By Eric Esteve (PhD.) Analyst, Owner IPnest

       我们已经看到，接口类IP在过去20年里以惊人的速度增长，而且我们预计这一类别至少在未来十年内会产生持续的高额IP收入来源。但是，如果我们深入研究各种成功的协议，如PCI Express、以太网或USB，我们可以在物理（PHY）部分发现一个共同点，即串行器/解串器（SerDes）功能。

       1998年，电信应用中使用的高级互连基于622 MHz LVDS I/O芯片制造商正在制造集成256个LVDS I/O的超大芯片，运行频率为622MHz，以支持网络架构。今天，先进的PAM4 SerDes的运行速度为112 Gbps， 通过单个连接即可支持100G以太网。二十年来，SerDes的技术效率跃升了180倍！ 如果我们快速比较一下CPU技术， 1998年，英特尔发布了奔腾II Dixon处理器，其频率是300 MHz。 在2018年，英特尔酷睿i3以4 GHz运行， CPU频率增长了15倍，在长达20年的时间里，SerDes的速度猛增了180倍。

       SerDes现在被用于比电信更多的应用中，用于连接芯片和系统。在2000年代末，智能手机集成了USB3、SATA 和HDMI接口，而电信和PC/服务器集成了PCIe和以太网。这些趋势导致接口IP市场成为一个相当大的IP类别， 当时增长超过2亿美元。与CPU类别相比，CPU类别是它的四到五倍。但是，自2010年以来，接口类的增长率每年至少达到15%。与所有其他半导体IP类别（如CPU、GPU、DSP、Library 等）相比，它是增长最快的类别。其中的原因与每年连接的设备数量增长直接相关，彼此交换更多的数据（更多的电影、图片等）。连接是通信链的起点，连接到internet调制解调器或基站、以太网交换机和数据中心网络。

图1：以太网交换机长期预测（来源：Dell'Oro）

       在2010年到2020年的十年里，世界范围内的所有群体几乎完全联系在一起。随着连接速率和数据中心数量在过去十年中迅速增加，以太网成为这种连接的主干。如果我们使用SerDes速率作为指标，它在2010年为10 Gbps，2013年为28 Gbps，2016年为56 Gbps（分别支持10G、25G和50G以太网），2019年为112 Gbps。

       然后，在2017年，新兴数据密集型计算应用（如机器学习和神经网络）对高速连接需求的急剧上升，增加了对高带宽连接的日益增长的需求。同时，由于CMOS技术向先进的FinFET发展，模拟混合信号体系结构(从一开始就是SerDes设计的标准)变得极其难以管理，并且对工艺、电压和温度变化更加敏感。

       在现代纳米FinFET技术中，考虑到晶体管的微小尺寸，构建晶体管需要堆叠单个电子。因此，建造精确的模拟电路来承受压力环境的变化是极其困难的。

       但像7nm这样的先进技术的优点是，你可以以平方毫米（每平方毫米1亿个晶体管的密度）集成数量惊人的晶体管，因此，现在有可能利用数字信号处理（DSP）开发新的基于数字的架构来完成绝大部分的物理层工作。 与以前的历史模拟混合信号方法所使用的不归零（NRZ或PAM2）相比，基于DSP的体系结构可以使用更高阶的脉冲幅度调制（PAM）调制方案。

       PAM 4使信道的数据吞吐量在不增加信道本身的带宽前提下翻倍。例如，具有28ghz带宽的信道可以使用NRZ信令支持56gbps的最大数据吞吐量。随着PAM-4dsp技术的使用，同样的28ghz带宽信道现在可以支持112gbps的数据速率！当您考虑到模拟SerDes体系结构由于物理原因（可能更少……）被限制在56 Gbps的最大速率时， DSP SerDes是一种通过使用更复杂的调制方案（例如PAM-6或PAM-8）将速率扩展到200 Gbps及以上的方法。

       在FinFET技术中，使用基于DSP的SerDes不仅是构建耐用的接口所必需的，而且也是在56gbps以上将数据速率加倍的唯一方法，例如，PAM-4为112gbps，PAM-8为200gbps。而这种对更多带宽的需求与新兴的数据密集型应用程序如AI（连接CPU和加速器）、ADAS和以数据为中心的互联人类社区趋势相关，预计在未来十年内将稳步增长。

图2:IP预测和复合年增长率前5名（来源：IPnest 2020）

       在“接口IP调查”中，IPnest按协议对2009年以来IP供应商收入的市场份额进行了排名。在2020年版的报告中， 我们已经表明，从2020年到2024年，接口IP类别的复合年增长率将达到15%，达到15.7亿美元，如图2所示。这是一个广泛的IP市场，包括PCIe、以太网和SerDes以及USB、MIPI、HDMI、SATA和内存控制器IP。2019 年，Synopsys在估计8.7亿美元的IP市场中占据53%的市场份额，其主导地位毋庸置疑。其次是Cadence，占12%。

