芯片ip设计是什么意思-IP在芯片行业有什么用

前言：在芯片行业，人们经常使用IP这个词，比如IP开发、IP交易、IP复用、IP制造商、IP提供商等，外行人可能对这个词感觉不清楚，不知道该说什么。 他们可能认为这是一张IP卡，或者他们可能认为这是互联网技术中的IP地址，但事实并非如此。 本文专门科普一下，谈谈芯片行业的IP是什么。 “IC、IP、IQ卡，全部告诉我密码！” 这是电影《天下无贼》中范伟的经典台词。 现实中没有IQ卡，只有IC卡和IP卡。 IC卡是指集成电路卡，又称芯片卡，如银行卡、电信卡、交通卡和社保卡等都是由芯片卡实现的。 IP卡是一种采用TCP/IP协议的网络电话卡，IP卡早已被淘汰。 然而，TCP/IP协议已经作为互联网通信的底层技术，因此经常可以听到IP、IP地址等词语。 这就是第一类IP，它是互联网领域的一个技术术语，专指IP协议或IP地址。

第二类知识产权是一个法律术语，是知识产权的英文缩写。 现代社会，许多国家都非常重视知识产权的保护。 芯片行业是一个高度智力密集、资本密集的行业，因此该行业的知识产权保护显得尤为重要。 芯片产业的知识产权可以称为硅知识产权（Silicon Intellectual Property，简称SIP）。 SIP的保护形式主要包括专利保护（Patent Protection）和集成电路布局保护（IC Layout Protection）。

本文将介绍第三类IP，它不仅是一个技术词汇，更是一个东西、一种商品。 它凝聚了芯片设计者的智慧，具有商品属性和知识产权，可以推广、销售和应用。 因此，芯片产业存在IP开发、IP交易、IP复用等技术和商业活动，有的企业也被称为IP制造商、IP提供商。

1.什么是芯片行业的IP？

芯片行业中提到的IP一般也称为IP核。 IP核是指芯片内成熟设计的具有独立功能的电路模块。 该电路模块设计可以应用于包括该电路模块的其他芯片设计项目，从而减少设计工作量，缩短设计周期，提高芯片设计的成功率。 该电路模块的成熟设计体现了设计者的智慧，体现了设计者的知识产权。 因此，芯片行业用IP核（Intellectual Property Core）来代表该电路模块的设计成熟。 IP核也可以理解为芯片设计的中间组件。

一般来说，复杂的芯片是由芯片设计者独立设计的电路部分和多个购买的IP核连接而成。 如图2所示，要设计这样结构的芯片，设计公司可以采购芯片中的所有IP核（不同颜色的模块），只设计芯片中具有创意和自主设计的部分（以绿色表示），并将部件连接在一起。

图2.独立设计部分与多个IP核集成，形成复杂的芯片设计。 图2中的芯片设计流程与图3中的系统电路板开发流程相同。它采用现有且成熟的IP核（或芯片）布局、排列和信号连接流程，这个过程可以称为IP核的复用（或芯片）。 不同的是，除了系统电路板上的芯片和连接线之外，系统开发商很少独立开发自己的芯片。 在芯片设计过程中，除了在芯片上使用购买的IP核之外，一般来说，芯片设计者还需要设计自己的一部分电路，并完成各个部分之间的信号连接，最终实现整个功能芯片的性能和性能在制造前经过反复检查和验证。

图 3. 从 IP 核构建复杂芯片类似于用芯片构建完整的系统电路板。 如果上面的介绍还是太专业，还可以用拼图来比较一下芯片设计。 可以将图2所示的芯片抽象理解为如图4所示的拼图图片，芯片中不同功能的外购IP核用不同颜色的块表示，自行设计的电路部分表示由绿色块组成。 复杂芯片的设计过程就像拼凑出这张图。 同样的事情就是用现有的块（IP核）拼接出漂亮的图片（复杂的芯片）。 不同的是，拼图只需要考虑块的形状，而芯片设计需要考虑IP核的许多参数和指标，并且需要将每个IP核与自行设计的部分正确连接起来确保整个芯片的功能和性能正确。

图4. IP核使复杂芯片的设计变得更加容易，IP复用类似于一个“拼图”。 IP核被其他芯片设计公司采用，业内称为IP复用。 专门设计相对独立的电路功能模块芯片ip设计是什么意思，目的是推广给其他芯片设计公司复用，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IP提供商。 IP厂商向芯片设计公司出售IP是一种IP交易行为。

