1 Chiplet破局后摩尔时代，开辟IP与芯片设计服务市场新机遇 作者：CIC灼识咨询 随着智能汽车、数据中心等集成电路终端应用场景的逐步丰富，传统标准化通用芯片开始难以满足多元化应用场景带来的碎片化需求。芯片设计公司、IDM厂商，以及系统厂商为降低成本、打造差异化产品，愈加倾向于与外部半导体IP提供商及芯片设计服务提供商合作。在此背景下，全球半导体IP及芯片设计服务市场有望迎来快速发展。此外，Chiplet灵活的“模块化”设计思维将推动IP硬核芯片化，进一步拓展半导体IP及芯片设计服务市场空间。 本期文章将主要从市场规模、竞争格局等方面介绍全球半导体IP、芯片设计服务以及Chiplet市场。 1、集成电路产业“轻设计”模式 20世纪70年代至80年代，集成电路产业主要模式为IDM模式（垂直整合制造模式），IDM厂商将集成电路设计、晶圆制造、以及封装和测试职能在公司内部一体化完成。20世纪80至90年代，Fabless模式（无晶圆厂商）开始发展。Fabless厂商只负责芯片设计，将生产、测试、封装等环节外包给第三方公司。 伴随着21世纪第三次产业转移，集成电路产业不断升级，芯片设计成本、风险和难度不断攀升，集成电路产业链分工日趋细化，“轻设计”产业模式由此诞生。为了减少运营支出，芯片设计公司专注于提升核心环节，如芯片定义、芯片架构、软件/算法，以及市场营销等；同时，将芯片前端与后端设计、量产管理等全部或部分交与第三方提供商——如半导体IP提供商及芯片设计服务提供商，进行实现。 2 资料来源：CIC灼识咨询 2、全球半导体IP及芯片设计服务市场分析 在“轻设计”趋势推动下，半导体IP及芯片设计服务在产业链的重要性越发凸显。半导体IP提供商及芯片设计服务提供商能够发挥自身在芯片设计领域的丰富经验和技术储备，为芯片设计企业、IDM、终端系统厂商等众多客户群体提供服务，为其降低芯片设计风险并缩短研发周期。 全球半导体IP及芯片设计服务市场规模已由2017年的66亿美元，迅速增长至2021年的155亿美元，期间年复合增长率达23.9%。在下游需求释放、设计服务委外比例提升、设计服务范围由硬件拓展至软件等趋势的驱动下，全球半导体IP及芯片设计服务市场规模将保持快速增长，预计2026年市场规模达426亿美元，2021年至2026年年复合增长率达22.4%。 3 资料来源：CIC灼识咨询 3、全球半导体IP及芯片设计服务市场竞争概览 半导体IP市场因较高技术门槛，全球市场集中度较高，2021年CR10超80%。其中，行业龙头英国ARM占据超40%的全球市场份额。排名第二、第三的美国公司Synopsys与Cadence分别占据约20%与6%的全球市场份额。全球前十半导体IP提供商中仅芯原为中国大陆公司。芯原2021年排名全球第七，2022年上半年排名上升至第六。 资料来源：CIC灼识咨询 4 半导体IP种类较多，包括GPU（图形处理器）、NPU（神经网络处理器）、VPU（视频处理单元）、DSP（数字信号处理）等。不同的半导体IP对技术要求不同，对提供商的专业化程度提出较高要求，所以各细分IP市场涌现不同头部企业。以下为部分细分IP市场全球排名（根据2021年IP收入统计）： · 全球GPU IP（包含ISP IP）排名前三：ARM、Imagination Technologies、芯原 · 全球NPU IP排名前三：芯原、ARM、Synopsys · 全球VPU IP排名前三：芯原、ARM、Chips&Media · 全球DSP IP排名前三：Cadence、Ceva、芯原 IP储备的丰富度也为评价半导体IP提供商实力的关键指标。丰富的IP储备意味着能够为客户提供更加多样化的产品矩阵，满足不同客户的差异化需求。2021年，从半导体IP种类的齐备角度，芯原与ARM在全球前七名半导体IP提供商中排名前二。 资料来源：CIC灼识咨询 5 全球芯片设计服务市场相对分散，2021年CR10约34.0%。2021年，全球前十芯片设计服务提供商中仅芯原为中国大陆公司，排名全球第六。 资料来源：CIC灼识咨询 4、Chiplet市场概览 进入后摩尔时代，Chiplet技术受到广泛关注。Chiplet能够有效解决纳米工艺物理极限所带来的限制。同时，Chiplet技术也将进一步拓展半导体IP及芯片设计服务市场空间。 Chiplet技术是将原本一块复杂的SoC芯片，从设计时就先按照不同的计算单元或功能单元对其进行分解，再将每个单元选择最适合的半导体制程工艺进行分别制造，通过先进封装技术将各个单元彼此互联，最终集成封装为一个系统级芯片组的技术。 Chiplet技术特征包括IP芯片化、集成异构化、集成异质化、I/O增量化。 