隨著半導體製程技術的精進、晶片複雜度的增加,以及產品生命週期縮短,導致IC設計能力跟不上製造能力,因而促成IP時代的來臨,帶給半導體產業十分重大的變革。
SIP(Silicon Intellectual Property)可直譯為「矽智財」或「矽智產」,有時則按實際含意稱之為「元件功能組塊」。這些經過事先定義、驗證,而且可以重複使用的功能組塊,就如同「七巧板」或「樂高積木」,可以堆疊出變化紛呈的晶片世界。若從實際操作使用的觀點來看,IP則是一種幫助IC設計工程師加速實現特定功能的軟體。
採用IP的優點
在什麼情況下,設計晶片時需要採用IP呢?根據工研院電子所ITIS計畫指出,在產品「有產業標準,產品基本架構已定」、「需搶上市時間」、「價格迅速滑落,需要整合晶片以降低成本」、「市場需求量大」、「對輕巧省電的需求高」時,適合採用IP。簡而言之,採用IP具有「更快」、「更好」,以及「更省」的優點。
更快:加速完成設計
由於製程微細化,目前IC設計日趨複雜,要在可以容忍的時間內完成數萬個Gate,對人腦或甚至設計自動化設備而言都相當困難,因此要將某些功能模組化,在需要的時候取出原設計重複使用,讓設計過程更有效率、更快完成晶片的設計。
更好:確保設計品質
同時,一個經由多次重複使用及驗證的IP,再次使用的成功率通常可以達到99%,相對於第一次設計的電路90%的首次成功率,似乎相差不大,但是如果一個系統晶片之中使用了9個IP,按照可靠度的乘數效果,首次成功率仍有91%((0.99)9 =0.91),然而對於同樣規模第一次設計的電路,其首次成功率將僅剩下39%((0.9)9 =0.39),由此可見重複使用驗證過的IP可以提高系統單晶片設計的首次成功率。雖然為了達到較高的可靠度及再使用率,設計IP時需要付出1.5至2倍的時間,但第二次重複使用時,只需0.1至0.3倍的時間。
更省:降低設計成本
而在成本的節省方面,根據研究報導指出,設計重複使用將可以在三年內減少50%的晶片開發成本,在六年內甚至可以減少超過70%的成本。這樣的趨勢不但可以提升設計效能的表現,對於設計時間、成本皆可降低,這些經濟效益直接影響產品在市場上的成功與否。除此之外,使用第三者所開發的IP來做成系統晶片,另一個明顯的好處是可以藉此跨入原本並不擅長的專業領域,提升產品的附加價值,並縮短產品開發時程。
IP的分類
由於IP產品眾多,舉凡晶片設計中所需的邏輯、記憶體、類比線路或測試等功能,都可以自成一完整的功能模組來使用或銷售;為了清楚介紹IP的各種特性,產業界及研究單位經常依照IP功能的差異化、型態,對製程技術的依存度、產出的形式等不同構面做分類。以下我們將對各種分類方式做一簡單的介紹。
依差異化程度分
近來報上常見關於國內某些公司提供「Star IP」的報導,此即依照IP及EDA產業專業研究機構Collett提出的「依IP差異化程度」而做的分類。由於以差異化程度區分,可以直接對應到IP提供者的經營策略及訂價模式,因此是目前產業界及新聞報導中廣泛使用的分類方式。
「Foundation IP」是與製程相關的功能區塊,主要包括Standard Cells、Gate Array Macros、I/O Pads、Analog Cells、Compiled Memory、Datapath、Arithmetic Functions,以及與現有晶片功能相同的相容區塊,如UART、FDC等。這些以Standard Cell為主的IP是最早被重複使用的功能方塊,近年來IP產業興起,也把這類的功能方塊當做IP的一種。這些IP多由ASIC和FPGA公司提供,且與製程密切相關,有時製造廠會免費、或以極低的價格提供這類Foundation IP,藉以獲得製造方面的訂單,並提高客戶轉換代工廠的障礙。
「Standard-based IP」指的是依據工業標準做成的IP,這類型的IP每隔一段時間就會隨著當時的產業發展而出現搶手貨,例如1997-1998年當紅的PCI、IEEE1394,以及1999年熱門的USB等。依據工業標準做成的IP又可分為功能性的標準,以及連接(interconnect)的標準,前者如MPEG、JPEG、CRC、Ethernet等,後者則如PCI、AGP、USB、IEEE1394、IrDA、SCSI等。由於這些依據工業標準做成的IP應用量相當大,「搶鮮上市」的壓力也大,因此許多系統業者或零組件業者會以金錢換取時間,向IP供應商購買這些IP,加速晶片設計的時效。
