半导体IP的市场规模及主要玩家

电子发烧友报道（文/程文智）半导体IP是指已验证的、可重复利用的、具有某种特定功能的集成电路模块，通常由第三方开发。IP位于集成电路产业链的上游，主要客户是设计厂商。

其实最开始是没有独立的IP厂商的。在早期，由于芯片种类有限，设计难度相对较低，大多数芯片设计公司都可以自己完成整个芯片设计的流程。早期的半导体公司不仅仅芯片设计是自己的干的，连芯片制造、封装、测试，以及销售也都是自己一手包办的，这类公司就是我们现在所说的整合元件制造商（Integrated Device Manufacturer, 俗称IDM），如英特尔 (Intel)、德州仪器(TI)、摩托罗拉(Motorola)、三星(Samsung)、飞利浦(Philips)、东芝(Toshiba)等。

图：集成电路产业链分类示意图。（来源：芯原股份招股书）

第三方IP厂商出现

由于摩尔定律的关系，半导体芯片的设计和制造越来越复杂、花费越来越高，单独一家半导体公司往往无法负担从上游到下游的高额研发与制造费用，因此到了1980年代末期，半导体产业逐渐走向专业分工的模式──有些公司专门设计、再交由其他公司做晶圆代工和封装测试。其中的重要里程碑莫过于1987年台积电 (TSMC) 的成立。

伴随着下游应用的拓展，芯片种类不断丰富，先进制程不断演进，使得芯片的研发成本提高，并产生了一定的研发风险。1990年，半导体IP行业的龙头ARM应运而生，它探索出了IP授权的商业模式，不再设计芯片，而是以授权的方式，将芯片设计方案转让给其他公司，成为半导体IP授权行业的开端。ARM自身不再生产处理器，而转为处理器架构设计，并将设计方案授权给其他公司使用，这种面向“Partner-Ship”授权“IP Core”的模式，开创了属于ARM全新的时代。

ARM通过开放的IP授权模式，迅速在移动端处理器市场获得超过95%的市场占有率，与PC/服务器端处理器霸主英特尔一起，构成了当下全球半导体产业最底层的两大指令集标准。当时，新进的半导体设计公司几乎都选择了从ARM获得授权，然后自己研发后，在台积电代工生产，形成了“IP授权+半导体设计公司+代工厂” 的芯片研发模式，极大的降低了芯片的成本。

随着超大规模集成电路设计、制造技术的发展，集成电路设计步入SoC 时代，设计变得日益复杂。为了加快产品上市时间，以IP 复用、软硬件协同设计和超深亚微米/纳米级设计为技术支撑的SoC 已成为当今超大规模集成电路的主流方向，当前国际上绝大部分SoC 都是基于多种不同IP 组合进行设计的，IP 在集成电路设计与开发工作中已是不可或缺的要素。

SoC推动IP厂商发展

SoC设计的基础是IP核设计及重用技术，SoC芯片是一个复杂的系统，如果完全从零开始来实现整个芯片的设计，需要花费大量的人力物力，势必会耽误产品面世时间，影响产品竞争力。为了加快SoC芯片的设计速度，越来越多的设计公司将已有的IC电路设计成一个个的模块，在SoC芯片设计中被调用，从而简化SoC芯片的设计，缩短设计时间。

这些可以反复调用的模块就叫做IP核。不是所有的IC电路都可以作为IP核，为了满足SoC设计要求，IP核必须有以下几个特征：
1、必须是符合设计重用要求，并按嵌入式专门设计的；
2、必须经过多次优化设计，使芯片在面积、性能、功耗等方面达到最优；
3、必须是允许很多家公司在支付一定费用后被商业运用的；
4、必须符合IP标准。

