電子發(fā)燒友報道（文/程文智）半導體IP是指已驗證的、可重復利用的、具有某種特定功能的集成電路模塊，通常由第三方開發(fā)。IP位于集成電路產(chǎn)業(yè)鏈的上游，主要客戶是設計廠商。

其實最開始是沒有獨立的IP廠商的。在早期，由于芯片種類有限，設計難度相對較低，大多數(shù)芯片設計公司都可以自己完成整個芯片設計的流程。早期的半導體公司不僅僅芯片設計是自己的干的，連芯片制造、封裝、測試，以及銷售也都是自己一手包辦的，這類公司就是我們現(xiàn)在所說的整合元件制造商（Integrated Device Manufacturer, 俗稱IDM），如英特爾 (Intel)、德州儀器(TI)、摩托羅拉(Motorola)、三星(Samsung)、飛利浦(Philips)、東芝(Toshiba)等。

圖：集成電路產(chǎn)業(yè)鏈分類示意圖。（來源：芯原股份招股書）

第三方IP廠商出現(xiàn)

由于摩爾定律的關系，半導體芯片的設計和制造越來越復雜、花費越來越高，單獨一家半導體公司往往無法負擔從上游到下游的高額研發(fā)與制造費用，因此到了1980年代末期，半導體產(chǎn)業(yè)逐漸走向專業(yè)分工的模式──有些公司專門設計、再交由其他公司做晶圓代工和封裝測試。其中的重要里程碑莫過于1987年臺積電 (TSMC) 的成立。

伴隨著下游應用的拓展，芯片種類不斷豐富，先進制程不斷演進，使得芯片的研發(fā)成本提高，并產(chǎn)生了一定的研發(fā)風險。1990年，半導體IP行業(yè)的龍頭ARM應運而生，它探索出了IP授權的商業(yè)模式，不再設計芯片，而是以授權的方式，將芯片設計方案轉讓給其他公司，成為半導體IP授權行業(yè)的開端。ARM自身不再生產(chǎn)處理器，而轉為處理器架構設計，并將設計方案授權給其他公司使用，這種面向“Partner-Ship”授權“IP Core”的模式，開創(chuàng)了屬于ARM全新的時代。

ARM通過開放的IP授權模式，迅速在移動端處理器市場獲得超過95%的市場占有率，與PC/服務器端處理器霸主英特爾一起，構成了當下全球半導體產(chǎn)業(yè)最底層的兩大指令集標準。當時，新進的半導體設計公司幾乎都選擇了從ARM獲得授權，然后自己研發(fā)后，在臺積電代工生產(chǎn)，形成了“IP授權+半導體設計公司+代工廠” 的芯片研發(fā)模式，極大的降低了芯片的成本。

隨著超大規(guī)模集成電路設計、制造技術的發(fā)展，集成電路設計步入SoC 時代，設計變得日益復雜。為了加快產(chǎn)品上市時間，以IP 復用、軟硬件協(xié)同設計和超深亞微米/納米級設計為技術支撐的SoC 已成為當今超大規(guī)模集成電路的主流方向，當前國際上絕大部分SoC 都是基于多種不同IP 組合進行設計的，IP 在集成電路設計與開發(fā)工作中已是不可或缺的要素。

SoC推動IP廠商發(fā)展

SoC設計的基礎是IP核設計及重用技術，SoC芯片是一個復雜的系統(tǒng)，如果完全從零開始來實現(xiàn)整個芯片的設計，需要花費大量的人力物力，勢必會耽誤產(chǎn)品面世時間，影響產(chǎn)品競爭力。為了加快SoC芯片的設計速度，越來越多的設計公司將已有的IC電路設計成一個個的模塊，在SoC芯片設計中被調(diào)用，從而簡化SoC芯片的設計，縮短設計時間。

