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  • 2022-03-19 20:46:34

    一、IP核的概念

              IP核,全称知识产权核(英語:Semiconductor intellectual property core),是在集成电路的可重用设计方法学中,指某一方提供的、形式为逻辑单元、芯片设计的可重用模組。

            IP 核可以授权给另一方,也可以由一方拥有和使用。 该术语来自设计中存在的专利或源代码版权的许可。 专用集成电路和现场可编程门阵列逻辑系统的设计人员可以使用 IP 核作为构建块。

            随着芯片复杂度提升,不同芯片模块形成不同组合应用于不同的终端应用场景,又将形成新的 IP 核。计算机基于冯诺依曼架构,由运算、控制、存储、输入、输出五大功能模块组成。芯片内部底层功能按照上述模块化划分包括数学运算 IP(浮点、整数、逻辑运算等)、存储器 IP(LPM、ROM、RAM、FIFO、FLASH 等)、数字信号处理 IP(FIR、CIC、NCO、FFT 等)、数字通信 IP(编译器、编码器等)、视频和图像处理 IP(接口、滤波器、混合器、采样器等)、输入/输出 IP(时钟控制、锁相环、收发器等),接口 IP(ASI,以太网 IP,PCI 编译器等),调试 IP 核等等。

            IP 内核产品的广度令人震惊。它包括处理器、DSP、通信、接口、内存、音频、视频、控制和安全 IP,范围广泛,从简单的设备(如计数器)一直到复杂的设备(如 32 位定制软处理器)。

    二、IP核的分类

            IP 核按照固化程度划分,可以分为软核、固核与硬核三类。

            (1)IP软核是用 Verilog/VHDL等硬件描述语言描述的功能块,如逻辑描述,它不涉及具体电路元件,不包含任何物理实现信息。沿用 Excel 的类比,IP 软核即为该图表模板的底层开发代码。

            (2)IP 固核是以电路元件实现的功能模块。因为有一定的功耗约束、温度条件等,用户能够设置IP软核中的相应参数,将其转换成用逻辑门和触发器达成的电路,也就是在约束条件下何种电路能够产生最优效果,形成部分关键路径的预先布局布线,其他部分仍然可以由编译器进行优化处理,通常以门级电路网表的形式提供给客户。IP 固核可以看作是将底层代码中图表设置为柱形图(也可以选择其他多个参数,部分固定),并生成相应简单模板。

            (3)IP 硬核与制造工艺相关(例如 CMOS 工艺),完成了布局布线,提供电路设计的最终阶段产品—掩膜,进而进行光刻,生产芯片颗粒。IP硬核的灵活性虽然不高,但也能够针对特定工艺或特定 IP 供应商进行功耗和尺寸的优化。简单的理解IP硬核就是IP 硬核就是完全设定好的某一Excel图表模板,能够重复使用,能实现特定功能。

    三、IP核主要厂商

            2020年全球前十IP厂商分别是ARM、Synopsys、Cadence、lmagination Technologies、Ceva、SST、Verisilicon、Alphawave、eMemory Tech、Rambus。

            这些厂商大多主要是出售IP核,但是并不自己做芯片。就那ARM来看,ARM不是单片机,准确来讲ARM是一种处理器的IP核。ARM公司开发出处理器结构后,开始向其他芯片厂商授权制造,芯片厂商可以根据自己的需要进行结构与功能的调整,因此实际中使用的ARM处理器有很多种类,主要有三星、飞利浦、ATMEL、Intel制造的几大类,功能与使用上均不相同。

    四、未来可能的趋势

            跨行业对基于物联网的解决方案的需求不断增加,以及汽车行业消费电子产品的新兴集成,为自动驾驶汽车制造先进的传感器,为半导体 IP 市场参与者在未来几年的增长提供了潜在机会。

            根据类型,半导体 IP 市场分为处理器 SIP、接口 SIP、物理 SIP、模拟 SIP 等。处理器 SIP 细分市场在 2020 年占据了最大的市场份额。该 IP 构成了所有电子设备的核心,并在制造笔记本电脑、平板电脑、智能手机、可穿戴设备、网络设备、嵌入式智能以及更多消费电子设备中得到应用。

    五、市场动态

           2022 年 3 月:OneNav已宣布其 pureL5 GNSS 数字 IP 内核的商业可用性。pureL5 数字 IP 核的架构使其能够直接获取和跟踪来自 GPS、Galileo、北斗、QZSS 和 GLONASS 的 L5 信号,而无需任何 L1 辅助。这消除了整个 L1 射频链,节省了印刷电路板上的空间,并简化了智能手机、可穿戴设备和跟踪器中的射频前端和天线子系统。

            2022 年 1 月:CEVA 推出 Fortrix SecureD2D IP 解决方案。通过此次发布,该公司旨在实现异构片上系统内各种小芯片之间的安全数据交换。