IP核供应商提供的IP可以有三种形式：软核、固核和硬核。

软核是用硬件描述语言描述的可综合的电路功能模块，它不涉及具体的物理实现，灵活性较好。

固核是基于特定工艺库综合出来的网表，在结构、面积和性能安排上都进行了初步优化，它介于软核与硬核之间。

硬核是基于特定工艺的版图库生成的物理版图，对频率、功耗、面积等方面作了充分的优化，但由于硬核依赖于一定工艺，所以灵活性较差，不便于移植。

随着先进工艺节点不断演进，芯片的线宽不断缩小，单颗芯片上可容纳的晶体管数量也快速增加，单位面积性能得以相应提升。根据IBS 报告，以80mm²面积的芯片裸片为例，在16nm 工艺节点下，单颗裸片可容纳的晶体管数量为21.12 亿个；在7nm 工艺节点下，该晶体管数量可增长到69.68 亿个。

图：单颗芯片裸片可容纳晶体管数量增长趋势（以80mm2面积为例，单位：百万个）数据来源：IBS《Design Activities and Strategic Implications》

与此同时，随着先进制程的演进，线宽的缩小，使得芯片中晶体管的数量大幅提升，单颗芯片中可集成的IP数量也大幅增加。根据IBS报告，以28nm制程节点为例，单颗芯片中已可集成的IP数量为87个。当制程节点演进到7nm时，可集成的IP数量将达到178个。

图：不同制程节点下的芯片所集成的硬件IP数量（平均值）。（数据来源：IBS《Design Activities and Implications》，芯原股份招股书）

IBS数据显示，半导体IP市场将从2018年的46亿美元增长至2027年的101亿美元，年复合增长率为9.13%。其中处理器IP市场预计在2027年达到62.55亿美元，2018年为26.20亿美元，年复合增长率为10.15%；数模混合IP市场预计在2027年达到13.32亿美元，2018年为7.25亿美元，年复合增长率为6.99%；射频IP市场预计在2027年达到11.24亿美元，2018年为5.42亿美元，年复合增长率为8.44%。

IP市场的主要玩家

半导体IP 的市场参与者可大致分为两类：一类是与EDA 工具捆绑型的半导体IP 供应商，如铿腾电子（Cadence）、新思科技（Synopsys）等；一类是提供专业领域IP 的半导体IP供应商，如ARM、芯原、CEVA、Imagination 等。

根据IPnest 统计，2018-2019 年全球半导体IP 供应商销售收入市场占有率分布情况如下：

表：2018年~2019年全球半导体IP供应商销售收入市场占有率。（数据来源：IPnest）

多年来，ARM和Synopsys一直排在全球IP市场的前两位，地位很稳固。IPnest的数据显示，ARM曾经控制着IP市场50％的份额，一直处于市场领先地位，但最近两年市占率有所下降，从2018年的44.7％下降到了2019年的40.8％。排名第二的Synopsys的收入增长了13.8％，赢得了18.2％的市场份额。排在第三位的Cadence的IP收入增长了22.9％，为该公司带来了5.9％的市场份额。

ARM在IP总收入方面继续保持市场领先地位，因为其专利使用费每年超过数十亿，大大超过了竞争对手。但是，在市场竞争不断加强的情况下，ARM的IP总收入在2019年略有下降。IPnest分析显示，ARM销量下降的原因主要是非处理器形式IP重要性的增长。

表：主要IP供应商的产品布局。（来源：芯原股份招股书）

ARM：处理器IP龙头

得益于移动CPU市场的垄断地位，ARM成为了全球CPU IP和GPU IP的最大供应商。2018年，有52.6%的智能手机采用了ARM的GPU内核，99%的智能手机采用了ARM的CPU(Cortex)内核，而CPU和GPU IP占据了全IP行业约50%的市场份额，因此，ARM的龙头地位相当稳固。

在国内，国产的SoC中，95%都是基于ARM处理器技术的，ARM的中国授权客户超过了150家，使用了ARM 技术的中国客户出货量超过了160亿。

由于IP公司采取的经营模式是轻资产模式，这类公司没有自有品牌产品，而是提供一站式芯片定制服务和半导体IP授权服务。因此，半导体IP行业是高毛利率行业，ARM的毛利率近三年来保持在92%~95%之间。