這些可以反復調(diào)用的模塊就叫做IP核。不是所有的IC電路都可以作為IP核，為了滿足SoC設計要求，IP核必須有以下幾個特征：
1、必須是符合設計重用要求，并按嵌入式專門設計的；
2、必須經(jīng)過多次優(yōu)化設計，使芯片在面積、性能、功耗等方面達到最優(yōu)；
3、必須是允許很多家公司在支付一定費用后被商業(yè)運用的；
4、必須符合IP標準。

IP核供應商提供的IP可以有三種形式：軟核、固核和硬核。

軟核是用硬件描述語言描述的可綜合的電路功能模塊，它不涉及具體的物理實現(xiàn)，靈活性較好。

固核是基于特定工藝庫綜合出來的網(wǎng)表，在結構、面積和性能安排上都進行了初步優(yōu)化，它介于軟核與硬核之間。

硬核是基于特定工藝的版圖庫生成的物理版圖，對頻率、功耗、面積等方面作了充分的優(yōu)化，但由于硬核依賴于一定工藝，所以靈活性較差，不便于移植。

隨著先進工藝節(jié)點不斷演進，芯片的線寬不斷縮小，單顆芯片上可容納的晶體管數(shù)量也快速增加，單位面積性能得以相應提升。根據(jù)IBS 報告，以80mm2面積的芯片裸片為例，在16nm 工藝節(jié)點下，單顆裸片可容納的晶體管數(shù)量為21.12 億個；在7nm 工藝節(jié)點下，該晶體管數(shù)量可增長到69.68 億個。

圖：單顆芯片裸片可容納晶體管數(shù)量增長趨勢（以80mm2面積為例，單位：百萬個）數(shù)據(jù)來源：IBS《Design Activities and Strategic Implications》

與此同時，隨著先進制程的演進，線寬的縮小，使得芯片中晶體管的數(shù)量大幅提升，單顆芯片中可集成的IP數(shù)量也大幅增加。根據(jù)IBS報告，以28nm制程節(jié)點為例，單顆芯片中已可集成的IP數(shù)量為87個。當制程節(jié)點演進到7nm時，可集成的IP數(shù)量將達到178個。

圖：不同制程節(jié)點下的芯片所集成的硬件IP數(shù)量（平均值）。（數(shù)據(jù)來源：IBS《Design Activities and Implications》，芯原股份招股書）

IBS數(shù)據(jù)顯示，半導體IP市場將從2018年的46億美元增長至2027年的101億美元，年復合增長率為9.13%。其中處理器IP市場預計在2027年達到62.55億美元，2018年為26.20億美元，年復合增長率為10.15%；數(shù)模混合IP市場預計在2027年達到13.32億美元，2018年為7.25億美元，年復合增長率為6.99%；射頻IP市場預計在2027年達到11.24億美元，2018年為5.42億美元，年復合增長率為8.44%。

IP市場的主要玩家

半導體IP 的市場參與者可大致分為兩類：一類是與EDA 工具捆綁型的半導體IP 供應商，如鏗騰電子（Cadence）、新思科技（Synopsys）等；一類是提供專業(yè)領域IP 的半導體IP供應商，如ARM、芯原、CEVA、Imagination 等。

根據(jù)IPnest 統(tǒng)計，2018-2019 年全球半導體IP 供應商銷售收入市場占有率分布情況如下：

表：2018年~2019年全球半導體IP供應商銷售收入市場占有率。（數(shù)據(jù)來源：IPnest）

多年來，ARM和Synopsys一直排在全球IP市場的前兩位，地位很穩(wěn)固。IPnest的數(shù)據(jù)顯示，ARM曾經(jīng)控制著IP市場50％的份額，一直處于市場領先地位，但最近兩年市占率有所下降，從2018年的44.7％下降到了2019年的40.8％。排名第二的Synopsys的收入增長了13.8％，贏得了18.2％的市場份額。排在第三位的Cadence的IP收入增長了22.9％，為該公司帶來了5.9％的市場份額。

ARM在IP總收入方面繼續(xù)保持市場領先地位，因為其專利使用費每年超過數(shù)十億，大大超過了競爭對手。但是，在市場競爭不斷加強的情況下，ARM的IP總收入在2019年略有下降。IPnest分析顯示，ARM銷量下降的原因主要是非處理器形式IP重要性的增長。

