基于IP核開發(fā)模式的高校集成電路設(shè)計發(fā)展策略研究

1、基于 IP 核開發(fā)模式的高校集成電路設(shè)計發(fā)展策略研究摘要：針對當前集成電路領(lǐng)域企業(yè)缺少原始技術(shù)積 累、高校成果轉(zhuǎn)化困難的問題， 提出一種以 IP 核合作方式促 進高校集成電路設(shè)計加快發(fā)展、實現(xiàn)高校企業(yè)雙贏的創(chuàng)新機 制。高校作為我國 IC 產(chǎn)業(yè)鏈中不可缺少的一部分，以西安 交通大學 SoC 設(shè)計中心近十年來的發(fā)展歷程為案例進行分 析，提出基于 IP 核開發(fā)的高校集成電路設(shè)計發(fā)展的具體策 略。關(guān)鍵詞： IP 核; IC 產(chǎn)業(yè)鏈; SoC; 案例分析 中圖分類號： F270.7 文獻標識碼： AIP core based IC design development strategy for univ

2、ersitiesGE Chen-yang( SoC Design Center, Xi an Jiaotong University, Xi an, 710049, China )Abstract ： As the problem of lacking the original accumulated technology in enterprises and the difficulties in converting the research results to products, an innovativemechanism of IP core cooperating mode is

3、 presented. It can promote the development of the capability of integrated circuit design quickly in universities, and can benefit both universities and enterprises. Based on the case analysis of the ten-year development of Xian Jiaotong University SoC design center,some developing strategy of the u

4、niversity to enhance the IC designing capability based on IP core development are presented.Key words ： IP core; IC industry chain; SoC; case study中國電子信息產(chǎn)業(yè)已連續(xù)十年保持兩位數(shù)增長，其產(chǎn) 業(yè)規(guī)模居全球第二位。但我國是電子產(chǎn)品制造大國，而不是 制造強國，多數(shù)制造廠商缺乏核心技術(shù)而長期處于國際產(chǎn)業(yè) 鏈的最低端，其電子產(chǎn)品由于缺乏自主知識產(chǎn)權(quán)，深受國外 高額專利使用費困擾。核心技術(shù)包括技術(shù)標準、核心器件與 芯片仍被歐美、日韓、中國臺灣地區(qū)等企業(yè)所控

5、制。隨著新 勞動合同法的頒布與實施，水電、土地、勞動力、稅收等生 產(chǎn)成本的提高和產(chǎn)品競爭力的下降，我國沿海部分勞動力密 集型產(chǎn)業(yè)更是面臨著加速轉(zhuǎn)移或升級的考驗。集成電路（ IC ）是信息產(chǎn)業(yè)中最核心部分，對信息產(chǎn)業(yè) 起到 1:1000 的帶動作用， 已成為當代高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)群的核心 和維護國家主權(quán)、保障國家安全的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)1。IC設(shè)計是 一項創(chuàng)造力極強的智力型工作，處于 IC 產(chǎn)業(yè)鏈的龍頭地位， 也是最能體現(xiàn)整個產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新性、市場性和競爭性，可以帶 動其他 IC 產(chǎn)業(yè)的共同發(fā)展。目前 IC 設(shè)計已發(fā)展到整個系統(tǒng) 集成到單片的 SoC( System-on-a-Chip )設(shè)計階段，由眾多可 復用

6、的 IP ( Intellectual Property )核構(gòu)成 SoC 芯片，具有集 成度高、上市周期短、可靠性及性價比高的特點。我國絕大多數(shù)微電子設(shè)計公司發(fā)展的時間都不長，IP 核積累少，從時間、成本、人力等考慮都不太允許依靠自身開 發(fā) SoC 芯片中所有的 IP 核。而我國高校在集成電路設(shè)計方 面擁有眾多的自主知識產(chǎn)權(quán)和人才團隊，在關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域?qū)?有突破，可以為我國的 IC 產(chǎn)業(yè)承擔起更多的責任。然而目 前企業(yè)同高校在集成電路領(lǐng)域的合作還不是很緊密，企業(yè)缺 少原始技術(shù)積累，而高校成果存在轉(zhuǎn)化困難，雙方需要在合 作模式上進一步創(chuàng)新。 本文針對這一問題提出一種以 IP 核合 作方式促進高校