但是，自2016年被软银收购后，近几年ARM的营收处于下滑趋势，这主要是由于近年来非处理器形式的IP重要性越来越强，而手机应用处理器市场增长速度放缓造成的。但这并不影响ARM的行业龙头地位。

近期，NVIDIA宣布将以400亿美元的价格从软银集团手中收购ARM，从长远来看，ARM将会受到美国CFIUS法规的约束，中国半导体企业需要早做打算。

Imagination：GPU IP王者

ImaginationTechnologies是一家英国技术公司，专注于半导体和相关知识产权许可，目前主要有三大产品线，分别是PowerVR GPU，PowerVR视觉和AI，以及Ensigma无线连接和广播通信。其中，GPU是其在业界最知名的产品，AI方面的产品是神经网络加速器（NNA）IP，而无线连接主要有Wi-Fi和蓝牙IP。其产品主要应用于消费电子、汽车、手机、通信、可穿戴，物联网等领域。2017年，董事会宣布公司被中资的CanyonBridge收购。

Imagination曾为苹果供应图像处理器（GPU），在图像处理器（GPU）领域与高通、ARM三分天下。它在GPU市场大约占据三分之一的份额。据公开数据显示，其GPU IP在移动GPU领域市场份额达到38%，在汽车领域则超过了50%，而其2NX NNA在2019年的AI Benchmark性能测评中也高居第一。

Imagination的PowerVR Series2NX神经网络加速器IP已经被紫光展锐的移动SoC所采用，而且在去年12月份的时候，紫光展锐已经确认获得了Imagination最新一代的神经网络加速器PowerVR Series3NX IP的授权许可，以用于未来面向中高端移动设备市场的SoC产品中。

该公司在2019年推出有史以来最快的GPU IP，意在扭转市场上针对定制GPU的市场份额损失的趋势，并使获得许可的GPU IP回到性能的最前列。

CEVA：DSP IP龙头

CEVA是无线连接和智能传感技术的领先授权公司，提供数字信号处理器、AI处理器、无线平台以及用于传感器融合、图像增强、计算机视觉、语音输入和人工智能的补充软件。CEVA与全球的半导体公司和OEM合作，为包括移动、消费、汽车、机器人、工业和物联网的各种终端市场创建节能和智能的连接设备。

其产品包括：

超低功耗IP，包括面向移动和基础设施中的5G基带处理的基于DSP的全面平台，高级成像和计算机视觉，适用于多个物联网市场内任何支持摄像头的设备和音频/话音/语音以及超低功耗Always-On/感应应用。

蓝牙IP和WiFi IP，对于无线物联网，提供业界最广泛采用的蓝牙IP(低功耗和双模)、Wi-Fi4/5/6(802.11n/ac/ax)和NB-IoT。CEVA在DSP（可编程数字信号处理器）IP排名全球第一，同时也是WiFi和蓝牙排名第一的IP授权商。

Synopsys：提前布局接口类IP

过去十年间，智能手机是推动IP行业前进的强大动力，其中处理器IP受益最大，迅速成长为全球最大的IP种类，同时LPDDR、USB和MIPI等接口协议也在蓬勃发展。

目前智能手机行业依然活跃，但已达到顶峰。IP销售的新增长动力转向以数据为中心的应用，包括服务器、数据中心、人工智能等。下游数据爆发性增长需要更高的带宽来满足数据交换的需求，更高速的接口协议应运而生，接口IP市场得到快速发展。

2019年有线接口IP约占全球IP市场22.1%，为8.7亿美元，占比相对于2018年提升2%，是增速最快的IP市场。

根据IPnest在“2015-2019年接口IP调查和2020-2024年预测”中的数据，接口IP市场预计将在未来五年内保持较高的增长率，到2025年将达到18亿美元。

接口IP的重要性日益增长，而且其在整个IP市场的占比正在抢夺处理器IP的市场份额，成为了最具发展潜力的IP品类。在有线接口类别中，Synopsys是明显的领导者，2018年，该公司拥有约45％的市场份额，在物理IP市场则占有约35％的市场份额。

