2022年芯片设计行业发展现状分析.docx

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1、2022年芯片设计行业发展现状分析IP 核（Intellectual Property）是具有知识产权核的集成电路芯核的总称，是芯片设计 环节中逐步分离出来的经过反复验证过的、具有特定功能的、可以重复使用的、包含特 定核心元素的（指令集、功能描述、代码等）集成电路设计宏模块（逻辑或功能单元）， 可以理解为部分可重复使用的“芯片设计模块”，如 AHB、APB、以太网、SPI、USB、 UART 内核等，其作用就是在芯片设计环节中降低冗余设计成本，降低错误发生的风险， 提高芯片设计效率。采用 IP 授权方式设计和开发芯片有如下优点：1、 经过验证的优质 IP 模块，具有高性能、功耗低、可复用、可规

2、模化、成本适中的特 点，可作为独立设计成果被交换、转让和销售；2、 使用 IP 模块可以让芯片设计厂商基于现成的“模块”开发芯片，避免了重复劳动， 有利于芯片设计厂商将精力聚焦到提升核心竞争力的研发中。IP 核模块分为软核（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）。芯片设计公司可以根据自身需求，向 IP 供应商采购不同的 IP 核，如可采购软核进行自定义整合设计，也可以直接采购具备电 路布局的硬核实现更快速的芯片设计定型与量产。由于 IP 核本身是知识产权固化后的产品，研发完成后维护、折旧成本较低

3、，产品推出 后可产生长达数十年的现金流贡献，产品生命力极强。以 ARM 的 IP 核授权商业模式为 例，其收入来源是授权费(License Fee)和版税(Royalty)的结合。设计公司首先通过支付 IP 技术授权费来获得在设计中集成该 IP 并在芯片设计完成后销售含有该 IP 的芯片的 权利，而一旦芯片设计完成并销售后，设计公司还需根据芯片销售平均价格(ASP)按一 定比例支付版税给 ARM。据 ARM 估算，其 IP 产品研发周期约为 23 年，产品打磨和 优化阶段约为 34 年，在推向市场后开始贡献授权费和版税费，当产品进入成熟期后可 贡献长达 25 年的版税收入。图：ARM 1994

4、2010 年间推出产品仍在持续贡献收入在智能终端创新升级加速的阶段，快速的芯片设计并推出产品是抢占市场的重要手段， IP 核心让研发团队仅须整合预先制作的功能区块，进行符合芯片功能定义的线路和指 令构建，即能迅速开发大型的系统单芯片设计，大幅度缩短芯片设计周期、提高复杂芯 片设计的成功率，还能使规模较小的公司也具备设计大型芯片的能力。目前，IP 核已经 变成系统设计的基本单元，如 Intel 的 CPU 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，IP 核在芯片设计行业 中的重要性不断提

5、升。1.摩尔定律持续演进，芯片设计复杂化推动 IP 重要性提升IP 核的诞生本身来源于芯片设计不断复杂化下对重复设计的再利用以提高设计效率， 因此随着摩尔定律的持续演进，芯片单位面积可容纳晶体管数量不断增多，芯片设计难 度水涨船高，IP 核在芯片设计过程中的重要性也在不断增强。根据 IBS 报告，以 80mm 面积的芯片裸片为例，在 16nm 工艺节点下，单裸片可容纳的晶体管数量为 21.12 亿个； 在 7nm 工艺节点下，晶体管数量为 69.68 亿个，晶体管数量增长高达 230%，这也意味 着同样面积下芯片设计复杂度也大幅提升，无论是芯片设计的人员、时间还是投入都显 著增加。同样据 IB

6、S，以先进工艺节点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。可容纳晶体管数量大幅提升意味着芯片电路设计难度的不断加大，依靠芯片设计团队完 成所有新增功能模块电路设计的经济性持续降低，高成本、高风险的设计投入使芯片设 计公司在研发先进工艺节点的芯片产品时，需要有大规模的产销量支撑来平摊设计成本， 而为降低设计风险和成本，芯片设计公司越来越多地寻求使用经过验证的半导体 IP，IP 核复用性在效率和成本上的优势不断增强。据 IBS，以 28nm 工艺节点为例，单颗芯片 中已可集

7、成的 IP 数量为 87 个；而当工艺节点演进至 7nm 时，可集成的 IP 数量达到 178 个。而若比较早期应用和成熟应用阶段芯片设计成本，以 5nm 为例成熟时期随着 IP 核的快速增加和设计流程的优化，芯片设计成本从早期近 5 亿美元大幅下降至 2.51 亿美元。一方面是日益复杂地芯片设计对 IP的依赖度不断提高，另一方面不断扩大的芯片品类、 定制化需求、持续增加的芯片用量同样是 IP 核需求增长的重要来源。随着社会电气化、 智能化水平的不断提高，全社会电子系统、电子终端用量持续扩大，带动整个半导体市 场保持扩容趋势，如 PC、智能手机的诞生与兴盛带来了海量的芯片需求智能手机 中有 C

8、PU、存储芯片、电源管理芯片、闪存芯片、无线局域网芯片等数十种各类型芯片，芯片的用量和品类都在不断增加。此外，芯片迭代速度不断加快，移动终端对低功耗、 高节能的要求更高，芯片设计的时间、功能、成本的要求也在不断提升。未来，继个人 PC、智能手机后半导体产业将在物联网、云计算、人工智能和大数据等 新应用的兴起下逐步进入下一个发展机遇期。根据 IBS 报告，这些应用需求的增长将驱 动半导体市场在 2030 年有望达到 10,527.20 亿美元的规模，20192030 年均复合增长 率达 9.17，市场容量不断扩大，芯片的品类、数量和更迭速度要求持续提升，IP 行业 将得到进一步的发展。据 IC