            2021 年 12 月:Rambus 与半导体领域视觉技术的领导者 NextChip 合作。在此次合作下,NextChip 将利用 RT-640 信任根和 Rambus 的 MACsec-IP-160 协议引擎为其先进的 Apache6 汽车处理器提供硬件级安全性。

            2021 年 11 月:芯原推出专为人工智能应用设计的神经网络处理器 IP。通过此次发布,该公司旨在建立一个全面的人工智能生态系统,提供开源标准和机器学习框架支持。

            2021 年 11 月:Synopsys 与韩国跨国电子公司三星建立合作伙伴关系。此次合作旨在以改进的工艺技术完成最先进的高性能设计,这是利用 Synopsys 人工智能 (AI) 开发的各种产品中的最新产品。

            2021 年 11 月:莱迪思半导体完成了对软件公司 Mirametrix 的收购。此次收购旨在将 Mirametrix 的卓越性能与莱迪思的创新软件和硬件解决方案相结合,以提供从硬件到应用层的端到端人工智能和计算机解决方案。

            2021 年 8 月:Cadence Design Systems 与高价值模拟半导体解决方案的领先代工厂 Tower Semiconductor 合作。该合作伙伴关系旨在利用 Cadence Virtuoso 设计平台和 RF 解决方案推出经过硅验证的 SP4T RF SOI 开关参考设计流程。

            2021 年 7 月:芯原推出 Vivante DC9000,这是一款适用于多种应用的高质量显示处理器 IP。通过此次发布,该公司旨在通过其高度优化、高质量和高精度的低功耗显示处理特性来满足客户的需求。

            2021 年 6 月:Rambus 完成了对半导体知识产权许可人和开发商 PLDA 的收购。此次收购将扩大 Rambus 的数字控制器产品组合,增加 PCIe 5.0、CXL 2.0 和 PCIe 6.0 控制器和交换机 IP。此外,此次收购将为 Rambus 提供其 CXL 内存互连计划的关键构建块。

            2021 年 5 月:CEVA 收购了位于马萨诸塞州的领先芯片设计公司 Intrinsix。通过此次收购,两家公司旨在整合 Intrinsix 广泛的芯片设计能力和 IP,以及 CEVA 领先的无线连接和智能传感 IP,以推出一个完整的统包 IP 平台,消除 OEM、IT 公司和一级供应商的进入壁垒,考虑到他们在 5G 基础设施、医疗、航空航天和国防、汽车、机器人和工业物联网 (IIOT) 等垂直行业开发尖端芯片。

            2021 年 2 月:芯原与多标准连接 IP 解决方案的领导者 Alphawave IP 签署了一项多年独家订阅经销商协议。通过该协议,芯原将转售 Alphawave 的独家 IP,用于其在中国市场的整个 IP 组合。

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  • 一 集成电路与IP核技术

    千次阅读 2019-06-14 13:59:04
    一 集成电路与IP核技术 1.1 什么是IP核 IP(Intellectual Property),直译为知识产权。在集成电路(IC,Integrated Circuit)设计中,IP核是指已验证的、可以重复使用的具有某种确切功能的集成电路设计模块。例如...

    一 集成电路与IP核技术

    1.1 什么是IP核

    IP(Intellectual Property),直译为知识产权。在集成电路(IC,Integrated Circuit)设计中,IP核是指已验证的、可以重复使用的具有某种确切功能的集成电路设计模块。例如Intel的处理器技术、Nvidia的GPU技术、TI的DSP技术、Motorola的嵌入式MCU技术、Trident的Graphics技术等。

    这些模块是具有性能高、功耗低、技术密集度高、知识产权集中、商业价值昂贵等特点,并且是集成电路设计产业的最关键产业要素和竞争力体现。

    集成电路是整个信息产业的“芯”,而IP又是这个“芯”的“核”,这就是所谓的IP核。

     

    https://timgsa.baidu.com/timg?image&quality=80&size=b9999_10000&sec=1488297936&di=5daad1921b0571962c64b3fb3e20f82c&imgtype=jpg&er=1&src=http%3A%2F%2Fwww.ofweek.com%2FUpload%2FNews%2F2013-11%2FDav%2F07%2Fb07.jpg

    图1 集成电路芯片中的众多IP核

     

    IP核,分为软IP (soft IP core )、固IP (firm IP core)和硬IP (hard IP core )。软IP是用某种高级语言来描述功能块的行为,但是并不涉及用什么电路和电路元件实现这些行为。固IP除了完成软IP所有的设计外,还完成了门电路级综合和时序仿真等设计环节,一般以门电路级网表形式提交用户使用。硬IP则是完成了综合的功能块,已有固定的拓扑布局和具体工艺,并己经经过工艺验证,具有可保证的性能。设计深度愈深,后续工序所需要做的事情就越少,但是灵活性也就越小。