由于EDA和IP的商业模式很相似，而且有着共同客户，EDA与IP相配合可以提高用户黏性。自1986年成立以来，Synopsys通过发起80项并购交易，收购产业链上下游来扩大业务规模、进行技术整合的目的。在2008年超越Cadence成为全球最大的EDA工具厂商后，Synopsys也开始在IP行业战略性布局，不断并购IP优质资产，巩固其行业龙头的地位。

过去三年，Synopsys的IP收入占比从28%提升到31%。Synopsys的IP收入占比提升，带来毛利率提升。

Cadence：DSP和接口类IP的重要玩家

Cadence是EDA行业排名第二的厂商，IP行业排名第三的厂商。在1988年由SDA与ECAD两家公司合并而成，到1992年已占据EDA行业龙头地位，但到2008年被Synopsys超越。

Cadence在IP中的定位是从2010年收购Denali开始的，通过收购各自细分市场中的中小型供应商领导者来创建自己的IP产品，在2019年，接口IP和DSP IP是Cadence增长的巨大动力。

Cadence近三年来，IP市占率提升的重要原因是收购NuSemi后，拓宽了业务线和DSP IP产品取得了成功导致的。

芯原股份：国内最大的IP供应商

芯原股份作为中国大陆排名第一、全球排名第七的半导体IP授权服务提供商，拥有五类处理器IP和1400多个数模混合IP和射频IP，平均每年流片超过40款客户芯片。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，其中DSP IP的市场占有率排名世界前三，GPU IP（含ISP）市场占有率排名全球前三。

芯原的主要经营模式为芯片设计平台即服务模式。SiPaaS模式是指基于芯原自主半导体IP搭建的技术平台，为客户提供一站式芯片定制服务和半导体IP授权的一种商业模式。

目前芯原拥有用于集成电路设计的GPU IP、NPU IP、VPU IP、DSP IP、ISP IP五类处理器IP、1400多个数模混合IP和射频IP。

2019年，芯原半导体IP授权业务市场占有率位列中国大陆第一，全球第七。拥有较为齐备的IP组合和较多的IP数量，使得芯原在功能和应用领域的多样性上具有了更多的扩展空间、亦给予客户较为全面的选择，体现了芯原在技术上的实力、积累和可靠性。同时，由于各类IP均来源于芯原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，使得其具有较强的耦合深度、可控性和可塑性。

芯原主营包括IP授权和芯片定制，其中芯片定制业务贡献高营收，IP授权业务贡献高毛利率。2019年芯原芯片定制业务分别实现营收和毛利9.02和1.23亿元，营收和毛利占比分别为67.33%和22.91%；IP授权业务实现营收和毛利为4.38和4.15亿元，营收和毛利占比分别为32.67%和77.09%。

此外，SST主要聚焦于Superflash(NOR闪存技术)、NVM、IDM等解决方案和IP产品，并且在2010年被Microchip所收购；Achronix则聚焦于高端FPGA方案，并提供专业独立芯片，芯片组合封装等服务，在2015年被英特尔收购；Rambus专门从事高速芯片接口的发明及设计的技术授权，聚焦于DRAM的IP供应，在内存接口IP市场上排名全球第三；来自中国台湾的eMemory则是全球最大的逻辑制程非挥发性存储器硅IP厂商。

国产IP供应商开始积极布局

在当前中美博弈的背景下，集成电路产业是国家战略性产业。目前我国绝大部分的芯片都建立在国外公司的IP授权或架构授权基础上，因此IP和芯片底层架构国产化替代已经迫在眉睫。在市场对国产芯片IP的迫切需求下，国内半导体IP供应商将迎来历史性发展机遇。

