​中国IC设计竞相投入免费架构,IP授权业者纷纷调整授权规则

2019-11-14 14:00:09 来源: 半导体行业观察

来源:内容 摘录自 新电子 」, 作者林宗辉 ,谢谢。


自从中兴事件刺激到中国产业界,从政府到业界,无不把「自有架构」挂在嘴边,不论是通过收购或者是自行发展,期望能摆脱在关键技术和料件方面依赖外来供应商的窘况。


也因此,当出现了RISC-V这个弹性高、免授权费,且商用机会大的架构之后,整个市场也纷纷投入研究与开发,推动相关生态的发展。


RISC-V冲击既有处理器IP授权生态


前面也提到,在核心的处理器架构方面,Arm、MIPS以及X86仍是中国处理器方案的主流,2017年之前总和占据接近百分之百的市场。


不过在2018年,情况开始有了改变,RISC-V正式进入中国市场,虽然在此之前就有部份中国芯片业者使用RISC-V指令集设计产品,但因为市场不熟悉该架构,应用并不广。 而随着中国RISC-V联盟的成立,以及SiFive携手晶心进入中国市场,SiFive也在中国成立SiFive China独立子公司,主导在中国的业务发展,一时之间掀起了广大的开源架构风潮。


SiFive或晶心卖的是已经设计好的IP,采用他们设计好的架构需要支付授权费,但是SiFive以及其他RISC-V的IP供应者,都只收取一次性的授权费用,往后芯片生产就不需要根据销售量额外支付一定比重权利金。 而若厂商技术能力足够,也可以直接拿RISC-V指令集来发展自己的架构,而RISC-V指令集还定义了扩展指令集,只要符合规定,厂商可以自行定义相关指令集的内容和形式,形成高度客制化的方案。


重要的是,采用此法设计出来的处理器产品完全不需要支付任何授权费或者是支付权利金,相较之下,如果使用同样的授权方式,采用Arm的指令集来客制化自己的处理器,以最高阶的方案为例,入门费用和授权费用可能就需要高达数千万美元,更不用说后续权利金的收取。


然而,指令集虽免费,还是需要有其他外部成本的配合才能形成产品,且多数中国芯片设计业者都没有自行使用指令集来设计处理器架构的能力,因此最终还是只能买现成的IP,但不论如何,较低的授权费,以及不需要权利金的先天优势之下,开源架构的概念在中国瞬间火红了起来,包含华为海思、阿里巴巴等超过300家科技业者都加入相关的联盟或者是投入架构发展。


Arm首当其冲因应策略效果仍待观察


既然看到「免费」商机,既有的处理器IP业者也紧张了起来,Arm在处理器IP供应市场中独占鳌头已久,当免费指令集当道,自然受伤也最重。


对客户而言,一来随着芯片销售额的成长,如影随形的权利金会成为获利杀手,另一方面,客户其实也不愿意让Arm藉由收取权利金的理由对自己的销售成绩了若指掌。 采用免授权金的架构,那么一来节省成本,二来又可以确保市场成绩不被Arm知悉。


为了因应挑战,Arm在授权策略也进行了一定的调整和改变,比如说过去客户选择一种特定的芯片设计方案时,必须预先支付一定数量的许可费,价格可能从几万美元到数百万美元,之后在芯片投产后按芯片数量再收取授权费以及权利金。


但对于芯片公司来说,准备好送到芯片代工工厂的最终设计方案可能需要半年至一年的时间才能完善,客户在芯片实际开始交付之前很久就支付了大笔预付款,对营运成本造成压力,中大型企业可能还有其他业务收入支撑,小型企业可能根本无法负担。


为此,Arm宣布了一项新收费模式,芯片制造商可以较低的一次性费用获得约该公司四分之三的技术和芯片设计方案组合。 后续,只有当芯片准备好生产并开始发货时,才需要向Arm支付许可证费用和专利费。


作为IP授权业界的老大哥,Arm在生态、开发工具以及制造方面的支援不是免费架构所能相提并论,但如果坐看竞争者蚕食市场,那最终生态优势可能会被翻转过来,为此而进行的策略转变看来只是收费顺序的转换,多数IC设计业者可能不会有太多感觉,但是在中小型业者身上应该可以发挥一定作用,只是效果仍待观察。


MIPS与IBM跟进免费授权


也由于免费指令集掀起广泛的讨论,业界也认为其可创造的商业价值不下于传统的Arm授权方式,就连过去也走Arm授权模式的MIPS和Power Architecture也加入了免费指令集的行列。


MIPS是个具有非常悠久历史的架构,过去在高性能运算、网通设备以及各类嵌入式架构产品中非常普遍,而在特定的技术领域方面,比如说单一核心多执行绪的设计也要优于Arm 。 然而在Arm架构的侵略之下,市场不断丧失,加上商业策略失败,导致目前仅能退守少数应用领域,且仍不断被Arm架构所侵蚀。