    从20世纪90年代至今,IC设计能力正在发生一次质的飞跃,即由ASIC(Application Specific Integrated Circuit,是一种为专门目的而设计的集成电路)设计方法向SoC(System on Chip,芯片级系统,也称片上系统)设计方法转变。SoC设计方法使IC设计开始进一步分工细化,出现了IP设计和SoC系统设计。在近些年全球IC市场低迷的情况下,IP核是不多的亮点之一。其实可以把IP核理解为一颗ASIC,以前是ASIC做好以后供人家在PCB(Printed Circuit Board, 印制电路板)上使用,现在是IP做好以后让人家集成在更大的芯片里。芯片性能越来越强,规模越来越大,开发周期越来越长,设计质量越来越难于控制,芯片设计成本越来越趋于高昂。根植于软件业面向设计模式的IP技术被认为是最有前途的方案,以解决当今芯片设计工业界所面临的难题。

    1.2 我国集成电路行业发展概况

    在各方利好的大环境下,近年来,我国集成电路行业呈现良好的发展态势。

    http://www.csia.net.cn/UpLoadFiles/Article/2016-3/2016031013551194023.jpg

    图2 2011-2015年中国集成电路产业销售额 单位:亿元

    资料来源:CSIA

     

    2015年全球半导体企业并购风起云涌,2015年全球半导体并购交易总额达到了1200亿美元,比2014年全球半导体企业并购交易总额的380亿美元增长了3.2倍。受到国内“中国2025制造”、“互联网+”等新世纪发展战略的带动,以及外资企业加大在华投资影响,2015年中国集成电路产业保持高速增长。根据中国半导体行业协会统计,2015年中国集成电路产业销售额为3609.8亿元,同比增长19.7%。美国半导体协会(SIA)日前公布,全球半导体产业在2016年营收已来到3389亿美元,创下有史以来最高年营收纪录,相较2015年则微幅增加1.1%,其中以中国大陆市场的增幅最大,以9.2%领跑其它市场。

    2016年我国集成电路产业主要有四大特点:

    第一,产业规模继续增长,但进出口受经济下行压力影响较大。2016 年,中国人实现了里程碑跨越。2016年8月14日,中国半导体协会发布统计,大陆IC设计产值上季已超越台湾,上半年合计人民币685.5亿元,年增 24.6%,反超台湾,对台湾IC设计业威胁加深。

    第二,技术水平和企业实力同步提升。在人才、资本、市场规模的持续积累和冲击下,例如中国的海思、展讯入围设计业10强,突破了14纳米技术壁垒,还在积极向10纳米发起冲击。

    第三,国际合作持续推进,重点产品布局初步成型。《国家集成电路产业发展推进纲要》发布以来,海外龙头企业不断调整与我国合作策略,逐步由独资经营向技术授权、战略投资、先进产能转移、合资经营等方式转变,国际先进技术、资金加速向国内转移。

    第四,国家基金对地方性基金撬动作用进一步凸显,适应产业规律的投融资环境基本建立。今年以来,国内陆续新增多支地方性集成电路产业投资基金,总规模已超过500亿元。

    1.3 缺“芯”少“核”

    IP核作为集成电路设计中最为重要的一部分,随着行业的迅猛发展及其日趋扩大的市场需求,IP核的市场也在稳步扩大,国内企业对IP核的数量、质量和服务的需求都在不断增加。

    中国是全球最大的半导体市场之一,但是相对应的中国集成电路IP市场还不到全球市场的10%,仍属于起步阶段。

    1.3.1 IP核的来源

    IP核技术的自身特点决定了其主要有以下的几个来源:

    来源一:芯片设计公司的自身积累。传统IDM(垂直整合制造)公司或Fabless(无晶圆)设计公司在多年的芯片设计中往往有自身的技术专长,这些技术成功地开发了系列芯片,并在产品系列发展过程中确立了设计重用的原则,一些成功设计成果的可重用部分经多次验证和完善形成了IP。这些IP往往是硬核,如果这类硬核作为可提供给其他芯片设计公司使用的IP,就成了商品化的IP。

    来源二:Foundry厂的积累。Foundry厂商是没有自身芯片产品的芯片代加工厂,但Foundry厂商为了吸引更多的芯片设计公司投片,往往设立后端设计队伍,来配合后端设计能力较弱的芯片设计公司开展布局布线工作。这支设计队伍也积累了一定的芯片设计经验,并积累了少量的IP(主要是Memory、EEPROM和Flash Memory等),这些IP可以被需要集成或愿意在该Foundry流片的公司采用。此外,IP专职供应商与主要的Foundry厂商有长期的合作关系,经过投片验证的IP可由Foundry厂向用户提供,IP专职供应商从中提取一定利润。

    来源三:专业IP公司。这是20世纪90年代中期兴起的,迎接SoC时代到来的设计公司。这类公司的特点是已经认识到将自身多年积累的IP资源转化成商品的商业价值,因此,它们不仅提供已经成熟的IP,同时针对当前的技术热点、难点开发芯片设计市场急需的IP核。

