基于IP核开发模式的高校集成电路设计发展策略研究Word下载.docx
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SoC;
案例分析
中图分类号：
F270.7文献标识码：
A
IPcorebasedICdesigndevelopmentstrategyforuniversities
GEChen-yang
（SoCDesignCenter,Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an,710049,China）
Abstract：
Astheproblemoflackingtheoriginalaccumulatedtechnologyinenterprisesandthedifficultiesinconvertingtheresearchresultstoproducts,aninnovativemechanismofIPcorecooperatingmodeispresented.Itcanpromotethedevelopmentofthecapabilityofintegratedcircuitdesignquicklyinuniversities,andcanbenefitbothuniversitiesandenterprises.Basedonthecaseanalysisoftheten-yeardevelopmentofXi’anJiaotongUniversitySoCdesigncenter,somedevelopingstrategyoftheuniversitytoenhancetheICdesigningcapabilitybasedonIPcoredevelopmentarepresented.
Keywords：
IPcore;
ICindustrychain;
casestudy
中国电子信息产业已连续十年保持两位数增长，其产业规模居全球第二位。
但我国是电子产品制造大国，而不是制造强国，多数制造厂商缺乏核心技术而长期处于国际产业链的最低端，其电子产品由于缺乏自主知识产权，深受国外高额专利使用费困扰。
核心技术包括技术标准、核心器件与芯片仍被欧美、日韩、中国台湾地区等企业所控制。
随着新劳动合同法的颁布与实施，水电、土地、劳动力、税收等生产成本的提高和产品竞争力的下降，我国沿海部分劳动力密集型产业更是面临着加速转移或升级的考验。
集成电路（IC）是信息产业中最核心部分，对信息产业起到1:
1000的带动作用，已成为当代高新技术产业群的核心和维护国家主权、保障国家安全的战略性产业[1]。
IC设计是一项创造力极强的智力型工作，处于IC产业链的龙头地位，也是最能体现整个产业的创新性、市场性和竞争性，可以带动其他IC产业的共同发展。
目前IC设计已发展到整个系统集成到单片的SoC（System-on-a-Chip）设计阶段，由众多可复用的IP（IntellectualProperty）核构成SoC芯片，具有集成度高、上市周期短、可靠性及性价比高的特点。
我国绝大多数微电子设计公司发展的时间都不长，IP核积累少，从时间、成本、人力等考虑都不太允许依靠自身开发SoC芯片中所有的IP核。
而我国高校在集成电路设计方面拥有众多的自主知识产权和人才团队，在关键技术领域屡有突破，可以为我国的IC产业承担起更多的责任。
然而目前企业同高校在集成电路领域的合作还不是很紧密，企业缺少原始技术积累，而高校成果存在转化困难，双方需要在合作模式上进一步创新。
本文针对这一问题提出一种以IP核合作方式促进高校集成电路设计加快发展、实现高校企业双赢的创新机制，以西安交通大学SoC设计中心近十年来的发展历程为案例进行分析，并提出相应的IP核发展策略。
1我国IC设计发展现状分析
我国IC设计业经过“十五”期间的快速发展，在IP核方面有了一定的积累和突破，如CPU、音视频编解码器、网络通信等，涌现了中星微电子、大唐微电子、上海展讯、珠海炬力等为代表的优秀设计企业。
然而同跨国公司相比，我国IC设计公司规模小，创新能力弱，产品线单一且技术含量偏低，核心领域的自主知识产权少，还难以同跨国公司竞争。
我国高校在集成电路相关领域有着长期的算法理论研究和知识产权积累，但成果的转化率和产业化程度比较低。
其主要原因是体制、机制方面的约束使得高校同企业在集成电路领域的合作不是很紧密，一方面企业目前还不可能依靠企业自身投入大量的人力、物力研发所有的核心技术，另一方面高校更不可能依靠自身去开发符合市场需求的SoC产品。
目前国内IC设计业存在的不足主要表现在以下几个方面：
（1）整机厂商有自主核心技术研发投入的热情，但能力普遍较弱。
整机厂商由于激烈的市场竞争、有限的研发资金、缺少优秀人才和原始技术积累、较高的行业门槛等原因，对芯片级核心技术的研发，投入严重不足。
如彩电行业，对数字电视和平板显示核心技术的缺乏，导致整机产品的竞争力不足、利润低，无法投入更多的资金用于核心技术的开发，导致产业的恶性循环。
（2）从事核心芯片开发的微电子公司设计能力和资金有限，多数集中在低端产品领域，产品雷同性很高。
如MP3、SIM卡、低端多媒体芯片等，造成恶性竞争，企业在原始技术方面创新能力不足，体现在对关键IP核的缺乏和发明专利的不足。
（3）国内部分高校和科研院所在核心芯片方面已掌握了一些核心技术，如在嵌入式CPU、音视频编解码核、图像压缩、网络通信等领域已成功开发一系列IP核，有了一定的积累，但产业化程度较低。
