芯原股份:集成电路产业升级催生轻设计模式

12月10日-12月11日，中国集成电路设计业2020年会暨重庆集成电路产业创新发展高峰论坛在重庆举行。芯原股份创始人、董事长兼总裁戴伟民发表主题为“芯火燎原，科创未来”的演讲。

戴伟民表示，集成电路产业进入轻设计模式。半导体产业发展到今天，每一个新的模式出现都与历史背景和工业情况有关。全球半导体产业的三次转移，从军工主导的美国开始，到日韩的家电IDM形式，再到中国台湾的代工王朝，现在到更碎片化的中国大陆，这都是有原因的。

近年来，随着半导体工艺的不断下探，芯片上晶体管数量增长的速度不断超越人们的想象，并支撑了手机芯片性能的不断升级。

在16nm工艺下，苹果手机芯片的晶体管数目为33亿个，在7nm工艺下为69亿个，在5nm工艺时预计达100亿个。单位面积下晶体管数量的快速上升促使晶体管的单位成本快速下降 ，苹果公司芯片每晶体管的生产成本在16nm工艺下为4.98美元/10亿个晶体管，在7nm工艺下仅为2.65美元/10亿个晶体管。

与晶体管成本走势恰好相反，芯片设计的成本正逐年攀升。戴伟民指出，以工艺制程处于主流应用时期的设计成本为例，工艺节点为28nm时，单颗芯片设计成本约为0.41亿美元，而工艺节点为 7nm时，设计成本则快速升至约2.22亿美元。其中早期使用和成熟期使用的成本相差一倍以上，但成熟期的使用成本仍非常昂贵。

“三十年前，行业的固定成本（CaPex）问题在台积电主导的晶圆代工模式下迎刃而解。如今，行业面临的营业成本（OPex）问题，正是芯原致力于解决的难题。”戴伟民进一步指出，“企业不需要把所有的IP大包大揽，只需要专注在核心的关键技术上。而一些通用的IP则可以交给芯原这样的芯片设计服务公司。

“产业升级催生轻设计模式。”

戴伟民介绍，芯原目前拥有5大数字IP，包括GPU IP、NPU IP、VPU IP、DSP IP和ISP IP；共计 1400多个数模混合IP和射频IP ，全球范围内拥有有效发明专利128项、商标74项；在中国境内登记集成电路布图设计专有权132项、软件著作权12项以及丰富的技术秘密储备。

整体来看，尽管芯原IP销售的“量”不是最多的，但“种类”已经极为丰富，这完美的契合了芯粒（Chiplet）这种异构集成的IP复用模式。

戴伟民认为，先进工艺中只有22nm、12nm和5nm这三个工艺节点是“长命节点”，其他中间节点的“寿命”都比较短。而且，并非每种芯片都需要5nm这样的尖端工艺，因为不是每一家公司都能负担起5nm工艺的成本，于是Chiplet这种将不同工艺节点的die混封的新形态是未来芯片的重要趋势之一。

据Omdia数据显示，全球Chiplet处理器芯片市场规模预计到2024年达58亿美元，而到2035年将是570亿美元。

Chiplet源于Marvell创始人周秀文 （Sehat Sutardja）博士在ISSCC 2015上提出MoChi（Modular Chip，模块化芯片）架构的概念。MoChi是许多应用的基准架构，包括物联网、智能电视、智能手机、服务器、笔记本电脑、存储设备等。

但目前的Chiplet由AMD领跑。AMD以实现性能、功耗和成本的平衡为目标，推行Chiplet设计，并提出performance/W 和performance/$ 衡量标准。Chiplet具有成本效应，但其造价随着核数的下降而变缓，因此可能有一个价格的均衡点来判断是否采用Chiplet。

戴伟民在演讲中还特别强调了，封装和接口对于Chiplet的重要性。台积电的CoWoS技术和英特尔的Foveros 3D立体封装技术都为Chiplet的发展奠定了基础，目前已有的Chiplet封装技术包括Organic Substrates、Passive Interposer （2.5D） 以及Silicon Bridges。另外还可以通过有源中介层集成很多有源器件，包括模拟电路、IO接口、各种接口的物理层、可扩展的片上网络等。

为了让IP更具象、更灵活的被应用在Chiplet里面，芯原提出了IP as a Chip（IaaC）的理念，旨在以Chiplet实现特殊功能IP从软到硬的“即插即用” ，解决7nm、5nm及以下工艺中性能与成本的平衡，并降低较大规模芯片的设计时间和风险。

目前，芯原的5nm项目已经取得初步成果，5nm FinFET芯片的设计研发已经开始，芯片设计中NPU IP的逻辑综合已完成，初步仿真结果符合期望目标。

“Chiplet带来新的产业机会，”戴伟民总结道。芯片设计环节能够降低大规模芯片设计的门槛；半导体IP授权商能升级为Chiplet供应商，提升IP的价值且有效降低芯片客户的设计成本；芯片制造与封装环节能够增设多芯片模块（Multi-Chip Module，MCM）业务，Chiplet迭代周期远低于ASIC，可提升晶圆厂和封装厂的产线利用率；标准与生态环节，则能够建立起新的可互操作的组件、互连、协议和软件生态系统。
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