表：主要IP供應商的產(chǎn)品布局。（來源：芯原股份招股書）

ARM：處理器IP龍頭

得益于移動CPU市場的壟斷地位，ARM成為了全球CPU IP和GPU IP的最大供應商。2018年，有52.6%的智能手機采用了ARM的GPU內(nèi)核，99%的智能手機采用了ARM的CPU(Cortex)內(nèi)核，而CPU和GPU IP占據(jù)了全IP行業(yè)約50%的市場份額，因此，ARM的龍頭地位相當穩(wěn)固。

在國內(nèi)，國產(chǎn)的SoC中，95%都是基于ARM處理器技術的，ARM的中國授權客戶超過了150家，使用了ARM 技術的中國客戶出貨量超過了160億。

由于IP公司采取的經(jīng)營模式是輕資產(chǎn)模式，這類公司沒有自有品牌產(chǎn)品，而是提供一站式芯片定制服務和半導體IP授權服務。因此，半導體IP行業(yè)是高毛利率行業(yè)，ARM的毛利率近三年來保持在92%~95%之間。

但是，自2016年被軟銀收購后，近幾年ARM的營收處于下滑趨勢，這主要是由于近年來非處理器形式的IP重要性越來越強，而手機應用處理器市場增長速度放緩造成的。但這并不影響ARM的行業(yè)龍頭地位。

近期，NVIDIA宣布將以400億美元的價格從軟銀集團手中收購ARM，從長遠來看，ARM將會受到美國CFIUS法規(guī)的約束，中國半導體企業(yè)需要早做打算。

Imagination：GPU IP王者

ImaginationTechnologies是一家英國技術公司，專注于半導體和相關知識產(chǎn)權許可，目前主要有三大產(chǎn)品線，分別是PowerVR GPU，PowerVR視覺和AI，以及Ensigma無線連接和廣播通信。其中，GPU是其在業(yè)界最知名的產(chǎn)品，AI方面的產(chǎn)品是神經(jīng)網(wǎng)絡加速器（NNA）IP，而無線連接主要有Wi-Fi和藍牙IP。其產(chǎn)品主要應用于消費電子、汽車、手機、通信、可穿戴，物聯(lián)網(wǎng)等領域。2017年，董事會宣布公司被中資的CanyonBridge收購。

Imagination曾為蘋果供應圖像處理器（GPU），在圖像處理器（GPU）領域與高通、ARM三分天下。它在GPU市場大約占據(jù)三分之一的份額。據(jù)公開數(shù)據(jù)顯示，其GPU IP在移動GPU領域市場份額達到38%，在汽車領域則超過了50%，而其2NX NNA在2019年的AI Benchmark性能測評中也高居第一。

Imagination的PowerVR Series2NX神經(jīng)網(wǎng)絡加速器IP已經(jīng)被紫光展銳的移動SoC所采用，而且在去年12月份的時候，紫光展銳已經(jīng)確認獲得了Imagination最新一代的神經(jīng)網(wǎng)絡加速器PowerVR Series3NX IP的授權許可，以用于未來面向中高端移動設備市場的SoC產(chǎn)品中。

該公司在2019年推出有史以來最快的GPU IP，意在扭轉市場上針對定制GPU的市場份額損失的趨勢，并使獲得許可的GPU IP回到性能的最前列。

CEVA：DSP IP龍頭

CEVA是無線連接和智能傳感技術的領先授權公司，提供數(shù)字信號處理器、AI處理器、無線平臺以及用于傳感器融合、圖像增強、計算機視覺、語音輸入和人工智能的補充軟件。CEVA與全球的半導體公司和OEM合作，為包括移動、消費、汽車、機器人、工業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)的各種終端市場創(chuàng)建節(jié)能和智能的連接設備。

