動蕩的處理器IP時代　嵌入式CPU的IP授權與發(fā)展分析

　　處理器是1款系統的心臟部分，所有功能的達成幾乎都要依靠處理器，而在嵌入式系統方面，由于針對的應用層次較為較為狹窄，因此更要在效能、功耗與成本等變量進行多方考慮，其中，授權方案更是影響到廠商進行開發(fā)時的成本與產品上市時程，因此更需要審慎面對。

　　在各種嵌入式應用當中，總缺不了1或多個處理器核心來統籌整個系統的運作，但是處理器核心的架構復雜，相關的設計概念必須有多年累積的技術實力才有辦法實現，以目前生產代工型態(tài)至上的企業(yè)觀念中，自力進行處理器的開發(fā)不啻是吃力又不討好的工作，不僅無法帶來立即的營收，開發(fā)過程所需耗費的龐大資金更有可能導致公司的虧損，因此諸如臺灣廠商等代工重鎮(zhèn)皆在此領域的開發(fā)多所保留，也因此帶給了純IP授權(沒有晶圓廠，也不生產芯片，僅以電路設計架構等純粹智能財產授權營利的公司)處理器公司非常大的商機。

　　處理器IP授權(License)的型態(tài)行之有年　近來面臨越來越大的競爭挑戰(zhàn)

　　IP的定義為：預先設計的電路模塊架構，可用于制造完整的半導體組件。過去IP提供廠商大多僅針對特定應用范圍提供IP授權，比如說通用處理器、MCU核心、甚至顯示核心等，少有單家廠商提供多種不同類型IP服務的案例。但是隨著嵌入式應用的多元化，終端產品設計所需要的功能模塊也逐漸趨于復雜，單純的功能應用已經明顯不敷使用。

　　以數字電視為例，除了處理器核心以外，還需要包括視訊﹨音訊譯碼IP、訊號轉換IP、諸如卡片閱讀機、HDCP加密解密系統的IP、圖形接口、實時操作系統、通用標準界面(包括USB、輸出入接口等)，廠商要同時獲得這些IP不不是見容易的是，加上特定市場領導廠商保留自有IP，僅生產配套芯片提供給廠商選用，處理器IP比重越來越不明顯。

　　△圖說：ARM最新一代的處理器核心也走向類似PC平臺處理器，以提升頻率為改善效能的手段，功耗也開始逐步提高。(www.ARM.com)

　　除了市面上提供特定應用的IP套餐服務的廠商逐漸增加以外，即便如ARM(安謀)這樣的傳統嵌入式處理器IP提供廠商，也開始提供越來越多的IP型態(tài)以供選擇，最近甚至也推出了基于IP的顯示核心，并且也逐漸走向功能的可配置化設計，借以提供下游廠商更大的搭配彈性。可配置化設計也被某些IP廠商視為最大的利基與賣點，比如說，ARC與Tensilica這2家處理器公司皆提供了市面上彈性最高的可調方案，可調式處理器的優(yōu)勢在于可以設計出功能獨特性最高以及電路最精簡(端視芯片所需功能而定)的SoC芯片。

　　△圖說：ARC的可調式架構具備了極高的應用彈性。(www.ARC.com)

　　選擇IP授權的必備要項

　　IP授權并不是非常新的概念，早在上個世紀末，以IP授權型態(tài)生存的公司就已經開始蓬勃發(fā)展，跨入2007年之后，由于移動產品不論在功能、性能以及功耗方面都開始有了更嚴苛的要求。除了原本就在這個領域耕耘的廠商以外，幾家原本并非將嵌入式應用當作本業(yè)的處理器廠商也開始加入戰(zhàn)場，雖然IP授權廠商以及處理器廠商都面臨了越來越大的競爭與挑戰(zhàn)，但是針對嵌入式的應用產品只會不斷的增長，因此雖然競爭越趨激烈，但都還有生存的空間存在。

　　在針對是否采用IP授權的方式來架構自有的嵌入式系統方面，則是要從非常多的層面進行考慮，分別敘述如下：

　　■對于處理能力的要求

　　由于處理器核心必須肩負起整個系統的運算或功能負載分配，因此在效能方面必須具有一定的要求，比如說在移動多媒體裝置上，處理器必須肩負OS與視訊編譯碼的需求，若是采用純軟件編譯碼方案，那么處理器核心勢必頻率要高、運算性能(DMIPS要夠強大)，否則就是要考慮采用具備混合型運算架構的處理器設計，比如說搭配DSP核心、特定向量加速單元的通用處理器核心可以輕易的負擔起這類工作，如果不想花太多時間在算法最佳化上，那么也可以選擇使用硬件線路(hardwired)設計的模塊來與特定處理器IP進行搭配，理論上可兼顧成本與效能，但如此一來也將失去應用彈性。

