Введение
Компоненты, лицензируемые в качестве модулей в более крупных проектах интегральных схем.
В электронном проектировании полупроводниковое ядро интеллектуальной собственности (SIP-ядро), ядро IP или IP-блок — это повторно используемый блок логики, ячейка или компоновка интегральной схемы, являющаяся интеллектуальной собственностью одной стороны. Ядра IP могут лицензироваться другой стороне или принадлежать и использоваться одной стороной. Сам термин происходит от лицензирования патента или авторского права на исходный код, существующего в данной разработке. Разработчики систем на кристалле (SoC), специализированных интегральных схем (ASIC) и систем на основе программируемых логических матриц (FPGA) могут использовать IP-ядра как строительные блоки.
История
Лицензирование и использование IP-ядер при разработке чипов стало распространенной практикой в 1990-х годах. На рынке существовало множество лицензиаров и также множество производителей микросхем. В 2013 году наиболее востребованными IP-ядрами были ядра от Arm Holdings (43,2% доли рынка), Synopsys Inc. (13,9% доли рынка), Imagination Technologies (9% доли рынка) и Cadence Design Systems (5,1% доли рынка).
Типы ядра IP
Использование IP-ядра при разработке чипов сопоставимо с использованием библиотеки в компьютерном программировании или дискретного интегрального компонента при проектировании печатных плат. Каждое из них представляет собой повторно используемый элемент логики проектирования с определенным интерфейсом и поведением, которое было проверено его разработчиком и интегрируется в более сложный проект.
Мягкие ядра
IP-ядра обычно предлагаются в виде синтезируемого RTL на языке описания аппаратуры, таком как Verilog или VHDL. Они аналогичны языкам низкого уровня, таким как C в области компьютерного программирования. IP-ядра, поставляемые разработчикам чипов в виде RTL, позволяют им модифицировать конструкцию на функциональном уровне, хотя многие поставщики IP не предоставляют гарантии или поддержки для модифицированных конструкций. IP-ядра также иногда предлагаются в виде обобщенных списков соединений (netlists) на уровне логических элементов. Список соединений – это представление логической функции IP в виде булевой алгебры, реализованной с помощью обобщенных логических элементов или стандартных ячеек, специфичных для технологического процесса. IP-ядро, реализованное в виде обобщенных логических элементов, может быть скомпилировано для любой технологии производства. Список соединений на уровне логических элементов аналогичен листингу ассемблерного кода в области компьютерного программирования. Список соединений обеспечивает поставщику IP-ядра разумную защиту от обратной разработки. См. также: защита дизайна интегральных схем. И списки соединений, и синтезируемые ядра называются "мягкими" ядрами, поскольку оба допускают использование потока проектирования, включающего синтез, размещение и трассировку (SPR).
Твердые ядра
Твердые ядра (или жесткие макросы) – это аналоговые или цифровые IP-ядра, функциональность которых не может быть существенно изменена разработчиками чипов. Как правило, они представляются в виде физического описания нижнего уровня, специфичного для конкретной технологической нормы. Твердые ядра обычно обеспечивают более высокую предсказуемость характеристик по времени и площади для данной технологии. Аналоговая и смешанная логика обычно распространяется в виде твердых ядер. Соответственно, аналоговые IP (SerDes, PLL, DAC, ADC, PHY и т.д.) предоставляются производителям чипов в виде схемотехнических представлений (например, в формате GDSII). Цифровые IP-ядра иногда также предлагаются в виде схемотехнических представлений. Схемотехнические представления низкого уровня должны соответствовать правилам проектирования целевого производства. Поэтому твердые ядра, разработанные для технологического процесса одного производства, сложно перенести на другой процесс или производство. Крупные производители полупроводников (такие как IBM, Fujitsu, Samsung, TI и др.) предлагают различные функции жестких макросов IP, разработанные для собственных технологических процессов, что способствует удержанию клиентов.
