2022年芯片設(shè)計(jì)行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀分析

1、2022年芯片設(shè)計(jì)行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀分析IP 核（Intellectual Property）是具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)核的集成電路芯核的總稱，是芯片設(shè)計(jì) 環(huán)節(jié)中逐步分離出來的經(jīng)過反復(fù)驗(yàn)證過的、具有特定功能的、可以重復(fù)使用的、包含特 定核心元素的（指令集、功能描述、代碼等）集成電路設(shè)計(jì)宏模塊（邏輯或功能單元）， 可以理解為部分可重復(fù)使用的“芯片設(shè)計(jì)模塊”，如 AHB、APB、以太網(wǎng)、SPI、USB、 UART 內(nèi)核等，其作用就是在芯片設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中降低冗余設(shè)計(jì)成本，降低錯(cuò)誤發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)， 提高芯片設(shè)計(jì)效率。采用 IP 授權(quán)方式設(shè)計(jì)和開發(fā)芯片有如下優(yōu)點(diǎn)：1、 經(jīng)過驗(yàn)證的優(yōu)質(zhì) IP 模塊，具有高性能、功耗低、可復(fù)用、可規(guī)

2、?；⒊杀具m中的特 點(diǎn)，可作為獨(dú)立設(shè)計(jì)成果被交換、轉(zhuǎn)讓和銷售；2、 使用 IP 模塊可以讓芯片設(shè)計(jì)廠商基于現(xiàn)成的“模塊”開發(fā)芯片，避免了重復(fù)勞動(dòng)， 有利于芯片設(shè)計(jì)廠商將精力聚焦到提升核心競(jìng)爭(zhēng)力的研發(fā)中。IP 核模塊分為軟核（Soft IP Core）、完成結(jié)構(gòu)描述的固核（Firm IP Core）和基于物理 描述并經(jīng)過工藝驗(yàn)證的硬核（Hard IP Core）。芯片設(shè)計(jì)公司可以根據(jù)自身需求，向 IP 供應(yīng)商采購(gòu)不同的 IP 核，如可采購(gòu)軟核進(jìn)行自定義整合設(shè)計(jì)，也可以直接采購(gòu)具備電 路布局的硬核實(shí)現(xiàn)更快速的芯片設(shè)計(jì)定型與量產(chǎn)。由于 IP 核本身是知識(shí)產(chǎn)權(quán)固化后的產(chǎn)品，研發(fā)完成后維護(hù)、折舊成本較低

3、，產(chǎn)品推出 后可產(chǎn)生長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的現(xiàn)金流貢獻(xiàn)，產(chǎn)品生命力極強(qiáng)。以 ARM 的 IP 核授權(quán)商業(yè)模式為 例，其收入來源是授權(quán)費(fèi)(License Fee)和版稅(Royalty)的結(jié)合。設(shè)計(jì)公司首先通過支付 IP 技術(shù)授權(quán)費(fèi)來獲得在設(shè)計(jì)中集成該 IP 并在芯片設(shè)計(jì)完成后銷售含有該 IP 的芯片的 權(quán)利，而一旦芯片設(shè)計(jì)完成并銷售后，設(shè)計(jì)公司還需根據(jù)芯片銷售平均價(jià)格(ASP)按一 定比例支付版稅給 ARM。據(jù) ARM 估算，其 IP 產(chǎn)品研發(fā)周期約為 23 年，產(chǎn)品打磨和 優(yōu)化階段約為 34 年，在推向市場(chǎng)后開始貢獻(xiàn)授權(quán)費(fèi)和版稅費(fèi)，當(dāng)產(chǎn)品進(jìn)入成熟期后可 貢獻(xiàn)長(zhǎng)達(dá) 25 年的版稅收入。圖：ARM 1994