当前国内IP厂商市场份额相对较低，影响力不大，但是他们已经已经积极布局，其中包括已在科创板上市的全球第七、国内第一的芯原股份和国内AI芯片独角兽寒武纪，还有在细分领域深耕多年的本土IP厂商，包括本土RISC-V生态引领者芯来科技、提供从0.18um到5nm全套高速混合电路IP核芯动科技、拥有完全自主知识产权的CPU、DSP、GPU和AI处理器IP的华夏芯，以及提供高速接口IP的华大九天等等，这些IP厂商在各自领域实力不断加强，有望在行业红利期迎来重大发展。

寒武纪：人工智能领域的探路者

寒武纪，聚焦云边端一体的智能新生态，致力打造各类智能云服务器、智能边缘设备、智能终端的核心处理器芯片，让机器更好地理解和服务人类。目前，寒武纪已与智能产业的众多上下游企业建立了良好的合作关系。

2016年，寒武纪科技正式创立，并完成天使轮融资（投资者包括元禾原点、科大讯飞、涌铧投资）；同年推出的“寒武纪 1A”处理器是世界首款商用深度学习专用处理器，并发布国际首个智能处理器指令集Cambricon ISA。2017年，完成A轮融资（投资者包括国投创业、阿里巴巴、联想创投等），成为全球智能芯片领域首个独角兽初创公司；集成寒武纪1A处理器的世界首款人工智能手机芯片华为麒麟970正式发布并在华为Mate 10手机中投入大规模商用。2019年，推出边缘AI芯片思元220，标志寒武纪在云、边、端实现了全方位、立体式的覆盖。

现在寒武纪已经成为国内AI芯片独角兽，是目前国际上少数几家全面系统掌握了智能芯片及其基础核心技术的企业之一。

芯来科技：RISC-V处理器IP厂商

芯来科技是中国大陆首家专业RISC-V处理器内核IP和解决方案公司，是本土RISC-V生态引领者，携手合作伙伴发布了全球首颗基于RISC-V内核的量产通用MCU产品，目前已经全面推向市场。自研推出的RISC-V处理器IP已授权多家知名芯片公司进行量产，实测结果达到业界一流指标。

芯来科技目前是RISC-V基金会银级会员，中国RISC-V产业联盟（CRVIC）发起单位和副理事长单位，以及中国开放指令集生态（RISC-V）联盟（CRVA）会员单位。

目前，芯来科技的多个系列的处理器核心产品与解决方案已经实现客户导入和量产，过百家国内外客户进行了授权和使用，与兆易创新在2019年共同推出全球首发的RISC-V架构的通用MCU，推出了搭载Linux操作系统的应用级处理器UX600内核，完成了自有软件体系搭建，引入了国际国内多个重量级合作伙伴，并通过升级版“一分钱计划”持续降低RISC-V应用门槛，通过“RVMCU网站”打造RISC-V交流社区，通过“大学计划”助力RISC-V教育生态发展。

近期，芯来科技完成了新一轮的战略融资，领投的是小米长江产业基金，老股东蓝驰创投和新微资本继续追投。

此外，其他的国产IP厂商还包括华夏芯、华大九天、智原科技、创意电子、灿芯半导体、虹晶科技、世芯电子等。

表：其他国产IP供应商及其主要产品布局。

结语

总的来说，半导体IP行业市场增长潜力很大。随着技术的进步，IC设计难度、复杂度、成本，以及风险日益提升，行业专业化分工将更加明确，这将会带来半导体IP需求增长，预计2027年全球半导体IP市场空间较2018年增长120%至101亿美元，这其中包括中国在内的亚太地区增速为最高。

但当前国产IP的产业影响力相对较小，目前中国大陆有主要有芯原股份、寒武纪、华大九天、橙科微、IP Goal和Actt等IP厂商。而且国内IP厂商目前提供的主要是接口IP，其他比如CPU IP的产出很少。但最近两年国产厂商在火热的人工智能方面进展较快。以寒武纪为代表的国内厂商在NPU IP方面已有了较强的影响力；地平线的BPU IP产品亦表现不俗。但总体来说，国内的IP产业依然较为薄弱，特别是CPU方面，还有待突破。

相信随着国内厂商的努力，未来IP市场将会有越来愈多国内厂商的身影出现。

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