6 ·IP芯片化：以往设计SoC系统级芯片，可通过采购不同IP，结合自研模块，进行集成。在Chiplet模式中，对于部分 IP，芯片设计公司无需自行设计与生产，只需采购已成型的裸die，再进行集成，形成一个SiP。所以 Chiplet可看作硅片级别的IP重用。 ·集成异构化：传统SoC架构无法实现异构化集成，而Chiplet技术可对采用不同工艺、不同功能、不同制造商制造的组件进行封装。例如可将7nm、14nm、28nm、40nm的Chiplet通过异构集成技术封装在一起。 ·集成异质化：传统SoC架构无法实现异质化集成，而Chiplet技术可将不同的半导体材料封装在一起，融合各材料的优质性能。例如，磷化铟（InP）具备高增益和高功率的特点，能提供最大频率为1THz的晶体管，适用于超高速混合信号电路。而氮化镓（GaN）具有出色的击穿能力、更高的电子密度和电子速度以及更高的工作温度，适用于微波射频、电力电子和光电子领域。 ·I/O增量化：传统封装设计中，I/O数量通常控制在几百或数千个。但Chiplet设计将大芯片切割成多块小裸die，其间的互联数量急剧增大，I/O数量可多达几十万个。这在传统封装设计中是难以想象的。I/O的增量化有助于实现裸die间高带宽、低延迟的通信。I/O数量的急剧增大，也对Chiplet设计提出更高要求。 资料来源：CIC灼识咨询 7 5、Chiplet为“后摩尔时代”半导体技术发展的最优解 相比于传统SoC，Chiplet在研发设计成本、良率、设计灵活性、异构计算等方面具有明显优势： Chiplet可大幅降低芯片研发设计成本：一颗SoC通常包含不同的计算单元，同时也有SRAM、各种I/O接口、模拟或数模混合元件，其中逻辑计算单元通常依赖于先进制程提升性能，而先进制程工艺对如I/O等模拟电路带来的性能回报较低，也即性价比较低，且所耗研发周期较长。因此，将SoC进行Chiplet化之后，不同的Chiplet可以根据需要分别进行设计，使设计成本大幅降低，并大幅简化芯片设计的复杂度。同时，Chiplet芯片通常集成应用较为广泛和成熟的裸die，也可有效降低Chiplet设计下芯片的研制风险，从而减少重新流片及封装的次数，有效节省成本。 Chiplet可提升产品良率：Chiplet设计将需要制造的大芯片拆分成更小的芯片分别制造。由于晶圆的缺陷率是恒定值，芯片面积越小，良率越高，所以Chiplet可有效改善良率。 Chiplet可提升芯片设计灵活性，加速迭代周期：传统SoC方案采用统一的工艺制程，导致SoC芯片上各部分需要同步进行迭代。而Chiplet设计可对芯片上的部分单元进行选择性迭代，迭代部分裸die后即可制作出下一代产品，加速产品上市周期。 Chiplet可满足对高性能计算、异构计算需求：随着大数据、人工智能等技术的快速发展，数据呈海量性、多样性趋势，对异构计算、高性能计算、云计算、边缘计算、人工智能计算的需求急剧增长。Chiplet可满足不同应用领域的共性需求。 例如，平板电脑应用处理器，自动驾驶域处理器，数据中心应用处理器这三个应用领域，都为异构计算、高性能计算的典型应用领域，除CPU外， 8 对GPU、NPU、DSP等相关Chiplet都有很大的需求。Chiplet也可极大地降低设计成本的同时可加速产品迭代。 6、Chiplet市场规模 2021年，全球Chiplet市场规模为29亿美元，预计2026年市场规模可达193亿美元，年复合增长率可达45.7%。Chiplet在高算力、高性能、异构计算芯片场景上将先行落地，如智能汽车、数据中心、平板电脑等。 注：图表中市场规模测算及预测主要考虑Chiplet已落地与即将落地的场景，如智能驾驶、数据中心、高性能计算、PC/平板等 注：图表中市场规模测算及预测主要考虑半导体IP提供商、芯片设计服务提供商、芯片设计公司等企业于高性能Chiplet相关的收入 资料来源：CIC灼识咨询 Chiplet技术的出现将为半导体IP及芯片设计服务市场带来变革。Chiplet为硬核形式的IP复用，可大幅提升半导体IP模块的经济性与复用性。传统模式下，芯片设计公司购买不同IP，结合自研模块，集成为一个SoC。Chiplet模式下，芯片设计公司可直接采购基于不同IP制造的裸die，进行集成封装。 9 Chiplet可以将不同功能的IP，如存储器、接口和CPU，灵活选择不同提供商的各种工艺分别进行生产，将有利于芯片设计公司灵活进行低成本的开发和实现产品快速迭代。Chiplet技术的发展为半导体IP提供商及芯片设计服务提供商，尤其是同时具备出色芯片设计能力与丰富半导体IP储备的厂商的商业模式带来变革，这类厂商由提供IP向提供Chiplet转变，进一步拓展市场空间。