7、集成電路設(shè)計加快發(fā)展、實現(xiàn)高校企業(yè)雙贏 的創(chuàng)新機制， 以西安交通大學 SoC 設(shè)計中心近十年來的發(fā)展 歷程為案例進行分析，并提出相應(yīng)的 IP 核發(fā)展策略。1 我國 IC 設(shè)計發(fā)展現(xiàn)狀分析我國 IC 設(shè)計業(yè)經(jīng)過“十五”期間的快速發(fā)展，在 IP 核 方面有了一定的積累和突破，如CPU、音視頻編解碼器、網(wǎng)絡(luò)通信等，涌現(xiàn)了中星微電子、大唐微電子、上海展訊、珠 海炬力等為代表的優(yōu)秀設(shè)計企業(yè)。然而同跨國公司相比，我 國 IC 設(shè)計公司規(guī)模小，創(chuàng)新能力弱，產(chǎn)品線單一且技術(shù)含 量偏低，核心領(lǐng)域的自主知識產(chǎn)權(quán)少，還難以同跨國公司競 爭。我國高校在集成電路相關(guān)領(lǐng)域有著長期的算法理論研究 和知識產(chǎn)權(quán)積累，但成果的轉(zhuǎn)

8、化率和產(chǎn)業(yè)化程度比較低。其 主要原因是體制、機制方面的約束使得高校同企業(yè)在集成電 路領(lǐng)域的合作不是很緊密，一方面企業(yè)目前還不可能依靠企 業(yè)自身投入大量的人力、物力研發(fā)所有的核心技術(shù)，另一方 面高校更不可能依靠自身去開發(fā)符合市場需求的SoC 產(chǎn)品。目前國內(nèi) IC 設(shè)計業(yè)存在的不足主要表現(xiàn)在以下幾個方 面：（1）整機廠商有自主核心技術(shù)研發(fā)投入的熱情，但能 力普遍較弱。整機廠商由于激烈的市場競爭、有限的研發(fā)資 金、缺少優(yōu)秀人才和原始技術(shù)積累、 較高的行業(yè)門檻等原因， 對芯片級核心技術(shù)的研發(fā)，投入嚴重不足。如彩電行業(yè)，對 數(shù)字電視和平板顯示核心技術(shù)的缺乏，導致整機產(chǎn)品的競爭 力不足、利潤低，無法投入更

9、多的資金用于核心技術(shù)的開發(fā)， 導致產(chǎn)業(yè)的惡性循環(huán)。（2）從事核心芯片開發(fā)的微電子公司設(shè)計能力和資金 有限，多數(shù)集中在低端產(chǎn)品領(lǐng)域， 產(chǎn)品雷同性很高。 如 MP3 、 SIM 卡、低端多媒體芯片等，造成惡性競爭，企業(yè)在原始技 術(shù)方面創(chuàng)新能力不足， 體現(xiàn)在對關(guān)鍵 IP 核的缺乏和發(fā)明專利 的不足。（3）國內(nèi)部分高校和科研院所在核心芯片方面已掌握 了一些核心技術(shù)，如在嵌入式 CPU 、音視頻編解碼核、圖像 壓縮、網(wǎng)絡(luò)通信等領(lǐng)域已成功開發(fā)一系列 IP 核，有了一定的 積累，但產(chǎn)業(yè)化程度較低。 迫切需要加強同微電子設(shè)計公司、 整機廠商的合作，結(jié)合整機需求，通過產(chǎn)學研合作、優(yōu)勢互 補，實現(xiàn)成果的轉(zhuǎn)化和企業(yè)