4、2010 年間推出產(chǎn)品仍在持續(xù)貢獻(xiàn)收入在智能終端創(chuàng)新升級(jí)加速的階段，快速的芯片設(shè)計(jì)并推出產(chǎn)品是搶占市場(chǎng)的重要手段， IP 核心讓研發(fā)團(tuán)隊(duì)僅須整合預(yù)先制作的功能區(qū)塊，進(jìn)行符合芯片功能定義的線路和指 令構(gòu)建，即能迅速開發(fā)大型的系統(tǒng)單芯片設(shè)計(jì)，大幅度縮短芯片設(shè)計(jì)周期、提高復(fù)雜芯 片設(shè)計(jì)的成功率，還能使規(guī)模較小的公司也具備設(shè)計(jì)大型芯片的能力。目前，IP 核已經(jīng) 變成系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本單元，如 Intel 的 CPU 技術(shù)、Nvidia 的 GPU 技術(shù)、TI 的 DSP 技 術(shù)、Motorola 的嵌入式 MCU 技術(shù)、Trident 的 Graphics 技術(shù)等，IP 核在芯片設(shè)計(jì)行業(yè) 中的重要性不斷提

5、升。1.摩爾定律持續(xù)演進(jìn)，芯片設(shè)計(jì)復(fù)雜化推動(dòng) IP 重要性提升IP 核的誕生本身來源于芯片設(shè)計(jì)不斷復(fù)雜化下對(duì)重復(fù)設(shè)計(jì)的再利用以提高設(shè)計(jì)效率， 因此隨著摩爾定律的持續(xù)演進(jìn)，芯片單位面積可容納晶體管數(shù)量不斷增多，芯片設(shè)計(jì)難 度水漲船高，IP 核在芯片設(shè)計(jì)過程中的重要性也在不斷增強(qiáng)。根據(jù) IBS 報(bào)告，以 80mm 面積的芯片裸片為例，在 16nm 工藝節(jié)點(diǎn)下，單裸片可容納的晶體管數(shù)量為 21.12 億個(gè)； 在 7nm 工藝節(jié)點(diǎn)下，晶體管數(shù)量為 69.68 億個(gè)，晶體管數(shù)量增長(zhǎng)高達(dá) 230%，這也意味 著同樣面積下芯片設(shè)計(jì)復(fù)雜度也大幅提升，無論是芯片設(shè)計(jì)的人員、時(shí)間還是投入都顯 著增加。同樣據(jù) IB

6、S，以先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)處于主流應(yīng)用時(shí)期的設(shè)計(jì)成本為例，工藝節(jié)點(diǎn)為 28nm 時(shí)，單顆芯片設(shè)計(jì)成本約為 0.41 億美元，而工藝節(jié)點(diǎn)為 7nm 時(shí)，設(shè)計(jì)成本則快 速升至約 2.22 億美元?？扇菁{晶體管數(shù)量大幅提升意味著芯片電路設(shè)計(jì)難度的不斷加大，依靠芯片設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)完 成所有新增功能模塊電路設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性持續(xù)降低，高成本、高風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)計(jì)投入使芯片設(shè) 計(jì)公司在研發(fā)先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)的芯片產(chǎn)品時(shí)，需要有大規(guī)模的產(chǎn)銷量支撐來平攤設(shè)計(jì)成本， 而為降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)和成本，芯片設(shè)計(jì)公司越來越多地尋求使用經(jīng)過驗(yàn)證的半導(dǎo)體 IP，IP 核復(fù)用性在效率和成本上的優(yōu)勢(shì)不斷增強(qiáng)。據(jù) IBS，以 28nm 工藝節(jié)點(diǎn)為例，單顆芯片 中已可集