其產(chǎn)品包括：

超低功耗IP，包括面向移動和基礎設施中的5G基帶處理的基于DSP的全面平臺，高級成像和計算機視覺，適用于多個物聯(lián)網(wǎng)市場內(nèi)任何支持攝像頭的設備和音頻/話音/語音以及超低功耗Always-On/感應應用。

藍牙IP和WiFi IP，對于無線物聯(lián)網(wǎng)，提供業(yè)界最廣泛采用的藍牙IP(低功耗和雙模)、Wi-Fi4/5/6(802.11n/ac/ax)和NB-IoT。CEVA在DSP（可編程數(shù)字信號處理器）IP排名全球第一，同時也是WiFi和藍牙排名第一的IP授權商。

Synopsys：提前布局接口類IP

過去十年間，智能手機是推動IP行業(yè)前進的強大動力，其中處理器IP受益最大，迅速成長為全球最大的IP種類，同時LPDDR、USB和MIPI等接口協(xié)議也在蓬勃發(fā)展。

目前智能手機行業(yè)依然活躍，但已達到頂峰。IP銷售的新增長動力轉向以數(shù)據(jù)為中心的應用，包括服務器、數(shù)據(jù)中心、人工智能等。下游數(shù)據(jù)爆發(fā)性增長需要更高的帶寬來滿足數(shù)據(jù)交換的需求，更高速的接口協(xié)議應運而生，接口IP市場得到快速發(fā)展。

2019年有線接口IP約占全球IP市場22.1%，為8.7億美元，占比相對于2018年提升2%，是增速最快的IP市場。

根據(jù)IPnest在“2015-2019年接口IP調(diào)查和2020-2024年預測”中的數(shù)據(jù)，接口IP市場預計將在未來五年內(nèi)保持較高的增長率，到2025年將達到18億美元。

接口IP的重要性日益增長，而且其在整個IP市場的占比正在搶奪處理器IP的市場份額，成為了最具發(fā)展?jié)摿Φ腎P品類。在有線接口類別中，Synopsys是明顯的領導者，2018年，該公司擁有約45％的市場份額，在物理IP市場則占有約35％的市場份額。

由于EDA和IP的商業(yè)模式很相似，而且有著共同客戶，EDA與IP相配合可以提高用戶黏性。自1986年成立以來，Synopsys通過發(fā)起80項并購交易，收購產(chǎn)業(yè)鏈上下游來擴大業(yè)務規(guī)模、進行技術整合的目的。在2008年超越Cadence成為全球最大的EDA工具廠商后，Synopsys也開始在IP行業(yè)戰(zhàn)略性布局，不斷并購IP優(yōu)質資產(chǎn)，鞏固其行業(yè)龍頭的地位。

過去三年，Synopsys的IP收入占比從28%提升到31%。Synopsys的IP收入占比提升，帶來毛利率提升。

Cadence：DSP和接口類IP的重要玩家

Cadence是EDA行業(yè)排名第二的廠商，IP行業(yè)排名第三的廠商。在1988年由SDA與ECAD兩家公司合并而成，到1992年已占據(jù)EDA行業(yè)龍頭地位，但到2008年被Synopsys超越。

Cadence在IP中的定位是從2010年收購Denali開始的，通過收購各自細分市場中的中小型供應商領導者來創(chuàng)建自己的IP產(chǎn)品，在2019年，接口IP和DSP IP是Cadence增長的巨大動力。

Cadence近三年來，IP市占率提升的重要原因是收購NuSemi后，拓寬了業(yè)務線和DSP IP產(chǎn)品取得了成功導致的。

芯原股份：國內(nèi)最大的IP供應商

芯原股份作為中國大陸排名第一、全球排名第七的半導體IP授權服務提供商，擁有五類處理器IP和1400多個數(shù)模混合IP和射頻IP，平均每年流片超過40款客戶芯片。在全球前七名半導體IP授權供應商中，IP種類的齊備程度也具有較強競爭力，其中DSP IP的市場占有率排名世界前三，GPU IP（含ISP）市場占有率排名全球前三。