10、自主創(chuàng)新能力的提升。目前電子產(chǎn)品的競爭是一體化高性價比 SoC 設(shè)計方案 的競爭，要求 SoC 產(chǎn)品上市周期短、功能強、成本低。我國 在微處理器、音視頻處理、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)字電視等領(lǐng)域雖有 一些 IP 核積累和突破， 但總體上還處于比較分散的局面， 絕 大多數(shù)單位都不可能獨立開發(fā) SoC 芯片中的所有 IP 核，需 要高?？蒲性核⑽㈦娮釉O(shè)計公司、整機廠商加強聯(lián)合，才 能推出有競爭力的 SoC 芯片及產(chǎn)品。2IP 核開發(fā)方式適合高校的研發(fā)SoC 設(shè)計已成為當今集成電路產(chǎn)品設(shè)計的主流2 ， SoC芯片一般由微處理器、存儲器、模擬單元、接口單元、專用 IP 核及總線構(gòu)成，具備高集成度、低功耗等特點，

11、如圖 1 所 示異構(gòu)多核媒體處理器 SoC 芯片的結(jié)構(gòu)框圖。圖 1 異構(gòu)多核媒體處理器結(jié)構(gòu)框圖其中 IP 核是指具有獨立知識產(chǎn)權(quán)、 可復用、 易移植的電 路功能模塊， 是高度濃縮的知識積累， 其功能相對比較獨立， 可分為三類：軟核、固核和硬核 3 。軟核是指以硬件描述語 言 VHDL 或 Verilog HDL 實現(xiàn)的電路模塊，同具體的工藝不 相關(guān)，一般經(jīng)過行為級或 RTL 級的仿真、優(yōu)化和功能驗證， 優(yōu)點是具有良好的可復用性和可移植性，缺點是用戶還需要 做大量的綜合優(yōu)化工作。固核是基于特定的工藝以門級網(wǎng)表 形式提供給用戶， 包含基本的門延時信息， 經(jīng)過 ASIC 綜合、 時序驗證和 FPGA

12、 綜合驗證，具有良好的可復用性，缺點是 用戶無法自行修改代碼，在移植到其它工藝時需重新綜合。 硬核是經(jīng)過指定的 Foundry 和物理工藝驗證過的以布圖形式 存在的電路模塊，通過黑匣子方式提供給用戶，用戶直接嵌 入其 SoC 芯片中并采用相同的工藝進行流片， 其優(yōu)點是可靠 性高，缺點是可移植性差，受工藝影響大。由于 SoC 芯片是 由眾多不同類型的 IP 核構(gòu)成， IP 核設(shè)計好壞已成為 SoC 產(chǎn) 品開發(fā)成敗的關(guān)鍵 , 其發(fā)展狀況直接決定了 SoC 設(shè)計的進度 及技術(shù)可行性。高校從事科研的長處是在理論算法上能不斷創(chuàng)新， 技術(shù)上追求先進，能夠集中一支團隊在某個技術(shù)點上不斷完善和創(chuàng)新研究；存在的

13、問題是不擅長于開發(fā)一個完善的 SoC 產(chǎn)品，技術(shù)同市場的需求有一定距離。這是由高校的體制所 決定，因為高校承擔科研任務(wù)的主角是中青年教師和碩博士 研究生，中青年教師除了科研還承擔繁重的教學任務(wù)，對投 入科研的精力有限；而碩博士研究生主要任務(wù)是學習和培 養(yǎng)，不太愿意化大量的時間和精力去完善一個產(chǎn)品。這些特 點決定了高校不太適合從事 SoC 產(chǎn)品的開發(fā)， 但適合從事關(guān) 鍵 IP 核技術(shù)的研發(fā)。 因為 SoC 項目要求投入的資金比較大、 時間周期長； IP 核其投入包括流片驗證費用相對較少、時間 周期短，能夠在算法技術(shù)上不斷改進優(yōu)化，加上規(guī)范的設(shè)計 和文檔管理，可以以不同形式交付給企業(yè)應(yīng)用，并有效保

