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  • 半导体IP

    千次阅读 2020-03-01 11:06:19
    IP 核(Intellectual Property Core,知识产权核)是指在半导体集成电路设计中那些可以重复使用的、具有自主知识产权功能的设计模块,设计公司无需对芯片每个细节进行设计,通过购买成熟可靠的IP方案,实现某个特定...

    1. 简介

    IP 核(Intellectual Property Core,知识产权核)是指在半导体集成电路设计中那些可以重复使用的、具有自主知识产权功能的设计模块,设计公司无需对芯片每个细节进行设计,通过购买成熟可靠的IP方案,实现某个特定功能,这种类似搭积木的开发模式,缩短了芯片开发的时间,提升了芯片的性能。

     

    IP核通常已经通过了设计验证,设计人员以IP核为基础进行设计,可以缩短设计所需的周期。IP核可以通过协议由一方提供给另一方,或由一方独自占有。IP核的概念源于产品设计的专利证书和源代码的版权等。设计人员能够以IP核为基础进行专用集成电路或现场可编程逻辑门阵列的逻辑设计,以减少设计周期。

     

    2. 形式

    IP核分为软核、硬核和固核。软核通常是与工艺无关、具有寄存器传输级硬件描述语言描述的设计代码,可以进行后续设计,即RTL代码;硬核是前者通过逻辑综合、布局、布线之后的一系列表征文件,具有特定的工艺形式、物理实现方式,即版图;固核则通常介于上面两者之间,它已经通过功能验证、时序分析等过程,设计人员可以以逻辑门级网表的形式获取,即网表。

     

    IP 核有三种不同的存在形式:HDL 语言形式,网表形式、版图形式,分别对应我们常说的三类 IP 内核:软核、固核和硬核。

    1)软核是用 VHDL 等硬件描述语言描述的功能块,并不涉及用什么具体电路元件实现这些功能,优点是设计周期短,设计投入少,布局和布线灵活,缺点是一定程度上使后续工序无法适应整体设计,性能上也不可能获得全面的优化,软核通常以加密形式提供,实际的 RTL 对用户不可见。

    2)固核对软核进行了参数化,用户可通过头文件或图形用户接口(GUI)方便地对参数进行操作,由于内核的建立(setup)、保持时间和握手信号都可能是固定的,因此其它电路的设计时都必须考虑与该内核进行正确地接口。

    3)硬核提供设计阶段最终阶段产品——掩膜,以经过完全的布局布线的网表形式提供,同时还可以针对特定工艺或购买商进行功耗和尺寸上的优化,尽管硬核由于缺乏灵活性而可移植性差,但由于无须提供寄存器转移级(RTL)文件,因而更易于实现 IP 保护。

     

    3. 分类

    半导体IP市场按照设计IP的不同可分为处理器IP、接口IP、存储器IP三大主要市场。

     

    4. 主要厂商

    全球半导体IP生态系统的主要参与者,包括ARM Holdings(英国),synopsys(美国),Cadence(美国),Imagination Technologies(英国),Lattice Semiconductor(美国),CEVA(美国),Rambus(美国),Mentor Graphics(美国),eMemory(台湾)和Sonics(美国)。

     

     

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    ip 只指设计好bai的可以移植到别的芯片中du的模块(可以是电路或者是版图)。zhi
    在集成电路的可重用dao设计方法学中,IP核,全称知识产权核(英语:intellectual property core),是指某一方提供的、形式为逻辑单元、芯片设计的可重用模块。IP核通常已经通过了设计验证,设计人员以IP核为基础进行设计,可以缩短设计所需的周期。[1]IP核可以通过协议由一方提供给另一方,或由一方独自占有。IP核的概念源于产品设计的专利证书和源代码的版权等。设计人员能够以IP核为基础进行专用集成电路或现场可编程逻辑门阵列的逻辑设计,以减少设计周期。
    IP核分为软核、硬核和固核。软核通常是与工艺无关、具有寄存器传输级硬件描述语言描述的设计代码,可以进行后续设计;硬核是前者通过逻辑综合、布局、布线之后的一系列工艺文件,具有特定的工艺形式、物理实现方式;固核则通常介于上面两者之间,它已经通过功能验证、时序分析等过程,设计人员可以以逻辑门级网表的形式获取。

     

    IP核(Intellectual Property core)是一段具bai有特定电路功能的硬件描述du语言程序,该程序与zhi集成电路工艺无关,可以dao移植到不同的半导体工艺中去生产集成电路芯片。IP内核可以在不同的硬件描述级实现,由此产生了三类IP内核:软核、固核和硬核。

     

    IP就是某个设计好的模块,IP vendor会把IP卖给芯片设计厂商。不同vendor可能会以不同形式交付这个模块,有的只交rtl代码,有的会连着一些后端文件一起交付以方便芯片设计公司做物理实现。

    一般来说,稍大一点的SoC芯片都会包括很多第三方IP,有些IP甚至一两家vendor垄断了,比如USB PHY或者PCIe MAC,

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    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。
    在这里插入图片描述
           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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