    来源四:EDA(Electronic Design Automation,电子设计自动化)厂商。主要的EDA厂商为了提供更适合SoC设计的平台,在其工具中集成了各类IP核以方便用户的 IP嵌入设计,这些IP核基本是以软核形式出现。EDA厂商也并不直接设计开发IP核,而是与一些提供IP软核的设计公司合作,提供一种集成IP核的设计环境。

    来源五:设计服务公司。芯片设计服务公司是目前能立即向国内IC设计公司提供IP硬核的最主要途径,除了自身积累的IP外,通过与IP专业供应商的战略合作关系向国内用户提供各类 IP。芯片设计服务公司是与用户直接打交道的,它们了解市场需求的IP类型,其IP资源库中积累的往往是最实用的IP。

    1.3.2 国内IP核市场现状

    根据对国内IC设计公司的调查,主要的IP应用领域集中在以下几个范围:数字音视频、移动通信和无线通信、汽车电子、信息家电、信息安全和3C融合。根据CSIP(工业和信息化部软件与集成电路促进中心)的IP需求调查,IP交易领域主要集中在三个方面:一是开发难度较大和应用复杂的高端CPU和DSP;二是标准的接口IP(例如USB接口、PCI Express等);三是模拟IP(如PLL,ADC等)。这三类IP需求占到总需求的一半多。而其他的交易类型如标准的内存模块,以及一些面向特殊应用的IP,则占据国内需求的三分之一。

    图3 国内IP主要交易领域

     

    2012年,CSIP对随机抽取的样本企业的IP核采购金额进行调查,包括基本授权费(License Fee)和基于版税(Royalty)的。综合考虑样本企业的研发投入、销售额、产品类型,预计出当年国内IP核市场规模约为10.7亿元。其中,约40%是嵌入式CPU的License和Royalty,另外两类需求比较大的是高速串行接口和模拟混合信号IP核。

    2012年的调查表明,大部分国内设计企业积累的IP核数量在10个以下,与2011年的调查结果较为接近。同时,拥有20个以上IP核的企业只有12%,没有IP核的企业约占13%。

    图4 我国IC设计企业的IP核数量 数据来源:CSIP,2012.11

     

    同时,国内IC设计公司购买IP核的支出相当高。在有效样本中,近半数企业采购IP核的支出占项目总预算的比例在20%以下。值得注意的是,38.7%的企业的IP核采购支出占预算的比例在20%-40%。与2011年的调查数据相比,总体情况是相当接近的。变化比较大的是未使用IP核、采购比例超过40%的情况。未使用第三方IP核的比例占到近10%,主要是设计模拟类产品的公司,大量投入购买IP核的比例由18.4%降至3.2%。

    图5 国IC设计企业的IP核支出占项目预算的比例 数据来源:CSIP,2012.11

     

    近四年来,尽管我国的集成电路产业取得了蓬勃的发展,但是由于IP核技术需要一定时间和能力的积累,我国无论是IC设计企业还是生产制造企业还是EDA厂家,都没能实现IP核技术的快速增长积累和发展。

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  • C语言核心技术

    千次下载 热门讨论 2011-10-07 11:20:00
    C语言经典之作,深刻详细的讲解了C语言的内容,是扫掉盲区的得力工具!
  • 在芯片行业,人们经常用到IP这个词,例如IP开发、IP交易、IP复用、IP厂商、IP...他们也许以为是说IP卡,也或者以为是互联网技术中所说的IP地址,其实都不是。本文就专门科普一下,说说芯片行业中IP到底是个什么东西。


    日常·唠嗑

          不知不觉距离上一篇零基础学FPGA(三):国产芯片短板—FPGA(为什么选择FPGA)文章已经过去4个月了,期间有各种各样的事,导致一直没时间来更新这个系列的文章。第五届集创赛华南赛区决赛也结束了,距离国赛还有一个月,也算是过几天清闲的日子。从刚入门集成电路就一直迷惑到底什么是IP?看到公众号一篇文章还不错,就梳理一下知识。

    前言

          在芯片行业,人们经常用到IP这个词,例如IP开发、IP交易、IP复用、IP厂商、IP提供商等。行外人对此词可能觉得不明觉厉,不知所云。他们也许以为是说IP卡,也或者以为是互联网技术中所说的IP地址,其实都不是。本文就专门科普一下,说说芯片行业中IP到底是个什么东西。

    一、IP是什么?

