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接口IP的大机遇,国产当自强!

最新更新时间:2023-05-03
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半导体IP大家都不陌生,即经过验证的可重用的芯片设计模块,和EDA一样是芯片产业的上游核心技术,IP开发和复用技术极大促进了芯片设计业的快速发展。


从市场价值来看,当前全球半导体IP市场规模约为50亿美元,但却撬动着6000亿美元的半导体产业不断演进,并赋能1.4万亿的电子信息制造业持续发展。


可见,半导体IP的价值和作用极为重要。毫不夸张地讲,在全球半导体产业这座金字塔上,IP处于价值链的最顶端。

接口IP有望登顶?


近日,半导体IP研究机构IPnest发布了“设计IP报告”,报告显示,2022年设计IP市场规模达到66.7亿美元,同比增长了20.2%。相比之下,2021年增速为19.4%,2020年的增速是16.7%,半导体IP市场增速保持提升势头。


IPnest预计,到2025年半导体IP市场规模将超过100亿美元,2021-2026年的复合年增长率为16.7%。



从ToP 10名单来看,对于大多数IP供应商来说,2022年设计IP的主要趋势是非常积极的。其中,Synopsys、Alphawave和Rambus在2022年的增速再次证实了有线接口IP类别(增长26.8%)的市场张力。



从IP类别来看,2017-2022年间,接口IP市场份额占比从18%增长到了24.9%;而如CPU、GPU和DSP等处理器IP的复合年增长率从 57.6% 下降到49.5%;物理和数字IP这两类几乎保持不变。


可以理解为,接口IP的重要性在日益增长,且正在抢夺处理器IP的市场份额,成为了最具发展潜力的IP品类。


过去十多年来,智能手机是推动IP行业前进的强大动力,在这个过程当中,处理器IP受益最大,迅速成长为全球最大的IP种类。


近年来,以数据为中心为代表的HPC市场蓬勃发展,以及异构计算的兴起,各个组成部分之间的连接需求愈加迫切,传统方法和技术已经难以满足这么多数量、这么高速度连接的要求。对DDR内存控制器(DDR5,LPDDR5,HBM),PCIe、CXL和以太网/ SerDes提出了更多需求,有线接口IP成为了新的增长引擎,现已成为市占率第二的IP种类。


据IPnest预测,2025年接口IP市占率有望超过CPU,成为排名第一的IP品类。


从具体分类来看,接口IP分为有线接口IP和无线接口IP,有线接口IP包括USB、PCIe、DDR、SATA、D2D等,应用较多的为USB、DDR、PCIe、MIPI和以太网IP;无线接口IP主要包括蓝牙、Zigbee、Thread等。未来接口IP市场增量将主要来自与数据中心关联度较高的PCIe IP、DDR IP以及以太网、SerDes 、D2D等。


有数据统计,PCIe、DDR、以太网和D2D这四类接口IP预计将在2022-2026年期间以27%的复合年增长率增长。如果只考虑高端接口,2021-2026年这4大接口IP的全球复合年增长率将达到75%。


2021-2026年按收入划分的4大接口IP


除了上述推动因素外,近期大热的大模型和AIGC也正在催生接口IP的市场需求,比如大模型的训练需要大量的GPU,据透露,ChatGPT的训练就使用了1万张英伟达的高端GPU,这些大量的GPU需要集群在一起去训练。


同时,AI训练、推理所面对的数据量指数增长,使得无论单服务器中多GPU、CPU间C2C通信,还是在多服务器间组网,数据传输总体都呈现出高带宽、低延迟的技术需求,这对于IO吞吐的要求也会更高,对高速接口IP带来了多方面影响:



加速产品迭代,提高IO接口的性能需求


拓宽IO接口的需求范围


计算芯片厂商对接口IP定制化的需求增加,以提升自己芯片的性能


另一方面,随着Chiplet市场的升温,把芯片切分成不同的小芯片并互联,也进一步推动了相关接口IP市场的新需求,特别是在布局Chiplet的D2D接口方面。有数据显示,Chiplet互联接口IP的发展时间虽然较短,但其增速迅猛,预计从2021年到2026年,年复合增长率会高达50%。至2026年,全球产值将达3.2亿美元。



综合来看,接口IP在诸多市场应用推动下,正迎来快速发展。IPnest预测,2026年接口IP的市场规模将达到30亿美元。


技术差距下,国产接口IP厂商机会何在?


上文提到,半导体IP市场在2021-2026年的复合年增长率为16.7%,而中国市场增长率更高,虽然接口IP市场前景广阔、增长迅速,但中国市场自给率却不足10%,主要市场被Synopsys、Alphawave、Rambus等IP厂商占据。


业内人士向笔者表示,国内各类接口标准依旧跟随国际主流的国际协议,Synopsys、Alphawave、Rambus等厂家依赖先发优势和在各自擅长接口的主导地位,对于标准的建立和改进拥有巨大的影响力。


据了解,Synopsys在高性能SerDes市场占有55.6%的份额,而该类IP是有线高速互连市场的重要支柱,Synopsys支持几乎所有协议(USB、PCIe、以太网、SATA、HDMI、MIPI、DDR 内存控制器等),并在每个协议IP市场都处于领先地位。


而创建于2017年的Alphawave在IP领域已经排到了第四位,显示了高性能SerDes IP对于当下以数据中心应用为主要市场驱动力的重要性。目前,Alphawave是台积电、三星和英特尔IFS等顶级晶圆代工厂7nm、5nm和3nm所需的PAM4 112G SerDes IP的重要供应商。