而在遭遇市场挫折之后,一度被Imagination所收购,但Imagination在MIPS生态上并没有很好的开发出更广泛的应用,加上和苹果的合作将在不久候终止,可能会丧失大笔收入来源的Imagination也只好断尾求生,将MIPS买给美国新创公司Wave Computing,随后也将自己卖给了中资公司。


MIPS在今年稍早提出了指令集免费授权方案,同时也免除了权利金的收取,同时也将中国市场的经营权授权给芯联芯,这个作法其实和SiFive在中国创立独立公司,以及Arm在中国创立Arm mini China有着异曲同工之妙。


而IBM也在8月宣布透过OpenPower基金会开放Power Architecture,同样采用类似RISC-V的授权模式。 二者除了指令集免费授权以外,也提供了既有的IP授权模式,但同时免除了权利金的收取,希望能仿照RISC-V掀起的热潮,借此取得更大的市场空间。


Power架构过去在高性能计算领域一直拥有重要地位,只是市场参与者太少,基本上就是IBM自己在玩,虽然在不少技术特性方面可和英特尔一较高下,但巧妇难为无米之炊,截至目前为止,其在相关市场的占有率也不过在1%左右。


过去Power架构一直是由OpenPower基金会在推动,提供类似Arm架构的授权方式,在收费方面一直也都比Arm架构低,但因为应用冷门,且缺乏广泛的软体支援,市场应用者少之又少,而其近年在中国市场的耕耘也被其他如RISC-V等声量更大的开放架构所掩盖,为了避免进一步被边缘化,IBM也决定跟随RISC-V以及MIPS的脚步,开放其指令集。


而这次所谓的开放,就是要效法RISC-V,在指令集层级的使用方面完全免除版税。 另一方面,为了强调Power架构在周边IP的完整性,同时让指令集授权可以更快速转换成可商用产品,除了开放原始码的Power架构指令集之外,IBM 还将提供多种其它技术,包括Power架构的软核实现(Softcore Implementation)、与架构无关的开放式相干加速处理器介面(OpenCAPI)、以开放式记忆体介面(OMI)的参考设计。


RISC-V发展最快MIPS/IBM仍待观察


目前RISC-V架构在中国已经建立起联盟,进入中国市场的相关IP供应者也有不少,台湾晶心、芯原,以及最近最受关注的SiFive,都已经积极布局相关市场,提出不少方案。 前不久阿里巴巴旗下的平头哥发表基于RISC-V的高性能IP玄铁910,可以达到16核配置,并可在2.5GHz的时脉下运作,而其IP和自订的扩充指令集都将完全开放,这也代表中国队RISC-V,除了既有IP供应业者之外,也积极布局完全自有的IP,这对SiFive之类的业者而言也都是挑战。


虽然平头哥的架构与IBM或者Arm的高性能架构比较起来还是明显不足,但也已经是RISC-V中少见的高性能架构了。 不过目前该架构仍然还在验证与测试阶段,短时间之内没有商用的可能,但这也已经代表中国厂商希望以RISC-V布局更广应用的决心。


若以整体局势观察,RISC-V目前气势的确强大,但实际商用脚步仍仅限小规模低功耗产品,整体市场表现以及相关产值仍远远落后于Arm,而MIPS及IBM之所以推出开放指令集授权方式,截击的意味极重。


但考虑到目前RISC-V已经聚集了Google、高通、NVIDIA、三星、WD等一线半导体大厂,背后潜藏的研发能量极为庞大,若再慢一步,恐怕不久之后就连高性能计算也可能被RISC -V所取代,而这也是IBM决定在MIPS之后,跳进开放指令集架构处理器授权市场中的最大原因。


Arm压力大业务模式被迫调整


至于背腹受敌的Arm,虽然凭借著成熟生态积极展开行销战,但既有授权模式以及指令客制化弹性的缺乏,使其面对这些开源架构,也逐渐落于下风,其主要客户都已经逐渐转向RISC-V。


虽然主要的运算核心,如高阶Cortex-A系列仍然统治着行动运算领域,但低阶的M系列,甚至针对即时运算的R系列,都面临极严苛的挑战,在RISC-V的压力下,当初软银收购Arm时所夸下的海口,恐怕会复制当初伺服器市占宣言的窘况: Arm在几年前曾宣称要在2021年占据伺服器市场25%的比重,但至今仍未超过1% 。


为了保住IoT市场的优势,或许Arm会在未来提出更激进的授权计画,不仅要打入更大的市场,也同时要阻挡免费架构继续攻城掠地,影响Arm的市场布局。


在中国市场,Arm mini China主要针对的就是IoT市场,除了有自己的架构研发团队,在授权条件上也要优于Arm全球的其他市场,然而中国市场虽大,如果因为其对中国市场的授权优惠而影响了其他国家的客户,对Arm而言恐怕也是得不偿失,也因此,或许Arm应该考虑改变授权形式,将预期营收来源转移至其他服务部份。


事实上,Arm已经宣布有限度地支援客制化的指令集,与RISC-V颇有异曲同工之妙。 通过Arm强大的设计能力来对抗RISC-V的其他IP竞争者,当然,这对于保守的Arm,肯定会是一大挑战。


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