           “IC、IP、IQ卡,通通告诉我密码!”是电影《天下无贼》中范伟的一句经典台词。现实中没有IQ卡,只有IC卡和IP卡。IC卡是指集成电路卡,也叫做芯片卡,例如银行卡,电信卡、交通卡和社保卡等都是用芯片卡实现的。IP卡是一种运用了TCP/IP协议的网络电话卡,IP卡早已被淘汰不用了。但是,TCP/IP协议作为互联网通信的底层技术一直被使用,所以IP、IP地址等词汇还经常可以听到。这是第一种IP,它是互联网领域的技术词汇,专指IP协议或者IP地址。

           第二种IP是一个法律词汇,它是知识产权(Intellectual Property)的英文简称。 现代社会中,许多国家都十分重视知识产权保护。芯片行业是一个高度智力密集、资金密集的行业,因此该行业中知识产权的保护则显得更加重要。芯片行业中的知识产权可称为硅知识产权(Silicon Intellectual Property),简称SIP。SIP的保护形式主要包括专利权保护(Patent Protection)和集成电路布图保护(IC Layout Protection)。

           本文要介绍第三种IP,它既是一个技术词汇,也是一种东西,是一种商品。 它凝聚了芯片设计者的智慧,具有商品和知识产权的属性,可以被推广、销售和应用。因此,芯片行业有IP开发、IP交易、IP复用等科技和商业活动,也有一些企业被冠以IP厂商、IP提供商的称谓。

    二、芯片行业的IP是指什么?

          芯片行业中所说的IP,一般也称为IP核。IP核是指芯片中具有独立功能的电路模块的成熟设计。该电路模块设计可以应用在包含该电路模块的其他芯片设计项目中,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凝聚着设计者的智慧,体现了设计者的知识产权,因此,芯片行业就用IP核(Intellectual Property Core)来表示这种电路模块的成熟设计。IP核也可以理解为芯片设计的中间构件。

          一般说来,一个复杂的芯片是由芯片设计者自主设计的电路部分和多个外购的IP核连接构成的。如图2所示,要设计这样结构的一款芯片,设计公司可以外购芯片中所有的IP核(不同颜色模块),仅设计芯片中自己有创意的、自主设计的部分(用绿色表示),并把各部分连接起来。
    在这里插入图片描述
          图2.自主设计部分和多个IP核集成在一起,形成复杂芯片的设计
          图2的芯片设计过程就像图3的系统电路板开发过程一样,是用已有的、成熟的IP核(或者芯片)进行布局、摆放和信号连接的过程,这种过程可以称为对IP核(或者芯片)的复用。 不同的是,系统电路板上除了芯片和连接线之外,系统开发者很少自主开发自己的芯片。而在芯片设计过程中,芯片上除了采用外购的IP核之外,一般说来,芯片设计者还要设计一部分自己的电路,并完成各部分之间的信号连线,最后还要对整个芯片的功能、性能进行制造前的反复检查和验证。
    在这里插入图片描述
          图3.由IP核搭建复杂芯片,与用芯片搭建完整的系统电路板类似
          如果以上介绍还显得太过专业,还可以用拼图画来对芯片设计打比方,可以把图2所示的芯片抽象地理解成图4所示的拼图画。芯片中外购的不同功能的IP核用不同色的图块表示,自主设计的电路部分用绿色图块表示,复杂芯片的设计过程就像要拼好这幅图画一样。所相同的是,用现有的图块(IP核)拼接美丽图画(复杂芯片)。所不同的是,拼图画只要考虑图块的形状,而芯片设计要考量IP核的许多参数和指标,并要把各个IP核和自主设计部分正确连接,保证整个芯片的功能和性能正确无误。

    在这里插入图片描述
          图4.IP核使复杂芯片的设计变得较容易,IP复用类似于“拼图”
          IP核被其他芯片设计公司采用,行业内称为IP复用。 专门设计相对独立电路功能模块,目的是推广给其他芯片设计公司进行复用,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,或者IP提供商。IP厂商把IP销售给芯片设计公司是一种IP交易行为。

    三、IP的由来和作用

    IP的由来要从早期的芯片设计过程讲起。早期芯片的集成规模有限,设计复杂度不高,芯片上所有的电路都是由芯片设计者自主完成。设计水平不高、能力有限的芯片公司只能设计规模小的简单的芯片。设计水平高、能力强的芯片公司才可以设计规模大、功能复杂的芯片。这个时期,不论芯片规模大还是小,芯片从“头”到“脚”都是由芯片公司自己设计的。早期的高端芯片基本上都是由为数不多的大型国际芯片公司把持。

    随着现代信息社会对芯片要求提升,芯片的规模呈指数性增加,复杂性急剧增大。中小型芯片公司要独立完成一款复杂芯片设计几乎变得不太可能。特别是20世纪80年代末,芯片行业出现了晶圆代工(Foundry)商业模式,大批的中小微芯片设计公司(Fabless)应运而生。这个时期,芯片设计行业急需解决小芯片公司无法设计大芯片的难题。

    解决这一难题的启发思路很多。例如:搭积木和拼图画玩具;由标准件设计大型机器;由软件子程序(或者中间件)调用设计大型软件;用芯片搭建大型电子系统等。思路都是重复使用预先设计好的成熟的构件来搭建更复杂的系统,省掉对构件内部问题的考虑,化繁为简;重复使用构件,减少重复劳动,节省时间;重复使用构件,提高整个复杂系统搭建的成功率。