尤为值得关注的是,3nm工艺平台对于开发新一代高性能芯片至关重要,这些芯片需要应对AI生成数据的指数增长,并实现更高的性能、增强的内存和I/O带宽以及降低功耗。这也是当前Alphawave产品组合中性能最高的SerDes,在3nm工艺上将为未来高性能AI系统的开发铺平道路。近日,在加利福尼亚州圣克拉拉举行的台积电北美研讨会上,Alphawave基于台积电3nm工艺、具有112G以太网和PCIe 6.0 IP的硅平台将进行业界首次现场演示。


有观点表示,Alphawave在正确的时间出现在了正确的地方,再加上该公司团队在SerDes设计方面长期的经验积累,才取得了这样的业绩。


Rambus则面向数据中心的发展诉求,提供一系列解决方案,包括业界领先的内存接口芯片;业界一流的HBM和GDDR6等内存子系统IP方案;支持PCIe 6.0/5.0、CXL 3.0/2.0接口子系统IP方案;以及支持数据中心、服务器中静态数据、动态数据的加密,实现硬件级的安全IP方案。这些产品和方案极大助力数据中心的应用需求,比如企业级的内存条、AI加速芯片、智能网卡、网络交换机、内存扩展和池化等。


针对高性能SerDes IP,Marvell日前也在3nm节点上成功展示了其先进的半导体互连技术,在台积电的3nm节点上实施了其122G XSR SerDes、Long Reach SerDes、PICe Gen 6 SerDes和240 Tbps并行芯片到芯片互连。


实际上,早在2020年Marvell就发布了业界首款用于数据中心的112G 5nm SerDes,本次在3nm节点的成果是其为未来计算基础设施开发高性能芯片间互连所做努力的一部分。据Marvell称,转向3nm节点将帮助该公司为Chiplet、定制ASIC、以太网物理层设备等应用解锁更低功耗和更高性能的互连。


对于海外IP厂商在接口IP上的先进布局和优势,国内某IP厂商向笔者表示,这些半导体IP大厂之所以能够取得市场优势,源自于其紧跟世界最先进设计的需求,可以随着国际头部芯片设计和制造公司的工艺演进,在先进工艺制程下往往没有充分竞争,芯片协同验证和大规模的量产经验进一步形成壁垒。


此外,通过收并购也是海外厂商提升自身竞争力的核心要素。以Alphawave为例,其在以Serdes起步之后,通过收购Openfive, Banias Lab等一系列公司不断扩大自己的产品线。目前已完成了Serdes、PCIe/CXL、D2D、HBM3、LPDDR4X/5等数据中心芯片公司所需IP的全覆盖,其发展速度和经验值得国内同仁学习。


因此,面对接口IP市场的急速膨胀以及外部环境刺激,国产替代风潮来袭,一批国产新势力涌现出来。


纵观国内市场,接口相关IP设计企业数量正在高速增长,本土IP种类覆盖逐渐齐全。在新开IC项目数量高速增长之下,众多应用对接口IP有着极大需求,勇于“吃螃蟹”的本土设计公司逐渐增多,但国产在接口IP上仍要面临国际大厂垄断格局以及本土企业同质化竞争逐渐浮现的挑战。


一方面,国内的高速接口IP方案供应商在制程、投入等方面仍处于追赶者的位置;另一方面,国内IP市场破局在设计上极具挑战性,缺少持续迭代的机会。


此外,国内在接口IP方面还面临人才缺乏和设计经验不足的问题。设计接口IP是一个多学科的综合考量点,而且需要有很强的经营积累的过程。同时,在高速接口上,相关EDA工具上也较为贫乏。


写在最后


尽管国内IP产业已经取得了不错的进展,但面临国外厂商主导90%市场份额的严峻现状,国内厂商仍需持续投入发力突围,需要进一步沉下心来,不甘寂寞地专注于高端,特别是高速接口IP的研发。


因为接口IP作为半导体底层核心技术,门槛颇高,只有通过企业长期的技术积累与持续创新,才能打磨出更高性能、更低功耗的IP产品;此外,各类高速总线协议标准的快速演进和半导体工艺的持续升级也为IP产品研发带来了不小的挑战,IP企业需要紧密跟随芯片厂商及代工厂的制造工艺,快速推出新的、满足市场需求的IP产品。


除了以上几方面外,国内IP厂商背靠巨大的本土市场,可以通过定制化服务和技术支持优势来缩小差距,在一些对于产品生命周期比较长,产品性能要求无需紧跟芯片工艺发展,对于后来者友善的领域发力。


其次面对国际大厂品牌和技术背书的优势下,客户更倾向于和大厂合作以保证一次性流片成功,国内IP企业可以在新兴的应用领域中注重品牌形象的建设和提升。最后在服务质量方面,注重提高在售后服务、技术支持等方面的服务质量,提升客户满意度和忠诚度。


归根结底,国产接口IP厂商还是要不断打磨产品性能,进行技术创新,同时寻找差异化的定位和优势,缩短与行业大厂的差距,提升本土IP产业硬实力。


在宏观世界,万物互联已经成为全球IT产业的共识,而在集成电路层面,一个微观的“万物互联”世界正在形成,异构集成、Chiplet、先进封装以及各类新应用的发展,都使得芯片组成部分数量不断增加,各个组成部分之间的连接需求愈加迫切,传统方法和技术已经难以满足这么多数量、这么高速度连接的要求。


这一趋势给半导体IP厂商提供了更多的发展机遇,这其中,接口IP成为重中之重。

在这个快速发展的市场,谁能够看准发展方向,并抓住机遇,只要找对了一个突破口,就有望在较短时间内,实现快速发展,就像前面提到的Alphawave就是抓住了数据中心SerDes发展的机会窗口期,在短时间内市占率就达到了行业前四的水平。


对于国产IP厂商来说,这也是一个机会。



*免责声明:本文由作者原创。文章内容系作者个人观点,半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点,不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持,如果有任何异议,欢迎联系半导体行业观察。


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