芯原的主要經(jīng)營模式為芯片設計平臺即服務模式。SiPaaS模式是指基于芯原自主半導體IP搭建的技術平臺，為客戶提供一站式芯片定制服務和半導體IP授權的一種商業(yè)模式。

目前芯原擁有用于集成電路設計的GPU IP、NPU IP、VPU IP、DSP IP、ISP IP五類處理器IP、1400多個數(shù)模混合IP和射頻IP。

2019年，芯原半導體IP授權業(yè)務市場占有率位列中國大陸第一，全球第七。擁有較為齊備的IP組合和較多的IP數(shù)量，使得芯原在功能和應用領域的多樣性上具有了更多的擴展空間、亦給予客戶較為全面的選擇，體現(xiàn)了芯原在技術上的實力、積累和可靠性。同時，由于各類IP均來源于芯原自主研發(fā)的核心技術，且在研發(fā)時考慮了各IP間的內(nèi)生關聯(lián)和兼容性，使得其具有較強的耦合深度、可控性和可塑性。

芯原主營包括IP授權和芯片定制，其中芯片定制業(yè)務貢獻高營收，IP授權業(yè)務貢獻高毛利率。2019年芯原芯片定制業(yè)務分別實現(xiàn)營收和毛利9.02和1.23億元，營收和毛利占比分別為67.33%和22.91%；IP授權業(yè)務實現(xiàn)營收和毛利為4.38和4.15億元，營收和毛利占比分別為32.67%和77.09%。

此外，SST主要聚焦于Superflash(NOR閃存技術)、NVM、IDM等解決方案和IP產(chǎn)品，并且在2010年被Microchip所收購；Achronix則聚焦于高端FPGA方案，并提供專業(yè)獨立芯片，芯片組合封裝等服務，在2015年被英特爾收購；Rambus專門從事高速芯片接口的發(fā)明及設計的技術授權，聚焦于DRAM的IP供應，在內(nèi)存接口IP市場上排名全球第三；來自中國臺灣的eMemory則是全球最大的邏輯制程非揮發(fā)性存儲器硅IP廠商。

國產(chǎn)IP供應商開始積極布局

在當前中美博弈的背景下，集成電路產(chǎn)業(yè)是國家戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。目前我國絕大部分的芯片都建立在國外公司的IP授權或架構授權基礎上，因此IP和芯片底層架構國產(chǎn)化替代已經(jīng)迫在眉睫。在市場對國產(chǎn)芯片IP的迫切需求下，國內(nèi)半導體IP供應商將迎來歷史性發(fā)展機遇。

當前國內(nèi)IP廠商市場份額相對較低，影響力不大，但是他們已經(jīng)已經(jīng)積極布局，其中包括已在科創(chuàng)板上市的全球第七、國內(nèi)第一的芯原股份和國內(nèi)AI芯片獨角獸寒武紀，還有在細分領域深耕多年的本土IP廠商，包括本土RISC-V生態(tài)引領者芯來科技、提供從0.18um到5nm全套高速混合電路IP核芯動科技、擁有完全自主知識產(chǎn)權的CPU、DSP、GPU和AI處理器IP的華夏芯，以及提供高速接口IP的華大九天等等，這些IP廠商在各自領域實力不斷加強，有望在行業(yè)紅利期迎來重大發(fā)展。

寒武紀：人工智能領域的探路者

寒武紀，聚焦云邊端一體的智能新生態(tài)，致力打造各類智能云服務器、智能邊緣設備、智能終端的核心處理器芯片，讓機器更好地理解和服務人類。目前，寒武紀已與智能產(chǎn)業(yè)的眾多上下游企業(yè)建立了良好的合作關系。