　　■第三方資源與開發(fā)工具

　　針對特定產品，此項可以說相當重要，也可以說是相當不重要，如果廠商注重自有功能的呈現，傾向于封閉式架構設計，而不開放的話，那么就無須顧慮第三方廠商或社群的支持度，如果是以開放性平臺為目標，比如說一般智能型手機、PDA等，這方面的支持度可能就會成為消費者作為采購考慮的要項之一。

　　■IP授權廠商提供程序代碼的能力

　　因為終端廠商不一定具備完整的軟件開發(fā)能力，且為了縮短產品從設計到上市的時間，便亟需IP廠商提供數量與質量皆符合一定要求的程序代碼供套用，借以發(fā)揮出硬件套件的功能，如果IP廠商僅提供硬件核心，軟件必須由半導體設計廠商，甚至是終端廠商自行解決的話，這些廠商還要額外花功夫去學習處理器的架構、進行軟件開發(fā)、除錯與最佳化，不僅缺乏時效性，且對成本也是一大負擔。

　　■平臺的過往(backward)兼容性

　　嵌入式處理器開發(fā)，除了要兼顧到消能、功耗以及功能等表現以外，對于開發(fā)商來說，過去的軟件能否繼續(xù)沿用也將是考慮重點之一，畢竟軟件資源的累積不易，如果要重新學習并投入資源開發(fā)，所需要花費的成本將非常龐大，甚至可能遠超出開發(fā)商的負擔，因此處理器IP本身在體系與指令集的支持方面便要格外注重，除了新功能的引進以外，處理器IP開發(fā)商也通常都在新一代的產品商提供接近百分之百的過往兼容性。

　　■其它問題

　　除了以上這些項目以外，IP提供商本身是否具備足夠的穩(wěn)定性與延展性也是評估要點，穩(wěn)定性是指該廠商是否具備有持續(xù)經營的實力、產品線是否變動過于快速、支持工作是否有持續(xù)進行等等，而延展性則是指針對IP本身系列產品的未來規(guī)劃、軟件的開發(fā)、開發(fā)環(huán)境的完備等等條件。而既然采IP授權，那么授權手段與授權費用自然也是最需要重視的1點。不是越便宜越好，也不是越貴越有保障，要評估的是，除了所要授權的IP本身架構是否合乎需求，廠商提供的套件是否完備以外，能否達到以上幾點的要求，將是授權費用與IP本身物有所值、物超所值，或是毫不值得的分界點。

　　IP的授權結構問題

　　我們以ARM公司的授權方式為例，來了解關于IP授權的方式與結構問題。一般來說，ARM的授權方式可分為架構(architecture)授權、應用(implementation)授權、單次使用設計授權等等，對授權方來說，ARM提供了處理器核心部分的硬件描述，其包括了完整的軟件開發(fā)工具(編譯器、除錯器、開發(fā)套件)，以及針對ARM處理器的銷售權等。若是無晶圓廠的廠商希望將ARM處理器核心加入到他們自行研發(fā)的芯片當中，通常僅需要取得1份生產就緒的IP核心(IP Core)認證，此時ARM就會提供這些廠商其所選擇的ARM核心的閘極電路圖，并且也會一并提供抽象模擬測試以及相關的測試程序，以協助設計整合及驗證。

　　若是整合組件制造商(IDM)或半導體廠商，則可以取得RTL形式的IP，通過可整合的RTL，廠商可以進一步對架構進行強化，IDM或半導體廠商不得2次銷售最佳化完成的處理器IP，但是可以任意營銷其最終制品(包含芯片、開發(fā)樣版、完整系統等等)。

　　而某些特殊的晶圓廠，則除了可取得銷售最終成品的權力以外，也能保留重制ARM核心的權力。而如同一般IP授權廠商，ARM也是依照使用價值來決定其IP的售價，通常的狀況之下，效能越高的架構，其授權費也越高。而持有ARM授權，且具有自行設計芯片能力的晶圓代工廠(如韓國三星與日本富士通)，則能夠二次授權給晶圓廠的代工客戶，通常價格也比直接向ARM授權來得低廉，但是在以產量為主要考慮的情況之下，專門的晶圓代工廠(如臺積電)其實具備了更強大的成本縮減能力。

　　多IP整合的協調機制

　　現有的IP因為IC產業(yè)分工的關系，1個SoC芯片所需的IP，通常分別由市場上眾多廠商所分別開發(fā)出來，復雜化是SoC在智慧財產權上最大的問題。然而，逐一向IP擁有人洽談智慧財產權的授權契約，很可能受限于雙方談判力之不均衡，無法就同一個SoC上的不同IP取得相同范圍的權利，很可能不小心就逾越了授權的范圍。但是廠商如果選擇自行開發(fā)所需之IP，首先在專業(yè)上可能無法完成，其次，處理器架構的從無到有，其開發(fā)成本顯然過高，不符合經濟效益。因此，相關業(yè)者間之IP互相協調統合，顯然是不得不然的趨勢。更進一步來看，相關業(yè)者間有關IP組件之智能財產權授權契約、IP組件瑕疵責任之歸屬、侵權等問題，顯然是樂觀看待包含SoC等嵌入式市場應用增長時所不得不面對的問題。