    芯片设计行业中的IP核开发和IP复用,就是在这些思路启发下形成的。IP核就类似于上述的构件。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核这种构件,大的复杂的芯片设计就变得较容易、周期短、易成功。

    IP的作用主要有四个方面,一是使芯片设计化繁为简,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;三是使系统整机企业可以设计自己的芯片,提升自主创新能力和整机系统的自主知识产权含量;四是使芯片设计行业摆脱传统IDM模式,成为产业链上独立的行业,促进了芯片设计业迅猛发展。

    目前,许多中小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,会外购许多IP核来完成自己的芯片设计项目。业界的IP开发商、IP提供商数量不断增加,也变得越来越专业。各种功能、各种类型的IP核不断涌现。IP交易活动也日趋普遍,交易金额也越来越大。

    四、IP的种类和举例(软核、固核、硬核)

          IP核有行为(Behavior)级、结构(Structure)级和物理(Physical)级三个层次的分类,对应着三个种类型的IP核,它们是由硬件描述语言设计的软核(Soft IP Core)、完成结构描述的固核(Firm IP Core) 和基于物理描述并经过工艺验证的硬核(Hard IP Core)。

          1.软核: 它是用硬件描述语言(HDL)设计的独立功能的电路模块。从芯片设计程度来看,它只经过了RTL级设计优化和功能验证,通常是以HDL文本形式提交给用户。所以它不包含任何物理实现信息,因此,IP软核与制造工艺无关。软核相当于软件编程的库,比如Python调用一个四舍五入round(num,n) 函数一样。FPGA设计中也可以调用一个四舍五入的IP,这样就不用自己写代码了。

          用户购买了IP软核后,可以综合出正确的门电路级设计网表,并可以进行后续的结构设计,具有很大的灵活性。借助于EDA综合工具,用户可以很容易与其它IP软核,以及自主设计的电路部分合成一体,并根据各种不同半导体工艺,设计成具有不同性能的芯片。

          2.固核: 它的设计程度介于IP软核和IP硬核之间,它除了完成IP软核所有的设计外,还完成了门级电路综合和时序仿真等设计环节。一般地,它以门级电路网表的形式提供给用户。

          3.硬核: 它提供了电路设计最后阶段掩模级的电路模块。它以最终完成的布局布线网表形式提供给用户。IP硬核既具有结果的可预见性,也可以针对特定工艺或特定IP提供商进行功耗和尺寸的优化。

          所以,三种类型的IP核是电路功能模块设计在不同设计阶段的产物,如图5所示。
    在这里插入图片描述
           图5.在电路功能模块设计的不同阶段,可得到不同类型的IP核
           用户经过精心评测和选择,购买了IP厂商的IP核后,开始设计自己的芯片。前文讲过,一个复杂芯片一般由购买的IP核和用户自主设计的电路部分组成。芯片设计过程包括了行为级、结构级和物理级三个阶段。行为级和结构级设计阶段的工作一般称为前端设计物理级设计阶段的工作一般称为后端设计。图6的示意图说明,不同类型的IP核是在不同的设计阶段中加入到整个芯片设计中去。
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           三种类型的IP核各有优缺点,用户会根据自己的实际需要来选择。以下是三种IP核的优缺点简要总结。

           软核: 它以综合源代码的形式交付给用户,其优点是源代码灵活,在功能一级可以重新配置,可以灵活选择目标制造工艺。灵活性高、可移植性强,允许用户自配置。其缺点是对电路功能模块的预测性较差,在后续设计中存在发生错误的可能性,有一定的设计风险。并且IP软核的知识产权保护难度较大。(如:调用一个PLL的IP核,你通过修改代码参数可以实现不同频率的倍频)

           固核: 它的灵活性和成功率介于IP软核和IP硬核之间,是一种折中的类型。和IP软核相比,IP固核的设计灵活性稍差,但在可靠性上有较大提高。目前,IP固核是IP核的主流形式之一。

           硬核: 它的最大优点是确保性能,如速度、功耗等达到预期效果。然而,IP硬核与制造工艺相关,难以转移到新的工艺或者集成到新的结构中去,是不可以重新配置的。IP硬核不许修改的特点使其复用有一定的困难,因此只能用于某些特定应用,使用范围较窄。但IP硬核的知识产权保护最为方便。

           IP核的举例,最典型有ARM公司的各种类型的CPU IP核。许多IP供应商提供的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,五花八门,品种十分繁多。

           如果按大类分,大体上可分为处理器和微控制器类IP、存储器类IP、外设及接口类IP、模拟和混合电路类IP、通信类IP、图像和媒体类IP等。

           全球大的EDA供应商中,有些也是IP供应商。例如美国新思科技(Synopsys)可提供上千种各类IP。涵盖逻辑电路(Logic Libraries)、嵌入式存储器(Embedded Memories)、模拟电路(Analog Libraries)、有线和无线通信接口(Wired and Wireless Interface)、安全(Security)、嵌入式处理器(Embedded Processors) 和子系统(Subsystems)等方面的IP。