迫切需要加强同微电子设计公司、整机厂商的合作，结合整机需求，通过产学研合作、优势互补，实现成果的转化和企业自主创新能力的提升。
目前电子产品的竞争是一体化高性价比SoC设计方案的竞争，要求SoC产品上市周期短、功能强、成本低。
我国在微处理器、音视频处理、网络通信、数字电视等领域虽有一些IP核积累和突破，但总体上还处于比较分散的局面，绝大多数单位都不可能独立开发SoC芯片中的所有IP核，需要高校科研院所、微电子设计公司、整机厂商加强联合，才能推出有竞争力的SoC芯片及产品。
2IP核开发方式适合高校的研发
SoC设计已成为当今集成电路产品设计的主流[2]，SoC芯片一般由微处理器、存储器、模拟单元、接口单元、专用IP核及总线构成，具备高集成度、低功耗等特点，如图1所示异构多核媒体处理器SoC芯片的结构框图。
图1异构多核媒体处理器结构框图
其中IP核是指具有独立知识产权、可复用、易移植的电路功能模块，是高度浓缩的知识积累，其功能相对比较独立，可分为三类：
软核、固核和硬核[3]。
软核是指以硬件描述语言VHDL或VerilogHDL实现的电路模块，同具体的工艺不相关，一般经过行为级或RTL级的仿真、优化和功能验证，优点是具有良好的可复用性和可移植性，缺点是用户还需要做大量的综合优化工作。
固核是基于特定的工艺以门级网表形式提供给用户，包含基本的门延时信息，经过ASIC综合、时序验证和FPGA综合验证，具有良好的可复用性，缺点是用户无法自行修改代码，在移植到其它工艺时需重新综合。
硬核是经过指定的Foundry和物理工艺验证过的以布图形式存在的电路模块，通过黑匣子方式提供给用户，用户直接嵌入其SoC芯片中并采用相同的工艺进行流片，其优点是可靠性高，缺点是可移植性差，受工艺影响大。
由于SoC芯片是由众多不同类型的IP核构成，IP核设计好坏已成为SoC产品开发成败的关键,其发展状况直接决定了SoC设计的进度及技术可行性。
高校从事科研的长处是在理论算法上能不断创新，技术上追求先进，能够集中一支团队在某个技术点上不断完善和创新研究；
存在的问题是不擅长于开发一个完善的SoC产品，技术同市场的需求有一定距离。
这是由高校的体制所决定，因为高校承担科研任务的主角是中青年教师和硕博士研究生，中青年教师除了科研还承担繁重的教学任务，对投入科研的精力有限；
而硕博士研究生主要任务是学习和培养，不太愿意化大量的时间和精力去完善一个产品。
这些特点决定了高校不太适合从事SoC产品的开发，但适合从事关键IP核技术的研发。
因为SoC项目要求投入的资金比较大、时间周期长；
IP核其投入包括流片验证费用相对较少、时间周期短，能够在算法技术上不断改进优化，加上规范的设计和文档管理，可以以不同形式交付给企业应用，并有效保护高校的知识产权[4]，比较适合高校团队进行开发。
原信息产业部的软件与集成电路促进中心（CSIP）“IP核标准化工作组”就IP核的开发、技术文档、授权格式及测试评估标准等发布了“国家IP核标准符合性评测与认证指南”，对IP设计、验证、评估和交易流程进行规范，从而降低设计风险。
国际上如VSIA联盟针对IP核的定义、开发、授权及测试等也建立一个公开的共性规范[3]。
3西安交大SoC设计中心发展模式的案例分析
西安交通大学SoC设计中心依托模式识别与智能系统、微电子学与固体电子学两个国家重点学科，主要从事数字电视、图像处理和视频编解码、集成电路设计方面的科研工作，具备从系统算法研究、硬件实现、FPGA（现场可编程门阵列）验证到芯片设计的SoC流程开发能力[5]。
其发展经历主要分三个阶段：
第一阶段，1998年至2001年，核心技术突破阶段。
这个阶段主要是开发数字化电视整机演示系统，并于2001年研制成功国内第一块自主知识产权的视频扫描格式转换芯片VPP860，打破了国外在彩电领域核心技术的垄断。
该芯片的研制成功曾在日本朝日新闻进行报道，引起很大的反响。
第二阶段，2002年至2005年，芯片推广应用阶段。
曾先后同青岛海信、TCL王牌、江苏赛博电子、四川长虹等国内彩电厂商合作，应用该中心开发的数字电视后处理系列芯片DTV100/DTV100B/DTV100C研制大屏幕纯平彩电，实现小批量生产，对彩电厂商的关键技术普及和降低芯片采购成本起了很大的作用。
虽然该中心研制的系列芯片在部分关键技术和算法处理效果上处于领先，但由于同类芯片竞争激烈、开发节奏快加上高校投入的资金和技术支持有限、数字电视显示技术不断更新，很难跟上市场发展的节奏，批量生产困难。
第三阶段，2006年至今，IP核推广应用阶段。
经过前面两个阶段的积累和探索，提出了以成熟验证的IP核方式同国内微电子设计公司、彩电整机厂商开展合作，同时加强同整机应用的互动，实现了一种以IP核为主、“产学研用”相结合的新型商业模式。
以IP核及专利授权方式实现部分IP核转让给企业，用于其SoC产品开发，缩短了企业用户推出SoC芯片的周期，降低了开发的风险，实现了高校、企业的共赢和IC产业链的分工。
在转让IP核时，该中心为企业提供全方位的服务和支持，如提供IP核数据手册、系统规格书、算法程序文档、RTL级源代码、IP核授权证书（包括专利授权使用证书）、IP核测试平台（包括测试软核、脚本等）、FPGA验证系统及综合结果和脚本，同时提供IP核交付培训和技术支持及更新。
图2IP核开发的产业链原理示意图
目前该中心已
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