7、成的 IP 數(shù)量為 87 個(gè)；而當(dāng)工藝節(jié)點(diǎn)演進(jìn)至 7nm 時(shí)，可集成的 IP 數(shù)量達(dá)到 178 個(gè)。而若比較早期應(yīng)用和成熟應(yīng)用階段芯片設(shè)計(jì)成本，以 5nm 為例成熟時(shí)期隨著 IP 核的快速增加和設(shè)計(jì)流程的優(yōu)化，芯片設(shè)計(jì)成本從早期近 5 億美元大幅下降至 2.51 億美元。一方面是日益復(fù)雜地芯片設(shè)計(jì)對(duì) IP的依賴度不斷提高，另一方面不斷擴(kuò)大的芯片品類、 定制化需求、持續(xù)增加的芯片用量同樣是 IP 核需求增長(zhǎng)的重要來源。隨著社會(huì)電氣化、 智能化水平的不斷提高，全社會(huì)電子系統(tǒng)、電子終端用量持續(xù)擴(kuò)大，帶動(dòng)整個(gè)半導(dǎo)體市 場(chǎng)保持?jǐn)U容趨勢(shì)，如 PC、智能手機(jī)的誕生與興盛帶來了海量的芯片需求智能手機(jī) 中有 C

8、PU、存儲(chǔ)芯片、電源管理芯片、閃存芯片、無線局域網(wǎng)芯片等數(shù)十種各類型芯片，芯片的用量和品類都在不斷增加。此外，芯片迭代速度不斷加快，移動(dòng)終端對(duì)低功耗、 高節(jié)能的要求更高，芯片設(shè)計(jì)的時(shí)間、功能、成本的要求也在不斷提升。未來，繼個(gè)人 PC、智能手機(jī)后半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)將在物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能和大數(shù)據(jù)等 新應(yīng)用的興起下逐步進(jìn)入下一個(gè)發(fā)展機(jī)遇期。根據(jù) IBS 報(bào)告，這些應(yīng)用需求的增長(zhǎng)將驅(qū) 動(dòng)半導(dǎo)體市場(chǎng)在 2030 年有望達(dá)到 10,527.20 億美元的規(guī)模，20192030 年均復(fù)合增長(zhǎng) 率達(dá) 9.17，市場(chǎng)容量不斷擴(kuò)大，芯片的品類、數(shù)量和更迭速度要求持續(xù)提升，IP 行業(yè) 將得到進(jìn)一步的發(fā)展。據(jù) IC

9、Insight，預(yù)計(jì) 2021 年全球芯片出貨量將達(dá) 11,353 億顆， 同比增長(zhǎng)達(dá) 13.36%。圖：全球半導(dǎo)體市場(chǎng)在 AIoT 等多種需求帶動(dòng)下，IP 市場(chǎng)從過去主要圍繞 CPU IP 構(gòu)建逐步向多樣化持續(xù)發(fā) 展，低功耗、高傳輸速度、小面積等指標(biāo)重要性不斷增強(qiáng)，非 CPU 的多種 IP 進(jìn)入新的 發(fā)展區(qū)間，百花齊放的時(shí)代來臨。隨著全球產(chǎn)業(yè)發(fā)展，處理器 IP 仍將占據(jù)最大市場(chǎng)份 額，但隨著各種接口、GPU、數(shù)模、存儲(chǔ) IP 技術(shù)的不斷成熟，未來非 CPU 的多種 IP 份額將會(huì)持續(xù)提升，如新一代高速接口 IP：PCIe（PCI express）4.0（2017；5.0，2019）、 USB

10、 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)。在 AI、IoT、新能源車及自動(dòng)駕駛等多種需求驅(qū)動(dòng)下，疊加芯片設(shè)計(jì)難度的不斷提升、 集成度的持續(xù)增加、先進(jìn)封裝技術(shù)的快速導(dǎo)入，全球半導(dǎo)體 IP 市場(chǎng)預(yù)計(jì)到 2030 年達(dá) 140.24 億美元，而 2019 年為 50.16 億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率為