由於這一類的IP產品生命週期短、且標準人人皆可取得,進入障礙較低,因此經營此類IP的公司應具備快速實現(implement)該IP的能力,還需要擁有對於該標準的應用領域的專業知識,提供客戶相關的諮詢顧問服務,以利於在眾多的競爭者中有所區隔。這些標準IP本身的價值難以持久,因此這些顧問和售後服務才是以標準IP為業的公司核心競爭力所在。
「Unique IP」是指具獨特架構的IP,也就是一般所稱的「明星級IP」(Star IP),主要產品包括微處理器、DSP等高附加價值的IP;這一類的IP產品價格最高,也最不易貶值。提供Unique IP的公司除了應當具備該IP的專業能力之外,還要提供客戶完整的售後服務支援;此外,製程的驗證、設計工具的配合等,都是必要條件。因此,成功的IP公司所需的資源及時間投入,將遠高於一般新設立的公司,雖然報酬率較高,但回收的時間也顯著較長。
依據IP的型態分類
由於IP可以在設計流程中不同的階段幫助IC設計者,故依照IP在設計流程中的對應位置區分,又可分為Soft IP、Firm IP與Hard IP等三種型態,這是IP最早的分類方式。這三種IP型式和電腦程式有著相似的對應,Soft IP是VHDL / Verilog code,就如同C或Fortran這類高階程式;Firm IP是Net list,可比喻為編經過編譯的組合語言(Assembly Language);Hard IP則是GDSII,就像是最終電腦執行的機械碼(Machine Code)。
依IP的功能區分
除了以上常見的分法,IP還可以依照其功能區分為記憶體IP、微控制器IP、類比線路IP,以及其他邏輯線路IP等。記憶體包括SRAM、DRAM、FLASH等,由於設計系統單晶片時,記憶體是不可或缺的重要元件,因此內嵌式記憶體(Embedded Memory)也是主要的記憶體IP產品之一。微控制器IP是應用最廣的一類,除了常見的明星微處理器之外,還有不勝枚舉的數位訊號處理器、驅動IC、控制IC、產業標準相關的IP、微控制器等。類比線路IP主要是A/D及D/A轉換器、PLL(Phase Lock Loop)等,由於類比IC本身的設計難度相當高,有能力提供類比IP的公司也非常有限。此外,由於類比IP對製程的依存度高,因此幾乎都是以Hard IP的形式存在。
依技術的依存度分
IP依其技術依存度,又可區分為「與製程緊密相關的IP」及「與設計緊密相關的IP」兩類;前者包含內嵌式DRAM、Flash、A/D、D/A、類比IP、cell library等,這些IP最需要和代工廠或晶圓製造廠的製程結合,做進一步測試以確定其可用性。在型態上,這些都屬於Hard IP。而後者包括2D、3D繪圖IP、Ethernet core網路IP、MPEG2,MPEG4等多媒體IP、USB、IEEE1394、PCI等連接或界面、DVD等,這類純粹邏輯設計的IP可以用各種模擬工具偵測其功能的可用性,所以與設計的關係最密切,也多半以Soft IP的型態存在。
依產出的方式分
依照產出的方式,又可區分為「PLD-based IP」、「ASIC」及「ASIC與PLD」混合兩類。雖然以PLD(Programmable Logic Device)做出的系統單晶片設計不如ASIC那麼精簡,體積因而較大,但PLD的使用者較多,PLD又允許使用者將差異化的程式寫入,加上PLD繞線相當迅速,省去光罩、製程等費用和時間成本,因此有業者直接把IP寫入PLD中,再加上自行寫入的程式,快速完成一個SOC設計。目前以PLD形式出現的IP多半應用在DSL、ATM、VoIP、DSP、PCI等方面。ASIC則在用量大、要求體積小的行動電話、cable modem、IP switching、Sonet/SDH等領域較常見。
ASIC與PLD混合的SOC則是新興的產品區隔,未來可能成為SOC最主要的產出形式,Dataquest將其命名為ASPP(Application-specific Programmable Product)。ASPP是預先製造完成的ASIC晶片,其中90%左右的體積是SIP,另外佔10%體積的約15萬個gate是PLD,晶片設計者可以將差異化的程式,或是短期之內會有所變動的規格寫入PLD中,達成快速出貨、產品體積小、成本低且兼顧差異化的優點。除此之外,在晶片整合、偵錯上也省去很多困擾,所需要的EDA工具也不那麼複雜昂貴。