嵌入式CPU的IP授权与发展分析

引言：处理器是1款系统的心脏部分，所有功能的达成几乎都要依靠处理器，而在嵌入式系统方面，由于针对的应用层次较为较为狭窄，因此更要在效能、功耗与成本等变量进行多方考虑，其中，授权方案更是影响到厂商进行开发时的成本与产品上市时程，因此更需要审慎面对。

前言：在各种嵌入式应用当中，总缺不了1或多个处理器核心来统筹整个系统的运作，但是处理器核心的架构复杂，相关的设计概念必须有多年累积的技术实力才有办法实现，以目前生产代工型态至上的企业观念中，自力进行处理器的开发不啻是吃力又不讨好的工作，不仅无法带来立即的营收，开发过程所需耗费的庞大资金更有可能导致公司的亏损，因此诸如台湾厂商等代工重镇皆在此领域的开发多所保留，也因此带给了纯IP授权（没有晶圆厂，也不生产芯片，仅以电路设计架构等纯粹智能财产授权营利的公司）处理器公司非常大的商机。

处理器IP授权（License）的型态行之有年　近来面临越来越大的竞争挑战

IP的定义为：预先设计的电路模块架构，可用于制造完整的半导体组件。过去IP提供厂商大多仅针对特定应用范围提供IP授权，比如说通用处理器、MCU核心、甚至绘图核心等，少有单家厂商提供多种不同类型IP服务的案例。但是随着嵌入式应用的多元化，终端产品设计所需要的功能模块也逐渐趋于复杂，单纯的功能应用已经明显不敷使用。

以数字电视为例，除了处理器核心以外，还需要包括视讯﹨音讯译码IP、讯号转换IP、诸如卡片阅读机、HDCP加密解密系统的IP、图形接口、实时操作系统、通用标准接口（包括USB、输出入接口等），厂商要同时获得这些IP不不是见容易的是，加上特定市场领导厂商保留自有IP，仅生产配套芯片提供给厂商选用，处理器IP比重越来越不明显。

图说：ARM最新一代的处理器核心也走向类似PC平台处理器，以提升频率为改善效能的手段，功耗也开始逐步提高。

除了市面上提供特定应用的IP套餐服务的厂商逐渐增加以外，即便如ARM（安谋）这样的传统嵌入式处理器IP提供厂商，也开始提供越来越多的IP型态以供选择，最近甚至也推出了基于IP的绘图核心，并且也逐渐走向功能的可配置化设计，藉以提供下游厂商更大的搭配弹性。可配置化设计也被某些IP厂商视为最大的利基与卖点，比如说，ARC与Tensilica这2家处理器公司皆提供了市面上弹性最高的可调方案，可调式处理器的优势在于可以设计出功能独特性最高以及电路最精简（端视芯片所需功能而定）的SoC芯片。

图说：ARC的可调式架构具备了极高的应用弹性。

选择IP授权的必备要项

IP授权并不是非常新的概念，早在上个世纪末，以IP授权型态生存的公司就已经开始蓬勃发展，跨入2007年之后，由于行动产品不论在功能、性能以及功耗方面都开始有了更严苛的要求。除了原本就在这个领域耕耘的厂商以外，几家原本并非将嵌入式应用当作本业的处理器厂商也开始加入战场，虽然IP授权厂商以及处理器厂商都面临了越来越大的竞争与挑战，但是针对嵌入式的应用产品只会不断的成长，因此虽然竞争越趋激烈，但都还有生存的空间存在。

在针对是否采用IP授权的方式来架构自有的嵌入式系统方面，则是要从非常多的层面进行考虑，分别叙述如下：

■对于处理能力的要求

由于处理器核心必须肩负起整个系统的运算或功能负载分配，因此在效能方面必须具有一定的要求，比如说在行动多媒体装置上，处理器必须肩负OS与视讯编译码的需求，若是采用纯软件编译码方案，那么处理器核心势必频率要高、运算性能（D要够强大），否则就是要考虑采用具备混合型运算架构的处理器设计，比如说搭配DSP核心、特定向量加速单元的通用处理器核心可以轻易的负担起这类工作，如果不想花太多时间在算法最佳化上，那么也可以选择使用硬件线路（）设计的模块来与特定处理器IP进行搭配，理论上可兼顾成本与效能，但如此一来也将失去应用弹性。