    五、IP的开发和应用

           从图4、图5可以看出,IP核开发与芯片设计过程比较相似,都需要紧跟芯片技术的发展趋势,不断积累芯片设计技术,了解芯片制造工艺发展步伐。所不同的是,芯片设计公司的商业模式是设计完整的芯片,并推向市场,实现芯片销售利润。而IP开发商不设计完整的芯片,他们只设计芯片局部的某些功能模块,追求这些功能模块(IP核)的设计是最优化的,并要实现IP核在多种复用场合的适应性、便利化。IP开发商谋求这些IP可以被众多芯片设计公司购买采用,并实现IP的销售利润。

           但是,IP开发的技术难度和要求很高,并不是任何芯片设计公司想为即可为的事情。这主要体现在,一是IP的完备性要求。IP核作为芯片设计的构件,可以与软件设计的构件(中间件)作比较。软件构件中可以隐藏小瑕疵,集成后的系统软件还可以在投入实际应用时,通过打补丁升级的方式不断完善。但IP核必须非常完善,一点瑕疵都不能有。因为,IP核的任何小瑕疵都有可能影响到整个复杂芯片设计的成败,影响到花费了数百万元甚至上亿元整个芯片研发的投入产出。因此,复杂IP核的售价极为昂贵,从数十万元到上百万元不等。为了便于推广,IP厂商一般采用收取前期IP许可费(IP License)+后期按芯片出货量计算的版权费(Royalty)的商业模式,以降低用户的研发投入。二是IP的多参数需求,包括工艺节点、电源、功耗、性能等。这些都要求IP开发者对芯片设计、制造工艺和行业应用等非常熟悉。三是用户对IP提供商的信誉度要求,包括公司技术实力、影响力和稳定度等。用户很难接受一家规模较小,发展不稳定的IP厂商提供的IP,哪怕这些IP很便宜,甚至免费。用户宁愿购买著名的、大的IP厂商提供的较贵的IP,因为这样的IP才有质量保障和后续服务的保障。

           2000年以来,在国发18号文件和八个国家级IC设计产业化基地的促进下,国内IC设计企业如雨后春笋般涌现,并得到快速发展。这些企业大部分是中小微IC设计企业,得益于IP开发和IP复用技术,这些中小IC设计企业都可以根据市场需要,及时开发出各种功能的系统级芯片(SOC)、人工智能(AI)芯片、物联网(IoT)芯片等。这些推动了国内IC设计业的高速发展,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复用技术成就了我国目前芯片产业的快速发展基础。

    总结

           芯片行业中所说的IP,也称为IP核。IP核是指芯片中具有独立功能的电路模块的成熟设计。在电路模块设计的三个不同阶段,可以得到的不同类型的IP核,分别称为IP软核、IP固核和IP硬核。由软化到固化,再到硬化,IP核的可配置性和灵活性变小,但完善性提高,复用风险性降低。芯片设计公司购买IP厂商的IP核,通过IP复用可以快速设计出功能复杂的芯片,可以节约设计时间,提高芯片设计成功率。IP开发和IP复用技术大大促进了芯片设计业的快速发展。

    参考资料:
    1.电子百科词库:IP核,科通芯城:https://www.cogobuy.com/wiki-3064.shtml
    2.oLinXi1234567,什么是IP核?,CSDN博客:https://blog.csdn.net/oLinXi1234567/article/details/40682869,2014.11.1
    3.长弓的坚持,FPGA的IP软核、硬核以及固核,CSDN博客:https://blog.csdn.net/wordwarwordwar/article/details/53415523,2016.11.30
    4.liwliwliw,集成电路与IP核技术,CSDN博客:https://blog.csdn.net/liwliwliw/article/details/91969797,2019.6.14
    5.公众号:芯语录【芯论语】科普:芯片行业所说的IP是个什么东西?作者:天高云淡Andi863

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  • 你知道什么函数吗

    千次阅读 多人点赞 2020-03-03 11:04:52
    一、常用函数: 1.线性函数 : 线性函数(Linear Kernel)是多项式函数的特例,优点是简洁,缺点是对线性不可分数据集没有解决办法。主要用于线性可分的情况,我们可以看到特征空间到输入空间的维度是一样...