11、10.97%。2.多年深耕積累深厚 IP 庫(kù)，芯原股份“技術(shù)-收入”轉(zhuǎn)化加速如前文所述，未來面向終端應(yīng)用場(chǎng)景更加多樣化、功能需求更加差異化的芯片設(shè)計(jì)生態(tài)， IP 供應(yīng)商的 IP 積累優(yōu)勢(shì)和中立優(yōu)勢(shì)有望更大程度地得到釋放。而芯原股份在數(shù)十年外 延內(nèi)生的積累下，技術(shù)實(shí)力與 IP 庫(kù)邊界持續(xù)提升、擴(kuò)張，公司 IP 種類齊備，成就全球 IP 前十唯一國(guó)內(nèi)企業(yè)。根據(jù) IPnest 統(tǒng)計(jì)，從半導(dǎo)體 IP 銷售收入角度，芯原股份是 2020 年中國(guó)大陸排名第一、全球排名第七（IP 種類在前七中排名前二）的半導(dǎo)體 IP 供應(yīng)商。 其中公司的圖形處理器（GPU，含圖像信號(hào)處理器 ISP）IP、數(shù)字信號(hào)處理器（D

12、SP） IP 分別排名全球前三；芯原的視頻處理器（VPU）IP 全球領(lǐng)先，在眾多國(guó)際行業(yè)巨頭的 各種產(chǎn)品中發(fā)揮重要作用。從半導(dǎo)體 IP 種類的齊備角度，芯原在全球前七名半導(dǎo)體 IP 授權(quán)供應(yīng)商中，IP 種類的齊備程度也具有較強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力。目前公司已擁有 6 類自主可控的處理器 IP，分別為圖形處理器 IP（GPU IP）、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 處理器 IP（NPU IP）、視頻處理器 IP（VPU IP）、數(shù)字信號(hào)處理器 IP（DSP IP）、圖像 信號(hào)處理器 IP（ISP IP）和顯示處理器 IP（DPU IP）。除處理器 IP 外，公司 IP 庫(kù)還覆 蓋了從成熟制程到先進(jìn)制程的各個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)的 1,400

13、多個(gè)數(shù)?；旌?IP 和射頻 IP，如各 類 MIPI、USB、PCIE、低功耗藍(lán)牙（BLE）IP 和窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）IP 等多款超低 功耗的射頻 IP。內(nèi)置芯原 Vivante NPU IP 的多款客戶芯片位列 AIBenchmarkIoT 性能 榜單前列。IP 庫(kù)的種類和 IP 數(shù)量是 IP 核供應(yīng)商的主要競(jìng)爭(zhēng)力，而擁有較為齊備的 IP 組合和較多 的 IP 數(shù)量的芯原股份在功能和應(yīng)用領(lǐng)域上具備更多擴(kuò)展空間，可以為客戶提供一體化 IP 解決方案。同時(shí)，由于各類 IP 均來源于公司自主研發(fā)的核心技術(shù)，且在研發(fā)時(shí)考慮 了各 IP 間的內(nèi)生關(guān)聯(lián)和兼容性，公司 IP 核產(chǎn)品具有較強(qiáng)的耦合深

14、度、可控性和可塑性。公司根據(jù)自身的技術(shù)、資源、客戶積累，并結(jié)合市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)，已逐步在 AIoT、可穿戴 設(shè)備、汽車電子和數(shù)據(jù)中心這 4 個(gè)領(lǐng)域形成了一系列優(yōu)秀的 IP、IP 子系統(tǒng)及平臺(tái)化的 IP 解決方案，客戶范圍和覆蓋領(lǐng)域逐步打開。以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器 IP（NPU IP）為例， 截至 2021 年 11 月 12 日，公司 NPU IP 客戶數(shù)量突破 50 家，用于其 100 余款人工智 能芯片，主要應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設(shè)備、智慧電視、智慧家居、安防監(jiān)控、服務(wù)器、 汽車電子等 10 個(gè)主要市場(chǎng)領(lǐng)域。多年沉淀的 IP 技術(shù)和客戶應(yīng)用逐漸為公司帶來增長(zhǎng)支撐。公司 2021 年前三季度知識(shí)產(chǎn) 權(quán)授權(quán)使用費(fèi)收入 3.89 億元，同比增長(zhǎng) 18.06%，累計(jì)半導(dǎo)體 IP 授權(quán)次數(shù)達(dá) 191 次， 遠(yuǎn)超去年