■第三方资源与开发工具

针对特定产品，此项可以说相当重要，也可以说是相当不重要，如果厂商注重自有功能的呈现，倾向于封闭式架构设计，而不开放的话，那么就无须顾虑第三方厂商或社群的支持度，如果是以开放性平台为目标，比如说一般智能型手机、等，这方面的支持度可能就会成为消费者作为采购考虑的要项之一。

■IP授权厂商提供程序代码的能力

因为终端厂商不一定具备完整的软件开发能力，且为了缩短产品从设计到上市的时间，便亟需IP厂商提供数量与质量皆符合一定要求的程序代码供套用，藉以发挥出硬件套件的功能，如果IP厂商仅提供硬件核心，软件必须由半导体设计厂商，甚至是终端厂商自行解决的话，这些厂商还要额外花功夫去学习处理器的架构、进行软件开发、除错与最佳化，不仅缺乏时效性，且对成本也是一大负担。

■平台的过往（backward）兼容性

嵌入式处理器开发，除了要兼顾到消能、功耗以及功能等表现以外，对于开发商来说，过去的软件能否继续沿用也将是考虑重点之一，毕竟软件资源的累积不易，如果要重新学习并投入资源开发，所需要花费的成本将非常庞大，甚至可能远超出开发商的负担，因此处理器IP本身在体系与指令集的支持方面便要格外注重，除了新功能的引进以外，处理器IP开发商也通常都在新一代的产品商提供接近百分之百的过往兼容性。

■其它问题

除了以上这些项目以外，IP提供商本身是否具备足够的稳定性与延展性也是评估要点，稳定性是指该厂商是否具备有持续经营的实力、产品线是否变动过于快速、支持工作是否有持续进行等等，而延展性则是指针对IP本身系列产品的未来规划、软件的开发、开发环境的完备等等条件。而既然采IP授权，那么授权手段与授权费用自然也是最需要重视的1点。不是越便宜越好，也不是越贵越有保障，要评估的是，除了所要授权的IP本身架构是否合乎需求，厂商提供的套件是否完备以外，能否达到以上几点的要求，将是授权费用与IP本身物有所值、物超所值，或是毫不值得的分界点。

IP的授权结构问题

我们以ARM公司的授权方式为例，来了解关于IP授权的方式与结构问题。一般来说，ARM的授权方式可分为架构（architecture）授权、应用（implementation）授权、单次使用设计授权等等，对授权方来说，ARM提供了处理器核心部分的硬件描述，其包括了完整的软件开发工具（编译器、除错器、开发套件），以及针对ARM处理器的销售权等。若是无晶圆厂的厂商希望将ARM处理器核心加入到他们自行研发的芯片当中，通常仅需要取得1份生产就绪的IP核心（IP ）认证，此时ARM就会提供这些厂商其所选择的ARM核心的闸极，并且也会一并提供抽象模拟测试以及相关的测试程序，以协助设计整合及验证。

若是整合组件制造商（IDM）或半导体厂商，则可以取得RTL形式的IP，藉由可整合的RTL，厂商可以进一步对架构进行强化，IDM或半导体厂商不得2次销售最佳化完成的处理器IP，但是可以任意营销其最终制品（包含芯片、开发样版、完整系统等等）。

而某些特殊的晶圆厂，则除了可取得销售最终成品的权力以外，也能保留重制ARM核心的权力。而如同一般IP授权厂商，ARM也是依照使用价值来决定其IP的售价，通常的状况之下，效能越高的架构，其授权费也越高。而持有ARM授权，且具有自行设计芯片能力的晶圆代工厂（如韩国三星与日本富士通），则能够二次授权给晶圆厂的代工客户，通常价格也比直接向ARM授权来得低廉，但是在以产量为主要考虑的情况之下，专门的晶圆代工厂（如台积电）其实具备了更强大的成本缩减能力。

多IP整合的协调机制

现有的IP因为IC产业分工的关系，1个SoC芯片所需的IP，通常分别由市场上众多厂商所分别开发出来，复杂化是SoC在智慧财产权上最大的问题。然而，逐一向IP拥有人洽谈智慧财产权的授权契约，很可能受限于双方谈判力之不均衡，无法就同一个SoC上的不同IP取得相同范围的权利，很可能不小心就逾越了授权的范围。但是厂商如果选择自行开发所需之IP，首先在专业上可能无法完成，其次，处理器架构的从无到有，其开发成本显然过高，不符合经济效益。因此，相关业者间之IP互相协调统合，显然是不得不然的趋势。更进一步来看，相关业者间有关IP组件之智能财产权授权契约、IP组件瑕疵责任之归属、侵权等问题，显然是乐观看待包含SoC等嵌入式市场应用成长时所不得不面对的问题。