Лицензионные функции
Многие из наиболее известных IP-ядер представляют собой реализации мягких микропроцессоров. Их наборы команд варьируются от небольших 8-битных процессоров, таких как 8051 и PIC, до 32-битных и 64-битных процессоров, таких как архитектуры ARM или RISC-V. Эти процессоры являются "мозгом" многих встраиваемых систем. Как правило, используются наборы команд RISC, а не CISC, такие как x86, поскольку это требует меньше логических элементов. Соответственно, сами реализации оказываются компактнее. Кроме того, лидеры в области x86, Intel и AMD, тщательно охраняют интеллектуальную собственность своих процессорных разработок и не применяют эту бизнес-модель к своим линейкам микропроцессоров x86-64. IP-ядра также лицензируются для различных периферийных контроллеров, например, для PCI Express, SDRAM, Ethernet, LCD-дисплеев, аудио AC'97 и USB. Для многих из этих интерфейсов требуются как цифровые логические IP-ядра, так и аналоговые IP-ядра для управления и приема высокоскоростных, высоковольтных или высокоимпедансных сигналов за пределами кристалла. "Аппаратные" (в отличие от программно-управляемых мягких микропроцессоров, описанных выше) цифровые логические IP-ядра также лицензируются для выполнения фиксированных функций, таких как декодирование MP3-аудио, 3D GPU, кодирование/декодирование цифрового видео, а также другие функции цифровой обработки сигналов (DSP), такие как быстрое преобразование Фурье (FFT), дискретное косинусное преобразование (DCT) или кодирование Витерби.
Продавцы
Разработчики и лицензиары IP-ядер варьируются по размеру от частных лиц до многомиллиардных корпораций. Разработчики и их клиенты по производству чипов расположены по всему миру. Силиконовая интеллектуальная собственность (SIP, Silicon IP) – это бизнес-модель для полупроводниковой компании, при которой она лицензирует свою технологию клиенту в виде интеллектуальной собственности. Компания, работающая по такой бизнес-модели, является fabless-компанией, которая не поставляет физические чипы своим клиентам, а лишь облегчает разработку чипов клиентом, предлагая определенные функциональные блоки. Обычно клиентами являются полупроводниковые компании или разработчики модулей, имеющие собственные разработки в области полупроводников. Компания, желающая изготовить сложное устройство, может лицензировать право на использование хорошо протестированных функциональных блоков другой компании, таких как микропроцессор, вместо разработки собственной конструкции, что потребовало бы дополнительных времени и затрат. Индустрия Silicon IP демонстрирует стабильный рост на протяжении многих лет. Наиболее успешные компании Silicon IP, часто называемые Star IP, включают ARM Holdings и Synopsys. По оценкам Gartner Group, общий объем продаж, связанных с интеллектуальной собственностью на кремнии, в 2005 году составил 1,5 миллиарда долларов США, при этом ожидается ежегодный рост около 30%.
Твердость IP
Упрочнение IP – это процесс повторного использования проверенных разработок для быстрого вывода на рынок и снижения производственных рисков, обеспечивающий интеллектуальную собственность (IP) или кремниевую интеллектуальную собственность (Silicon IP) в виде конструкционных ядер. Например, цифровой сигнальный процессор (DSP) разрабатывается на основе мягких ядер в формате RTL и может быть адаптирован к различным технологиям или производственным площадкам для получения различных аппаратных реализаций. Процесс упрочнения IP заключается в преобразовании мягкого ядра в многократно используемое твердое (аппаратное) ядро. Основное преимущество такого твердого IP – его предсказуемые характеристики, поскольку IP уже реализован, при этом сохраняется гибкость, свойственная мягким ядрам. Он может поставляться с набором моделей для моделирования и верификации. Усилия по упрочнению мягкого IP требуют учета качества целевой технологии, целей проектирования и применяемой методологии. Твердый IP прошел проверку в целевой технологии и приложении. Например, считается, что твердое ядро в формате GDS II успешно проходит проверку правил проектирования (DRC) и сопоставление схемы и разводки (LVS). То есть, оно соответствует всем требованиям к производству, установленным конкретной производственной площадкой.
Свободный и открытый исходный код
С примерно 2000 года OpenCores.org предлагает различные программные ядра, в основном написанные на VHDL и Verilog. Все эти ядра предоставляются под лицензиями свободного и открытого программного обеспечения, такими как GNU General Public License или лицензии, подобные BSD. С 2010 года инициативы, такие как RISC V, привели к значительному увеличению количества доступных IP-ядер (почти 50 к 2019 году). Это способствовало расширению сотрудничества в разработке безопасных и эффективных проектов.