖逻辑电路(Logic Libraries)、嵌入式存储器(Embedded Memories)、模拟电路(Analog Libraries)、有线和无线通信接口(Wired and Wireless Interface)、安全(Security)、嵌入式处理器(Embedded Processors) 和子系统(Subsystems)等方面的IP。
芯片设计公司可以根据自身需求，向 IP 供应商采购不同的 IP 核，如可采购软核进行自定义整合设计，也可以直接采购具备电 路布局的硬核实现更快速的芯片设计定型与量产。
基于IP 授权方式开发芯片的优势
（一）使芯片设计化繁为简，缩短芯片设计周期，提高复杂芯片设计的成功率。
（二）IP开发和IP复用技术使小公司设计大芯片成为可能；
（三）使系统整机企业可以设计自己的芯片，提升自主创新能力和整机系统的自主知识产权含量；
（四）使芯片设计行业摆脱传统IDM模式，成为产业链上独立的行业，促进了芯片设计业迅猛发展。
目前，许多中小微芯片设计公司虽然设计能力和水平有限，但出于抢占市场，缩短芯片设计周期的需要，会外购许
多IP核来完成自己的芯片设计项目。业界的IP开发商、IP提供商数量不断增加，也变得越来越专业。各种功能、各
种类型的IP核不断涌现。IP交易活动也日趋普遍，交易金额也越来越大。
IP 公司盈利模式
IP核被其他芯片设计公司采用，行业内称为IP复用。专门设计相对独立电路功能模块，目的是推广给其他芯片设计公司进行复用，这种设计工作称为IP开发。专门从事IP开发的公司称为IP厂商，或者IP提供商。IP厂商把IP销售给芯片设计公司是一种IP交易行为。
由于 IP 核本身是知识产权固化后的产品，研发完成后维护、折旧成本较低，产品推出 后可产生长达数十年的现金流贡献，产品生命力极强。以 ARM 的 IP 核授权商业模式为 例，其收入来源是授权费(License Fee)和版税(Royalty)的结合。设计公司首先通过支付 IP 技术授权费来获得在设计中集成该 IP 并在芯片设计完成后销售含有该 IP 的芯片的 权利，而一旦芯片设计完成并销售后，设计公司还需根据芯片销售平均价格(ASP)按一 定比例支付版税给 ARM。据 ARM 估算，其 IP 产品研发周期约为 2~3 年，产品打磨和 优化阶段约为 3~4 年，在推向市场后开始贡献授权费和版税费，当产品进入成熟期后可 贡献长达 25 年的版税收入。
IP 库的种类和 IP 数量是 IP 核供应商的主要竞争力，而拥有较为齐备的 IP 组合和较多 的 IP 数量的IP公司在功能和应用领域上具备更多扩展空间，可以为客户提供一体化 IP 解决方案 。
多年沉淀的 IP 技术和客户应用可以为IP公司带来增长支撑。
IP核的重要性
IP 核的诞生本身来源于芯片设计不断复杂化下对重复设计的再利用以提高设计效率， 因此随着摩尔定律的持续演进，芯片单位面积可容纳晶体管数量不断增多，芯片设计难 度水涨船高，IP 核在芯片设计过程中的重要性也在不断增强。根据 IBS 报告，以 80mm² 面积的芯片裸片为例，在 16nm 工艺节点下，单裸片可容纳的晶体管数量为 21.12 亿个； 在 7nm 工艺节点下，晶体管数量为 69.68 亿个，晶体管数量增长高达 230%，这也意味 着同样面积下芯片设计复杂度也大幅提升，无论是芯片设计的人员、时间还是投入都显 著增加。同样据 IBS，以先进工艺节点处于主流应用时期的设计成本为例，工艺节点为 28nm 时，单颗芯片设计成本约为 0.41 亿美元，而工艺节点为 7nm 时，设计成本则快 速升至约 2.22 亿美元。
可容纳晶体管数量大幅提升意味着芯片电路设计难度的不断加大，依靠芯片设计团队完 成所有新增功能模块电路设计的经济性持续降低，高成本、高风险的设计投入使芯片设 计公司在研发先进工艺节点的芯片产品时，需要有大规模的产销量支撑来平摊设计成本， 而为降低设计风险和成本，芯片设计公司越来越多地寻求使用经过验证的半导体 IP，IP 核复用性在效率和成本上的优势不断增强。据 IBS，以 28nm 工艺节点为例，单颗芯片 中已可集成的 IP 数量为 87 个；而当工艺节点演进至 7nm 时，可集成的 IP 数量达到 178 个。而若比较早期应用和成熟应用阶段芯片设计成本，以 5nm 为例成熟时期随着 IP 核的快速增加和设计流程的优化，芯片设计成本从早期近 5 亿美元大幅下降至 2.51 亿美元。