14、護 高校的知識產(chǎn)權(quán) 4 ，比較適合高校團隊進行開發(fā)。原信息產(chǎn) 業(yè)部的軟件與集成電路促進中心（CSIP）“ IP 核標準化工作組”就 IP 核的開發(fā)、 技術(shù)文檔、 授權(quán)格式及測試評估標準等 發(fā)布了 “國家IP核標準符合性評測與認證指南”，對IP設(shè)計、 驗證、評估和交易流程進行規(guī)范，從而降低設(shè)計風險。國際 上如 VSIA 聯(lián)盟針對 IP 核的定義、 開發(fā)、 授權(quán)及測試等也建 立一個公開的共性規(guī)范 3 。3 西安交大 SoC 設(shè)計中心發(fā)展模式的案例分析西安交通大學 SoC 設(shè)計中心依托模式識別與智能系統(tǒng)、 微電子學與固體電子學兩個國家重點學科，主要從事數(shù)字電 視、圖像處理和視頻編解碼、 集成電路設(shè)計

15、方面的科研工作， 具備從系統(tǒng)算法研究、硬件實現(xiàn)、 FPGA （現(xiàn)場可編程門陣 列）驗證到芯片設(shè)計的 SoC 流程開發(fā)能力 5 。其發(fā)展經(jīng)歷主 要分三個階段：第一階段， 1998 年至 2001 年，核心技術(shù)突破階段。這 個階段主要是開發(fā)數(shù)字化電視整機演示系統(tǒng)，并于 2001 年 研制成功國內(nèi)第一塊自主知識產(chǎn)權(quán)的視頻掃描格式轉(zhuǎn)換芯 片 VPP860 ，打破了國外在彩電領(lǐng)域核心技術(shù)的壟斷。該芯 片的研制成功曾在日本朝日新聞進行報道，引起很大的反 響。第二階段， 2002 年至 2005 年，芯片推廣應(yīng)用階段。曾 先后同青島海信、 TCL 王牌、江蘇賽博電子、四川長虹等國 內(nèi)彩電廠商合作，應(yīng)用該中心

16、開發(fā)的數(shù)字電視后處理系列芯 片 DTV100/ DTV100B /DTV100C 研制大屏幕純平彩電，實 現(xiàn)小批量生產(chǎn)，對彩電廠商的關(guān)鍵技術(shù)普及和降低芯片采購 成本起了很大的作用。雖然該中心研制的系列芯片在部分關(guān) 鍵技術(shù)和算法處理效果上處于領(lǐng)先，但由于同類芯片競爭激 烈、開發(fā)節(jié)奏快加上高校投入的資金和技術(shù)支持有限、數(shù)字 電視顯示技術(shù)不斷更新，很難跟上市場發(fā)展的節(jié)奏，批量生 產(chǎn)困難。第三階段， 2006 年至今， IP 核推廣應(yīng)用階段。 經(jīng)過前面 兩個階段的積累和探索， 提出了以成熟驗證的 IP 核方式同國 內(nèi)微電子設(shè)計公司、彩電整機廠商開展合作，同時加強同整 機應(yīng)用的互動，實現(xiàn)了一種以 IP

17、核為主、“產(chǎn)學研用”相結(jié) 合的新型商業(yè)模式。以 IP 核及專利授權(quán)方式實現(xiàn)部分 IP 核 轉(zhuǎn)讓給企業(yè)，用于其 SoC 產(chǎn)品開發(fā)，縮短了企業(yè)用戶推出 SoC 芯片的周期，降低了開發(fā)的風險，實現(xiàn)了高校、企業(yè)的 共贏和 IC 產(chǎn)業(yè)鏈的分工。在轉(zhuǎn)讓 IP 核時，該中心為企業(yè)提供全方位的服務(wù)和支 持，如提供 IP 核數(shù)據(jù)手冊、系統(tǒng)規(guī)格書、算法程序文檔、 RTL 級源代碼、 IP 核授權(quán)證書（包括專利授權(quán)使用證書） 、 IP核測試平臺（包括測試軟核、腳本等）、FPGA驗證系統(tǒng)及 綜合結(jié)果和腳本，同時提供 IP 核交付培訓和技術(shù)支持及更 新。圖 2 IP 核開發(fā)的產(chǎn)業(yè)鏈原理示意圖目前該中心已擁有十多項成熟