2016年，寒武紀科技正式創(chuàng)立，并完成天使輪融資（投資者包括元禾原點、科大訊飛、涌鏵投資）；同年推出的“寒武紀 1A”處理器是世界首款商用深度學習專用處理器，并發(fā)布國際首個智能處理器指令集Cambricon ISA。2017年，完成A輪融資（投資者包括國投創(chuàng)業(yè)、阿里巴巴、聯(lián)想創(chuàng)投等），成為全球智能芯片領域首個獨角獸初創(chuàng)公司；集成寒武紀1A處理器的世界首款人工智能手機芯片華為麒麟970正式發(fā)布并在華為Mate 10手機中投入大規(guī)模商用。2019年，推出邊緣AI芯片思元220，標志寒武紀在云、邊、端實現(xiàn)了全方位、立體式的覆蓋。

現(xiàn)在寒武紀已經(jīng)成為國內(nèi)AI芯片獨角獸，是目前國際上少數(shù)幾家全面系統(tǒng)掌握了智能芯片及其基礎核心技術的企業(yè)之一。

芯來科技：RISC-V處理器IP廠商

芯來科技是中國大陸首家專業(yè)RISC-V處理器內(nèi)核IP和解決方案公司，是本土RISC-V生態(tài)引領者，攜手合作伙伴發(fā)布了全球首顆基于RISC-V內(nèi)核的量產(chǎn)通用MCU產(chǎn)品，目前已經(jīng)全面推向市場。自研推出的RISC-V處理器IP已授權多家知名芯片公司進行量產(chǎn)，實測結果達到業(yè)界一流指標。

芯來科技目前是RISC-V基金會銀級會員，中國RISC-V產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（CRVIC）發(fā)起單位和副理事長單位，以及中國開放指令集生態(tài)（RISC-V）聯(lián)盟（CRVA）會員單位。

目前，芯來科技的多個系列的處理器核心產(chǎn)品與解決方案已經(jīng)實現(xiàn)客戶導入和量產(chǎn)，過百家國內(nèi)外客戶進行了授權和使用，與兆易創(chuàng)新在2019年共同推出全球首發(fā)的RISC-V架構的通用MCU，推出了搭載Linux操作系統(tǒng)的應用級處理器UX600內(nèi)核，完成了自有軟件體系搭建，引入了國際國內(nèi)多個重量級合作伙伴，并通過升級版“一分錢計劃”持續(xù)降低RISC-V應用門檻，通過“RVMCU網(wǎng)站”打造RISC-V交流社區(qū)，通過“大學計劃”助力RISC-V教育生態(tài)發(fā)展。

近期，芯來科技完成了新一輪的戰(zhàn)略融資，領投的是小米長江產(chǎn)業(yè)基金，老股東藍馳創(chuàng)投和新微資本繼續(xù)追投。

此外，其他的國產(chǎn)IP廠商還包括華夏芯、華大九天、智原科技、創(chuàng)意電子、燦芯半導體、虹晶科技、世芯電子等。

表：其他國產(chǎn)IP供應商及其主要產(chǎn)品布局。

結語

總的來說，半導體IP行業(yè)市場增長潛力很大。隨著技術的進步，IC設計難度、復雜度、成本，以及風險日益提升，行業(yè)專業(yè)化分工將更加明確，這將會帶來半導體IP需求增長，預計2027年全球半導體IP市場空間較2018年增長120%至101億美元，這其中包括中國在內(nèi)的亞太地區(qū)增速為最高。

但當前國產(chǎn)IP的產(chǎn)業(yè)影響力相對較小，目前中國大陸有主要有芯原股份、寒武紀、華大九天、橙科微、IP Goal和Actt等IP廠商。而且國內(nèi)IP廠商目前提供的主要是接口IP，其他比如CPU IP的產(chǎn)出很少。但最近兩年國產(chǎn)廠商在火熱的人工智能方面進展較快。以寒武紀為代表的國內(nèi)廠商在NPU IP方面已有了較強的影響力；地平線的BPU IP產(chǎn)品亦表現(xiàn)不俗。但總體來說，國內(nèi)的IP產(chǎn)業(yè)依然較為薄弱，特別是CPU方面，還有待突破。

相信隨著國內(nèi)廠商的努力，未來IP市場將會有越來愈多國內(nèi)廠商的身影出現(xiàn)。

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