　　如上所述，由于1個芯片上可能使用的IP不止1個，單純處理器IP所需付出成本的比重也在逐漸降低之中，雖然仍在芯片中扮演舉足輕重的角色，但是與其它IP的搭配也已經是無可避免的趨勢，如何整合不同公司所擁有的各式IP，將是SoC相關業(yè)者必須面對并加以處理的，從產業(yè)分工的角度來看，協調整合IP授權的協調人(Coordinator)包括以下幾種類型：

　　■信息產品制造商

　　信息產品無可避免必須利用到SoC芯片，除了尋求授權外，亦可能自行研發(fā)，由于此類制造商乃是SoC末端廠商，必須直接面對市場需求之快速變化，對于整合IP以期因應此種變化有相當程度的需求，是協調整合的人選之一。

　　■IC設計公司(IC Design House)

　　Design House在設計芯片時，為求縮短設計的時程，無可避免必須使用他人之IP組件，整合IP可簡化授權的流程，取得統一之授權范圍，避免侵權之疑慮，降低自行研發(fā)之成本，且Design House如能整合IP市場，將可以用基本的IP模塊為基礎，進行產品多樣化的設設。

　　■ IP設計公司(IP Vendor)

　　IP Vender以授權其所研發(fā)之IP予他人使用為本業(yè)，IP之協調整合，可使其占據有利之市場地位，提高其IP之授權機會，并可結合他人之IP，推出整合性的IP Package，獲取更多的利潤。此類公司具代表性的以ARM、MIPS、ARC等，各家IP公司在發(fā)展過程中，為了取得必要的技術或其它領域的IP，通常也都會對市場上其它類型的IP設計公司進行購并的動作，借以取得所需要的IP，并提升自己的競爭力。

　　■晶圓代工廠(Foundry Plant)

　　專業(yè)之晶圓代工廠，除了在工藝在的改善外，目前也積極提供標準的IP Block供其客戶使用，并由其代客戶處理授權及支付權利金的問題，對晶圓代工廠而言，若能整合IP市場，對于其業(yè)務之拓展將更添增助力。

　　結論

　　IP產業(yè)重視的整個生態(tài)系統(EcoSystem)的建立，以目前的態(tài)勢看來，單一IP在市場上難有著力點，即便握有其它公司難以與之相較的技術優(yōu)勢，但其它公司若能夠提供包括EDA廠商、IC芯片商、方案公司/ODM、系統廠商的配套方案，就算特定技術上稍占劣勢，但是在開發(fā)流程、生產、營銷等方面當可占有絕對的優(yōu)勢，也能夠形成足夠的吸引力，讓開發(fā)商能夠安心的選擇。單一IP提供商，比如說大陸龍芯，在這方面就無法具備足夠的市場競爭力，雖然在大陸市場可以通過民族意識或政治影響力來說服開發(fā)商采用龍芯方案，但如果要推行到全世界，只怕還有不足之處。

　　△圖說：Intel第一款采用IA架構的移動應用處理器A100/A110，功耗效能比目標直指ARM體系。(www.Intel.com)

　　ARM公司在成立后不久，便因為包含Intel(英特爾)等大型半導體廠商對嵌入式應用的忽視而找到立足點，當時該公

　　司投入這塊領域也不能不說是1種冒險，畢竟市場上沒有前車之鑒，但是定位以及營利模式確立之后，其豐厚的利潤除彰顯該公司的成功以外，同時也激起市場上一片IP產業(yè)浪潮。但隨著其它后進逐漸投入到處理器IP授權領域，甚至Intel及AMD這2家”傳統”處理器大廠也爭先恐后的投入到包含移動裝置等原本ARM最擅長的嵌入式應用領域當中，像ARM這類以處理器技術為主要營利及技術基礎的IP公司不能不說是已經開始見到瓶頸，開始往其它方向尋求更進一步的發(fā)展。

　　2006年整年度的IP授權產業(yè)規(guī)模達26億美元，但這些規(guī)模卻是由數百家IP公司所貢獻出來的，可預見的是，不久的將來必定會有大洗牌的現象，想要長久經營IP授權產業(yè)，已經不能僅靠獨家核心技術，單一公司提供更多元的配套方案將會是提高競爭力的必要手段。因此同質或不同質IP公司彼此之間的互相整并，營造出大的智能財產經濟規(guī)模，并進一步與臺積電、聯電、特許等芯片代工廠合作，將會是對抗如Intel這類不僅挾獨門優(yōu)勢、具備多元化技術、且擁有龐大半導體工廠陣營的巨無霸公司的重要關鍵。