18、IP 核，堅持基礎(chǔ)理論算法 和核心技術(shù)的自主創(chuàng)新，同微電子設(shè)計公司、整機廠商形成 了算法研究、標準提出、核心技術(shù)開發(fā)、 IP 集成、 SoC 芯片 設(shè)計到系統(tǒng)應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)鏈，其原理見圖 2。核心技術(shù)與產(chǎn)業(yè)優(yōu)秀領(lǐng)軍人才的相對自我供給是集成 電路產(chǎn)業(yè)得以良性發(fā)展和成熟的重要推動力?；谖覈壳暗膰?，高校承擔著在集成電路產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新體系中技術(shù)創(chuàng)新和 培養(yǎng)具有國際競爭力的優(yōu)秀人才的雙重任務(wù)。要使當前高校 科研與優(yōu)秀師資團隊得以良性發(fā)展的一個關(guān)鍵是實現(xiàn)高校 與企業(yè)的成果順利交付與對接。 通過對西安交通大學 SoC 設(shè) 計中心發(fā)展模式的分析， 提出高校以成熟 IP 核方式同微電子 設(shè)計公司、整機廠商建立密切的

19、合作關(guān)系，實現(xiàn)高?？蒲性?集成電路產(chǎn)業(yè)鏈中的分工和價值，從而彌補企業(yè)在原始創(chuàng)新 技術(shù)積累和 IP 核的不足， 建立和諧的產(chǎn)學研生態(tài)鏈， 在國際 化競爭中實現(xiàn)了共贏?？梢哉f， IP 核開發(fā)模式是現(xiàn)階段我國 高校集成電路實現(xiàn)良性發(fā)展的一種策略選擇。4 基于 IP 核開發(fā)模式的 高校集成電路發(fā)展策略2000 年國務(wù)院發(fā)布 18 號文件鼓勵軟件產(chǎn)業(yè)和集成電 路產(chǎn)業(yè)發(fā)展若干政策 （國發(fā) 200018 號），鼓勵我國軟件 產(chǎn)業(yè)和集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在國務(wù)院頒布的國家科學與 技術(shù)中長期發(fā)展規(guī)劃綱要（ 2006-2020 年）就集成電路產(chǎn)業(yè) 的發(fā)展提出了明確的目標，我國高校作為國家創(chuàng)新體系建設(shè) 中重要的機構(gòu)，

20、 應(yīng)承擔起集成電路領(lǐng)域部分關(guān)鍵 IP 核的研制 任務(wù)?；谖靼步煌ù髮W SoC 設(shè)計中心發(fā)展模式的案例分 析，針對高校集成電路設(shè)計從事 IP 核開發(fā)的思路， 提出以下 幾點發(fā)展策略：1）堅持從源頭上進行基礎(chǔ)理論和標準制定的創(chuàng)新，充 分發(fā)揮高校作為基礎(chǔ)算法、創(chuàng)新研究、知識產(chǎn)權(quán)和人才培養(yǎng) 的重要源頭的優(yōu)勢， 企業(yè)作為技術(shù)、 產(chǎn)品、 集成創(chuàng)新的主力， 互相尊重知識產(chǎn)權(quán)，形成從算法研究、標準制定、核心技術(shù) 和芯片研發(fā)到系統(tǒng)實現(xiàn)的產(chǎn)業(yè)價值鏈 6 。2）加強同整機廠商的合作與互動。在SoC 芯片定義、IP 核方面同整機廠商的合作可以充分發(fā)揮我國在整機制造、 廣闊市場和大量系統(tǒng)人才的優(yōu)勢，同時也使得所開發(fā)的 IP 核能夠適合市場的需求。3）注重自主知識產(chǎn)權(quán)，積極申報國內(nèi)外發(fā)明專利，在 核心技術(shù)領(lǐng)域形成專利池。同國內(nèi)其它高校、企業(yè)形成產(chǎn)學 研用聯(lián)盟，共同維護自身利益。4）高校集成電路設(shè)計確立以成熟 IP 核開發(fā)為目標， 學 習和貫徹執(zhí)行信息產(chǎn)業(yè)部制定國家 IP 核標準，堅持規(guī)范開發(fā) IP 核，加強文檔資料的管理，為企業(yè)提供全方位的服務(wù)和技 術(shù)支持。利用所承擔的國家省市科研項目，盡可能對所開發(fā) 的 IP 核