二、知识产权的由来和作用

IP的起源始于早期的芯片设计过程。 早期芯片的集成规模有限，设计复杂度不高。 芯片上的所有电路都是由芯片设计者完成的。 设计水平低、能力有限的芯片公司只能设计小型、简单的芯片。 只有设计水平高、能力强的芯片公司才能设计出大规模、功能复杂的芯片。 在此期间，无论芯片规模大小，芯片从“头”到“脚”都是芯片公司自己设计的。 早期的高端芯片基本被少数国际大型芯片公司所控制。

随着现代信息社会对芯片的要求不断提高，芯片的规模呈指数级增长，复杂度急剧增加。 中小型芯片公司独立完成复杂的芯片设计几乎是不可能的。 尤其是20世纪80年代末，芯片行业兴起代工商业模式，大量中小型微芯片设计公司（Fabless）应运而生。 在此期间，芯片设计行业迫切需要解决小型芯片公司无法设计大型芯片的问题。

有许多启发式的想法可以解决这个问题。 例如：搭积木、拼图游戏； 用标准件设计大型机器； 从软件子程序（或中间件）设计大型软件； 用芯片等构建大规模电子系统，其想法是重复使用预先设计的成熟组件来构建更复杂的系统，无需考虑组件的内部问题，简化了复杂性； 重复利用组件，减少重复劳动，节省时间； 复用组件，提高整体复杂系统构建的成功率。

芯片设计行业的IP核开发和IP复用就是在这些思想的启发下形成的。 IP核与上述组件类似。 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核的组成，大型复杂芯片的设计变得更加容易，周期短，容易成功。

IP的作用主要有四个方面。 一是简化芯片设计，缩短芯片设计周期，提高复杂芯片设计的成功率。 二是IP开发和IP复用技术使小公司设计大芯片成为可能； 该行业摆脱了传统的IDM模式，成为产业链上的一个独立行业，推动了芯片设计行业的快速发展。

目前，许多中小型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，他们会外包很多IP核来完成自己的芯片设计项目。 行业内IP开发商和IP提供商的数量不断增加，并且越来越专业。 各种功能、类型的IP核不断涌现。 知识产权交易活动也越来越普遍，交易金额也在不断增加。

3. 知识产权的类型和例子

IP核有行为（Behavior）、结构（Structure）和物理（Physical）三个级别的分类，分别对应三种类型的IP核，分别是由硬件描述语言设计的软核（Soft IP Core）、实体核完成结构描述的（Firm IP Core），以及基于物理描述并经过工艺验证的硬核（Hard IP Core）。

1、IP软核：是用硬件描述语言（HDL）设计的具有独立功能的电路模块。 从芯片设计的角度来看，仅进行了RTL级的设计优化和功能验证，通常以HDL文本的形式提交给用户。 因此它不包含任何物理实现信息，因此，IP软核与制造过程无关。

用户购买IP软核后，可以综合正确的门级设计网表并进行后续的结构设计，具有很大的灵活性。 借助EDA综合工具，用户可以轻松地与其他IP软核和自行设计的电路部分集成，并根据各种半导体工艺设计出不同性能的芯片。

2、IP实核：其设计水平介于IP软核和IP硬核之间。 除了完成IP软核的全部设计外，还完成门级电路综合、时序仿真等设计环节。 一般以门级电路网表的形式提供给用户。

3、IP硬核：在电路设计的最后阶段提供掩膜级的电路模块。 它以最终确定的布局和布线网表的形式提供给用户。 IP硬核不仅具有结果的可预测性，还可以针对特定工艺或特定IP提供商优化功耗和尺寸。 因此，三类IP核是不同设计阶段电路功能模块设计的产物，如图5所示。

图5. 在电路功能模块设计的不同阶段，可以使用不同类型的IP核。 经过仔细的评估和选择，用户从IP厂商购买IP核后开始设计自己的芯片。 如上所述，复杂的芯片一般由外购的IP核和用户自行设计的电路部分组成。 芯片设计过程包括三个阶段：行为层、结构层和物理层。 行为和结构设计阶段的工作一般称为前端设计，物理层设计阶段的工作一般称为后端设计。 图6的原理图显示了在不同设计阶段将不同类型的IP核添加到整体芯片设计中。

图6.三种类型的IP核在芯片设计的不同阶段融入到设计中，形成一个整体。 三类IP核各有优缺点，用户根据自己的实际需求进行选择。 下面简单总结一下这三种IP核的优缺点。