9、Insight，预计 2021 年全球芯片出货量将达 11,353 亿颗， 同比增长达 13.36%。图：全球半导体市场在 AIoT 等多种需求带动下，IP 市场从过去主要围绕 CPU IP 构建逐步向多样化持续发 展，低功耗、高传输速度、小面积等指标重要性不断增强，非 CPU 的多种 IP 进入新的 发展区间，百花齐放的时代来临。随着全球产业发展，处理器 IP 仍将占据最大市场份 额，但随着各种接口、GPU、数模、存储 IP 技术的不断成熟，未来非 CPU 的多种 IP 份额将会持续提升，如新一代高速接口 IP：PCIe（PCI express）4.0（2017；5.0，2019）、 USB

10、 3.2（2017）、DDR/LPDDR 5（2017）、HBM 2（高带宽存储器 high bandwidth memory，HBM；V2/V3，2016）、SATA rev3、HDMI 2.1、MIPI DSI/DPI、Bluetooth 5 （2016）和 Ethernet（400 Gbps，2018）等接口标准的新版本 IP 正在不断涌现。在 AI、IoT、新能源车及自动驾驶等多种需求驱动下，叠加芯片设计难度的不断提升、 集成度的持续增加、先进封装技术的快速导入，全球半导体 IP 市场预计到 2030 年达 140.24 亿美元，而 2019 年为 50.16 亿美元，复合年增长率为

11、10.97%。2.多年深耕积累深厚 IP 库，芯原股份“技术-收入”转化加速如前文所述，未来面向终端应用场景更加多样化、功能需求更加差异化的芯片设计生态， IP 供应商的 IP 积累优势和中立优势有望更大程度地得到释放。而芯原股份在数十年外 延内生的积累下，技术实力与 IP 库边界持续提升、扩张，公司 IP 种类齐备，成就全球 IP 前十唯一国内企业。根据 IPnest 统计，从半导体 IP 销售收入角度，芯原股份是 2020 年中国大陆排名第一、全球排名第七（IP 种类在前七中排名前二）的半导体 IP 供应商。 其中公司的图形处理器（GPU，含图像信号处理器 ISP）IP、数字信号处理器（D

12、SP） IP 分别排名全球前三；芯原的视频处理器（VPU）IP 全球领先，在众多国际行业巨头的 各种产品中发挥重要作用。从半导体 IP 种类的齐备角度，芯原在全球前七名半导体 IP 授权供应商中，IP 种类的齐备程度也具有较强竞争力。目前公司已拥有 6 类自主可控的处理器 IP，分别为图形处理器 IP（GPU IP）、神经网络 处理器 IP（NPU IP）、视频处理器 IP（VPU IP）、数字信号处理器 IP（DSP IP）、图像 信号处理器 IP（ISP IP）和显示处理器 IP（DPU IP）。除处理器 IP 外，公司 IP 库还覆 盖了从成熟制程到先进制程的各个工艺节点的 1,400

13、多个数模混合 IP 和射频 IP，如各 类 MIPI、USB、PCIE、低功耗蓝牙（BLE）IP 和窄带物联网（NB-IoT）IP 等多款超低 功耗的射频 IP。内置芯原 Vivante NPU IP 的多款客户芯片位列 AIBenchmarkIoT 性能 榜单前列。IP 库的种类和 IP 数量是 IP 核供应商的主要竞争力，而拥有较为齐备的 IP 组合和较多 的 IP 数量的芯原股份在功能和应用领域上具备更多扩展空间，可以为客户提供一体化 IP 解决方案。同时，由于各类 IP 均来源于公司自主研发的核心技术，且在研发时考虑 了各 IP 间的内生关联和兼容性，公司 IP 核产品具有较强的耦合深

14、度、可控性和可塑性。公司根据自身的技术、资源、客户积累，并结合市场发展趋势，已逐步在 AIoT、可穿戴 设备、汽车电子和数据中心这 4 个领域形成了一系列优秀的 IP、IP 子系统及平台化的 IP 解决方案，客户范围和覆盖领域逐步打开。以神经网络处理器 IP（NPU IP）为例， 截至 2021 年 11 月 12 日，公司 NPU IP 客户数量突破 50 家，用于其 100 余款人工智 能芯片，主要应用于物联网、可穿戴设备、智慧电视、智慧家居、安防监控、服务器、 汽车电子等 10 个主要市场领域。多年沉淀的 IP 技术和客户应用逐渐为公司带来增长支撑。公司 2021 年前三季度知识产 权授权使用费收入 3.89 亿元，同比增长 18.06%，累计半导体 IP 授权次数达 191 次， 远超去年同期的 88 次；2021 年 Q3，公司半导体 IP 授权次数达到 61 次，实现知识产 权授权使用费收入 1.71 亿元，收入同比增长 63.17%。2021 年 Q3，公司特许权使用费 收入 2,317.01 万元，同比增长 41.87%。2021H 芯原半导体 IP 授权服务新增客户数量 超 20 家，截至报告期末累计半导体 IP 授权服务客户总数量超 320 家，与 ARM 2020 年的 563 相比客户群体数量差距已逐渐在缩小。