一方面是日益复杂地芯片设计对 IP的依赖度不断提高，另一方面不断扩大的芯片品类、 定制化需求、持续增加的芯片用量同样是 IP 核需求增长的重要来源。随着社会电气化、 智能化水平的不断提高，全社会电子系统、电子终端用量持续扩大，带动整个半导体市 场保持扩容趋势，如 PC、智能手机的诞生与兴盛带来了海量的芯片需求——智能手机 中有 CPU、存储芯片、电源管理芯片、闪存芯片、无线局域网芯片等数十种各类型芯片，芯片的用量和品类都在不断增加。此外，芯片迭代速度不断加快，移动终端对低功耗、 高节能的要求更高，芯片设计的时间、功能、成本的要求也在不断提升。
未来，继个人 PC、智能手机后半导体产业将在物联网、云计算、人工智能和大数据等 新应用的兴起下逐步进入下一个发展机遇期。根据 IBS 报告，这些应用需求的增长将驱 动半导体市场在 2030 年有望达到 10,527.20 亿美元的规模，2019~2030 年均复合增长 率达 9.17％，市场容量不断扩大，芯片的品类、数量和更迭速度要求持续提升，IP 行业 将得到进一步的发展。
在 AIoT 等多种需求带动下，IP 市场从过去主要围绕 CPU IP 构建逐步向多样化持续发 展，低功耗、高传输速度、小面积等指标重要性不断增强，非 CPU 的多种 IP 进入新的 发展区间，百花齐放的时代来临。随着全球产业发展，处理器 IP 仍将占据最大市场份 额，但随着各种接口、GPU、数模、存储 IP 技术的不断成熟，未来非 CPU 的多种 IP 份额将会持续提升，如新一代高速接口 IP：PCIe（PCI express）4.0（2017；5.0，2019）、 USB 3.2（2017）、DDR/LPDDR 5（2017）、HBM 2（高带宽存储器 high bandwidth memory，HBM；V2/V3，2016）、SATA rev3、HDMI 2.1、MIPI DSI/DPI、Bluetooth 5 （2016）和 Ethernet（400 Gbps，2018）等接口标准的新版本 IP 正在不断涌现。
在 AI、IoT、新能源车及自动驾驶等多种需求驱动下，叠加芯片设计难度的不断提升、 集成度的持续增加、先进封装技术的快速导入，全球半导体 IP 市场预计到 2030 年达 140.24 亿美元，而 2019 年为 50.16 亿美元，复合年增长率为 10.97%。
IP的开发和应用
IP核开发与芯片设计过程比较相似，都需要紧跟芯片技术的发展趋势，不断积累芯片设计技术，了解芯片制造工艺发展步伐。所不同的是，芯片设计公司的商业模式是设计完整的芯片，并推向市场，实现芯片销售利润。而IP开发商不设计完整的芯片，他们只设计芯片局部的某些功能模块，追求这些功能模块(IP核)的设计是最优化的，并要实现IP核在多种复用场合的适应性、便利化。IP开发商谋求这些IP可以被众多芯片设计公司购买采用，并实现IP的销售利润。
但是，IP开发的技术难度和要求很高，并不是任何芯片设计公司想为即可为的事情。这主要体现在，一是IP的完备性要求。IP核作为芯片设计的构件，可以与软件设计的构件(中间件)作比较。软件构件中可以隐藏小瑕疵，集成后的系统软件还可以在投入实际应用时，通过打补丁升级的方式不断完善。但IP核必须非常完善，一点瑕疵都不能有。因为，IP核的任何小瑕疵都有可能影响到整个复杂芯片设计的成败，影响到花费了数百万元甚至上亿元整个芯片研发的投入产出。因此，复杂IP核的售价极为昂贵，从数十万元到上百万元不等。
为了便于推广，IP厂商一般采用收取前期IP许可费(IP License)+后期按芯片出货量计算的版权费(Royalty)的商业模式，以降低用户的研发投入。二是IP的多参数需求，包括工艺节点、电源、功耗、性能等。这些都要求IP开发者对芯片设计、制造工艺和行业应用等非常熟悉。三是用户对IP提供商的信誉度要求，包括公司技术实力、影响力和稳定度等。用户很难接受一家规模较小，发展不稳定的IP厂商提供的IP，哪怕这些IP很便宜，甚至免费。用户宁愿购买著名的、大的IP厂商提供的较贵的IP，因为这样的IP才有质量保障和后续服务的保障。
2000年以来，在国发18号文件和八个国家级IC设计产业化基地的促进下，国内IC设计企业如雨后春笋般涌现，并得到快速发展。这些企业大部分是中小微IC设计企业，得益于IP开发和IP复用技术，这些中小IC设计企业都可以根据市场需要，及时开发出各种功能的系统级芯片(SOC)、人工智能(AI)芯片、物联网(IoT)芯片等。这些推动了国内IC设计业的高速发展，带动了我国新一代信息技术产业的发展。可以说，晶圆代工技术、IP开发和IP复用技术成就了我国目前芯片产业的快速发展基础。
/2 