    核函数K(kernel function)就是指K(x, y) = <f(x), f(y)>,其中x和y是n维的输入值,f(·) 是从n维到m维的映射(通常,m>>n)。<x, y>是x和y的内积(inner product)(也称点积(dot product))。

    一、常用核函数:

    1.线性核函数 :
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    线性核函数(Linear Kernel)是多项式核函数的特例,优点是简洁,缺点是对线性不可分数据集没有解决办法。主要用于线性可分的情况,我们可以看到特征空间到输入空间的维度是一样的,其参数少速度快,对于线性可分数据,其分类效果很理想,因此我们通常首先尝试用线性核函数来做分类,看看效果如何,如果不行再尝试其他的。

    2.多项式核函数:
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    多项式核函数(Polynomial Kernel)可以实现将低维的输入空间映射到高纬的特征空间,但是多项式核函数的参数多,当多项式的阶数比较高的时候,核矩阵的元素值将趋于无穷大或者无穷小,计算复杂度会大到无法计算。

    3.高斯核函数(RBF)
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    高斯核函数(Gaussian Kernel)也叫径向基核函数(Radial Basis Function),是一种局部性强的核函数,该函数的形状为钟形曲线,参数\sigma控制曲线的宽度(胖瘦)。可以把输入特征向量扩展到无限维度的空间里。高斯核函数计算出来的值永远在0到1之间。其可以将一个样本映射到一个更高维的空间内,该核函数是应用最广的一个,无论大样本还是小样本都有比较好的性能,而且其相对于多项式核函数参数要少,因此大多数情况下在不知道用什么核函数的时候,优先使用高斯核函数。

    4.sigmoid核函数
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    sigmoid核函数(Sigmoid Kernel),支持向量机实现的就是一种多层神经网络。

    5.拉普拉斯核函数(Laplacian Kernel)
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    6.二次有理核函数(Rational Quadratic Kernel)

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    7.幂指数核函数(Exponential Kernel)

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    8.ANOVA核函数(ANOVA Kernel)
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    9.多元二次核函数(Multiquadric Kernel)
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    10.逆多元二次核函数(Inverse Multiquadric Kernel)
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    二、核函数特点:

     1)核函数的引入避免了“维数灾难”,大大减小了计算量。而输入空间的维数n对核函数矩阵无影响,因此,核函数方法可以有效处理高维输入。
     2)无需知道非线性变换函数Φ的形式和参数.
     3)核函数的形式和参数的变化会隐式地改变从输入空间到特征空间的映射,进而对特征空间的性质产生影响,最终改变各种核函数方法的性能。
     4)核函数方法可以和不同的算法相结合,形成多种不同的基于核函数技术的方法,且这两部分的设计可以单独进行,并可以为不同的应用选择不同的核函数和算法。
    

    三、选择核函数的方法:

    • 如果特征的数量大到和样本数量差不多,则选用LR或者线性核的SVM;
    • 如果特征的数量小,样本的数量正常,则选用SVM+高斯核函数;
    • 如果特征的数量小,而样本的数量很大,则需要手工添加一些特征从而变成第一种情况。

    在选用核函数的时候,如果我们对我们的数据有一定的先验知识,就利用先验来选择符合数据分布的核函数;如果不知道的话,通常使用交叉验证的方法,来试用不同的核函数,误差最下的即为效果最好的核函数,或者也可以将多个核函数结合起来,形成混合核函数。

    四、核函数方法实施步骤:

    核函数方法是一种模块化(Modularity)方法,它可分为核函数设计和算法设计两个部分,具体为:

    1)收集和整理样本,并进行标准化;
    2)选择或构造核函数;
    3)用核函数将样本变换成为核函数矩阵,这一步相当于将输入数据通过非线性函数映射到高维特征空间;
    4)在特征空间对核函数矩阵实施各种线性算法;
    5)得到输入空间中的非线性模型。
    显然,将样本数据核化成核函数矩阵是核函数方法中的关键。注意到核函数矩阵是l×l的对称矩阵,其中l为样本数。
    

    五、核函数在模式识别中的应用:

    1)新方法。主要用在基于结构风险最小化(Structural Risk Minimization,SRM)的SVM中。
    2)传统方法改造。如核主元分析(kernel PCA)、核主元回归(kernel PCR)、核部分最小二乘法(kernel PLS)、核Fisher判别分析(Kernel Fisher Discriminator, KFD)、核独立主元分析(Kernel Independent Component Analysis,KICA)等,这些方法在模式识别等不同领域的应用中都表现了很好的性能。

    六、核函数方法原理:

    根据模式识别理论,低维空间线性不可分的模式通过非线性映射到高维特征空间则可能实现线性可分,但是如果直接采用这种技术在高维空间进行分类或回归,则存在确定非线性映射函数的形式和参数、特征空间维数等问题,而最大的障碍则是在高维特征空间运算时存在的“维数灾难”。采用核函数技术可以有效地解决这样问题。
    设x,z∈X,X属于R(n)空间,非线性函数Φ实现输入间X到特征空间F的映射,其中F属于R(m),n<<m。根据核函数技术有:

    K(x,z) =<Φ(x),Φ(z) >                (1)
    其中:<, >为内积,K(x,z)为核函数。从式(1)可以看出,核函数将m维高维空间的内积运算转化为n维低维输入空间的核函数计算,从而巧妙地解决了在高维特征空间中计算的“维数灾难”等问题,从而为在高维特征空间解决复杂的分类或回归问题奠定了理论基础。
    
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多核技术是什么