       两家EDA公司都定义了一站式的商业模式，面向主流市场。这一战略对这些大公司来说是成功的，因为它针对的是各种细分市场（智能手机、消费者、汽车或数据中心）的广泛部分，而不是这些细分市场中要求最高的高端部分。

       然而，另一个策略对于IP市场是成功的，那就是将重点放在一个细分市场（如高端市场），并为要求非常高的客户提供最佳体验。如果你能建立一个优秀的工程团队，能够用最先进的技术开发出高质量的产品，专注于高端市场，那么由此产生的商业模式将是值得的。

       我们已经看到SerDes IP是接口IP市场的关键。此外，如果我们专注于PCIe和以太网协议，图3说明了2020-2025年的IP收入预测，仅限于高端PCIe（第5代和第6代）和高端以太网（基于56G、112G和224G SerDes的PHY），其中包括D2D协议，原因将在稍后介绍。

图3：高端接口IP预测和复合年增长率（来源：IPnest 2021）

       这一高端接口IP预测显示，在2020-2025年其复合年增长率为28%（相比之下，接口IP市场的总复合年增长率为15%），到2025年，TAM将达到8.06亿美元。

       一家年轻的公司在高端接口IP领域表现出了强大的领导能力，这得益于他们专注于高端SerDes（2017年起为112G，很快将为200G），由两家领先的铸造厂TSMC和三星提供的最先进的技术节点（2017年为7nm，2019年为5nm）。

       Alphawave成立于2017年，据传其在2020年的订单为7500万美元，这得益于其定位是针对最先进的速率和高端PCIe 以及以太网细分市场的应用。在这部分市场中， 它们在2019年和2020年的市场份额分别为28%和36%。如果Alphawave能够在高端SerDes市场保持领先地位，那么预计到2024-2025年，IP收入将达到3-4亿美元并非不现实！

       自2019年以来，出现了一个新的细分市场，即D2D接口，预计2020-2024年复合年增长率将达到46%。根据定义，D2D协议在一个普通的硅封装中用于两个芯片或芯片之间。简单地说，我们考虑了两种D2D情况：i）主SoC的不集成，以避免SoC面积严重影响产量或变得大于最大掩模尺寸，或ii）SoC与“服务”芯片（可以是i/O芯片、FPGA、加速器……）互连。

       在这一点上（2021年2月），正在使用多种协议，业界试图为其中的许多协议建立正式的标准。 当前领先的D2D标准包括：i）英特尔最初定义的高级接口总线（AIB，AIB2），提供了免版税使用； ii）高带宽内存（HBM）高级SerDes IP成为现代半导体的关键©2021 IPnest 6，其中DRAM裸片彼此堆叠在硅中介层的顶部，并使用TSV连接；iii）领域特定体系结构（ODSA）子组是一个行业组织，它还定义了另外两个接口，电线束（BoW）和OpenHBI。

       所有这些D2D标准都基于类似DDR的协议，这是一组平行的单端数据线，与当前在2GHz到4GHz范围内工作的转发时钟相配合。通过在非常短的距离上使用数百条并行线，这些接口与VHS SerDes NRZ竞争，通常定义在40 Gbps左右，与SerDes相比，提供了更低的延迟和更低的功耗的强大优势。

       目前业界普遍认为，疯狂地关注摩尔定律的做法对先进技术节点（如7nm及以下）不再有效。芯片集成仍在进行，每平方毫米都会增加更多晶体管。然而，每一个新节点的每一晶体管成本都在不断增加。芯片组技术是一项关键举措，它在使用旧的主流节点来服务芯片组的同时，推动主SoC的集成度的提高。这种混合策略降低了直接将服务IP集成到主SoC中所带来的成本和设计风险。IPnest认为，这一趋势将对接口IP业务产生两大影响， 一是D2D IP收入（2021-2025）会呈现强劲增长，另一个是创建异质芯片市场，以扩大高端SerDes IP市场。

       我们对2020-2025年D2D接口IP类别的增长进行了预测，从2020年的不足1000万美元增长到2025年的1.71亿美元（复合年增长率87%）。这一预测是基于这样一个假设：2023年服务芯片市场将会爆发式增长，届时大多数高级SoC将在3nm内设计。这将使得像SerDes这样的高端IP的集成风险太大，导致将这一功能外化到以7或5nm 等更成熟节点设计的芯片中。

       如果接口IP厂商将成为这场革命的主要参与者，那么解决最先进节点（TSMC和Samsung等）和制造主要SoC的硅铸造厂将发挥关键作用。我们不认为他们会设计芯片，但他们可以决定支持IP供应商，并推动他们设计出用于3nm SoC的芯片组，就像他们今天支持先进的IP供应商将他们的高端SerDes作为7nm和5nm硬IP推向市场时所做的那样。英特尔最近向第三方代工厂的转型有望同时利用第三方IP，以及半导体重量级企业采用的异质芯片。在这种情况下，毫无疑问，像微软、亚马逊和谷歌这样的超标量公司也将采用芯片体系结构……如果他们在芯片采用方面甚至没有先于英特尔的话。