如上所述，由于1个芯片上可能使用的IP不止1个，单纯处理器IP所需付出成本的比重也在逐渐降低之中，虽然仍在芯片中扮演举足轻重的角色，但是与其它IP的搭配也已经是无可避免的趋势，如何整合不同公司所拥有的各式IP，将是SoC相关业者必须面对并加以处理的，从产业分工的角度来看，协调整合IP授权的协调人（Coordinator）包括以下几种类型：

■信息产品制造商

信息产品无可避免必须利用到SoC芯片，除了寻求授权外，亦可能自行研发，由于此类制造商乃是SoC末端厂商，必须直接面对市场需求之快速变化，对于整合IP以期因应此种变化有相当程度的需求，是协调整合的人选之一。

■IC设计公司（IC Design ）

Design 在设计芯片时，为求缩短设计的时程，无可避免必须使用他人之IP组件，整合IP可简化授权的流程，取得统一之授权范围，避免侵权之疑虑，降低自行研发之成本，且Design 如能整合IP市场，将可以用基本的IP模块为基础，进行产品多样化的设设。

■ IP设计公司（IP ）

IP Vender以授权其所研发之IP予他人使用为本业，IP之协调整合，可使其占据有利之市场地位，提高其IP之授权机会，并可结合他人之IP，推出整合性的IP ，获取更多的利润。此类公司具代表性的以ARM、、ARC等，各家IP公司在发展过程中，为了取得必要的技术或其它领域的IP，通常也都会对市场上其它类型的IP设计公司进行购并的动作，藉以取得所需要的IP，并提升自己的竞争力。

■晶圆代工厂（Foundry Plant）

专业之晶圆代工厂，除了在制程在的改善外，目前也积极提供标准的IP 供其客户使用，并由其代客户处理授权及支付权利金的问题，对晶圆代工厂而言，若能整合IP市场，对于其业务之拓展将更添增助力。

结论

IP产业重视的整个生态系统（EcoSystem）的建立，以目前的态势看来，单一IP在市场上难有着力点，即便握有其它公司难以与之相较的技术优势，但其它公司若能够提供包括EDA厂商、IC芯片商、方案公司／ODM、系统厂商的配套方案，就算特定技术上稍占劣势，但是在开发流程、生产、营销等方面当可占有绝对的优势，也能够形成足够的吸引力，让开发商能够安心的选择。单一IP提供商，比如说大陆龙芯，在这方面就无法具备足够的市场竞争力，虽然在大陆市场可以藉由民族意识或政治影响力来说服开发商采用龙芯方案，但如果要推行到全世界，只怕还有不足之处。

图说：第一款采用IA架构的行动应用处理器/，功耗效能比目标直指ARM体系。

ARM公司在成立后不久，便因为包含（英特尔）等大型半导体厂商对嵌入式应用的忽视而找到立足点，当时该公司投入这块领域也不能不说是1种冒险，毕竟市场上没有前车之鉴，但是定位以及营利模式确立之后，其丰厚的利润除彰显该公司的成功以外，同时也激起市场上一片IP产业浪潮。但随着其它后进逐渐投入到处理器IP授权领域，甚至及AMD这2家”传统”处理器大厂也争先恐后的投入到包含行动装置等原本ARM最擅长的嵌入式应用领域当中，像ARM这类以处理器技术为主要营利及技术基础的IP公司不能不说是已经开始见到瓶颈，开始往其它方向寻求更进一步的发展。

2006年整年度的IP授权产业规模达26亿美元，但这些规模却是由数百家IP公司所贡献出来的，可预见的是，不久的将来必定会有大洗牌的现象，想要长久经营IP授权产业，已经不能仅靠独家核心技术，单一公司提供更多元的配套方案将会是提高竞争力的必要手段。因此同质或不同质IP公司彼此之间的互相整并，营造出大的智能财产经济规模，并进一步与台积电、联电、特许等芯片代工厂合作，将会是对抗如Intel这类不仅挟独门优势、具备多元化技术、且拥有庞大半导体工厂阵营的巨无霸公司的重要关键。