IP软核：以综合源代码的形式交付给用户。 其优点是源代码灵活，可以在功能层面进行重新配置，可以灵活选择目标制造工艺。 灵活性高，可移植性强，允许用户自行配置。 缺点是电路功能模块的可预测性较差，后续设计存在出错的可能，存在一定的设计风险。 而IP软核的知识产权保护难度更大。

IP实核：其灵活性和成功率介于IP软核和IP硬核之间，属于折衷型。 与IP软核相比，IP实核的设计灵活性稍低，但可靠性大大提高。 目前IP固核是IP核的主流形式之一。

IP硬核：其最大的优势是保证速度、功耗等性能达到预期的效果。 但IP硬核与制造工艺相关，难以转移到新工艺或集成到新结构中吉祥物，并且无法重新配置。 IP硬核不可修改的特点使其难以复用，因此只能用于一些特定的应用，使用范围相对较窄。 但IP硬核的知识产权保护是最方便的。

IP核最典型的例子是ARM的各种类型的CPU IP核。 许多IP供应商提供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，品种繁多。

如果按照大类分类，大致可以分为处理器和微控制器IP、存储器IP、外设和接口IP、模拟和混合电路IP、通信IP、图像和媒体IP等。

一些全球最大的 EDA 供应商也是 IP 供应商。 例如，美国Synopsys公司可以提供数千个各种类型的IP。 涵盖逻辑库、嵌入式存储器、模拟库、有线和无线接口、安全、嵌入式处理器和子系统（Subsystems）等IP方面。

4、IP开发与应用

从图4和图5可以看出，IP核开发与芯片设计流程类似，都需要紧跟芯片技术发展趋势，不断积累芯片设计技术，了解芯片发展节奏制造技术。 不同的是，芯片设计公司的商业模式是设计出完整的芯片并将其推向市场，通过芯片销售实现利润。 然而IP开发者并不设计完整的芯片，他们只设计芯片的一些功能模块，并追求这些功能模块（IP核）设计的优化芯片ip设计是什么意思，实现IP核在多种复用场合的适应性，D. IP开发商寻求这些IP能够被多家芯片设计公司购买和采用，并实现IP销售的利润。

但IP开发的技术难度和要求非常高，不是任何芯片设计公司都能做到的。 这主要体现在，第一，IP的完整性要求。 IP核作为芯片设计的一个组成部分，可以类比为软件设计的组成部分（中间件）。 小的缺陷可以隐藏在软件组件中，集成的系统软件在投入实际应用时可以通过打补丁和升级的方式不断完善。 但IP核必须非常完美，没有任何缺陷。 因为IP核的任何一个小缺陷都可能影响整个复杂芯片设计的成败，影响整个耗资数百万甚至上亿元的芯片研发的投入和产出。

因此，复杂IP核的价格极其昂贵，从几十万元到上百万元不等。 为了便于推广，IP厂商一般采用前期收取IP授权费（IP License）+后期根据芯片出货量计算的特许权使用费（Royalty）的商业模式，以减少用户的研发投入。 其次是IP的多参数要求，包括工艺节点、电源、功耗、性能等，这些都要求IP开发人员非常熟悉芯片设计、制造工艺和行业应用。 第三是用户对IP提供商信誉的要求，包括公司的技术实力、影响力和稳定性。 用户很难接受规模小且不稳定的IP厂商提供的IP，即使这些IP很便宜甚至免费。 用户更愿意购买知名、大型IP厂商提供的价格较高的IP，因为这样的IP有质量和后续服务的保证。

2000年以来，在国家发展18号文件和8个国家级IC设计产业化基地的推动下，国内IC设计企业异军突起卡通形象，发展迅速。 这些公司大多是中小型IC设计公司。 得益于IP开发和IP复用技术，这些中小型IC设计公司可以根据市场需求及时开发出各种功能的片上系统（SOC）和人工智能（AI）。 AI）芯片、物联网（IoT）芯片等。这些推动了国内IC设计产业的快速发展，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复用技术为我国当前芯片产业的快速发展奠定了基础。

后记：IP在芯片行业也称为IP核。 IP核是指芯片内成熟设计的具有独立功能的电路模块。 在电路模块设计的三个不同阶段，可以获得不同类型的IP核，分别称为IP软核、IP实核和IP硬核。 从软化到固化，再到硬化，IP核的可配置性和灵活性变小，但完整性提高，复用风险降低。 芯片设计公司从IP厂商采购IP核，通过IP复用可以快速设计出功能复杂的芯片，可以节省设计时间，提高芯片设计的成功率。 IP的发展和IP复用技术极大地推动了芯片设计行业的快速发展。