知识产权授权模式及其在芯片设计中的重要性

在整个20世纪90年代，英特尔占据了CPU领域的绝对主导，而此时格鲁夫已在CISC芯片和RISC选择了前者，这客观上为ARM的发展提供了空间。ARM公司于1991年将架构授权给英国GEC Plessey半导体公司，于1993年授权给凌云（Cirrus Logic）和德州仪器。当时，ARM、诺基亚和德州仪器合作开发了16位的Thumb指令集，创建了ARM/Thumb的系统级芯片商业模式。1997年，ARM发布ARM9架构时，从普林斯顿结构转向了哈佛结构，使原先的3级指令流水线提高到5级，最高的时钟频率达到220 MHz。次年，ARM10内核推出时已使用了6级流水线结构，改进了高速缓冲存储器，对乘法指令进行最佳化，并增加浮点运算。

尽管ARM10的性能已经大大提升，但是英特尔在ARM内核架构基础上已经扩展形成了Intel X Scale处理器。X Scale处理器的最高运行频率达到了1.25 GHz，面向的应用领域包括便携设备、网络设备、工控、嵌入式应用。尽管X Scale处理器具有高性价比、低功耗等特征，但其目标市场定位并不精准：在当时的通信设备细分市场中，英特尔在与博通、迈威尔、飞思卡尔的竞争中并无网络通信及协议方面的知识储备；在当时的手持设备细分市场中，德州仪器、瑞萨等已有成本、性能等竞争优势，与之相比X Scale处理器的性价比较低；在当时的自动取款机（ATM）、POS机，以及工业控制领域中，X Scale处理器的成长空间不大。在巨额亏损后，英特尔将X Scale处理器业务出售给迈威尔（Marvell）。

ARM的模式与格鲁夫当时选择CISC获得特许经营利润来源，有异曲同工之处。在ARM处理器架构授权的过程中，每个厂商得到了独一无二的ARM相关技术及服务，包括电路图、抽象模拟模型和测试方法、协助设计整合和验证服务等。在授权费用上，ARM公司的授权费根据内核架构而定：更高效能的ARM内核架构，授权费也更高。在授权合同上，ARM公司在与其签署售价、传播性等方面的授权条款的同时，也会包括内核的整合硬件描述和编译器等软件开发工具。不过，与英特尔的区别在于，ARM公司本身并不靠自有的设计来制造或出售CPU，后者由被授权方完成。

具体来说，ARM在知识产权授权模式中，一次性技术授权费用（通常为数百万美元）和版税提成（通常在1%～2%）是主要收入来源，实施方式包括处理器授权、处理器优化包（Processor optimization pack，简称POP）授权和架构授权三种。其中，处理器授权是指授权合作厂商使用ARM设计好的处理器，被授权方不能改变已有设计，但可以根据需要调整频率和功耗等参数。处理器优化包授权是处理器授权的高级形式，被授权方可以在特定工艺下设计和生产优化的处理器。架构授权则允许合作厂商使用架构，根据需求设计处理器芯片。

各大芯片设计厂商从ARM公司购买其所设计的ARM微处理器核，并根据自身定位在向细分领域发展时加入适当的外围电路，构建符合自身定位的微处理器芯片进入市场。在这种合作共生的生态中，ARM公司快速主导了全球精简指令系统计算结构微处理器标准，而其客户则可将ARM内核整合到他们自行研发的芯片设计中，相对较快地切入市场。至今，已有英特尔、IBM、博通、高通、华为、英飞凌、意法半导体、德州仪器、三星、LG、富士通、日本电气、恩智浦、索尼等上百家企业与ARM公司签订了技术使用许可协议，而微软等知名软件企业也成为了ARM的合伙人。对于ARM的用户来说，尽管不能再次出售ARM架构本身，但是在这基础上开发的芯片元件、完整系统等可以任意出售。

在整个授权体系中，垂直一体化制造商和设计公司可以借助可融合的寄存器传输级（Register Transfer Level，简称RTL）来实现架构上的最优化：数字系统各模块间的信息传输，以及模块内部各子模块之间的信息加工、存储与传输操作，不能用组合电路和时序电路中采用的方法进行描述，必须采用更高级的描述方法，寄存器传输级语言便是该方法，用于在系统要求与硬件电路间建立对应的关系。由于寄存器传输级语言能简明、精确地描述系统内信息的传送和处理，因而ARM的用户可以在完成额外的设标（如高振荡频率、低能量耗损、指令集延伸等）时，不会受限于无法变更的电路图。(www.xing528.com)

相比于英特尔的架构，ARM架构除了效率、功耗方面的优势外，可以授权给客户开发多元化的芯片产品，形成的“开源”模式更适合复杂的应用场景。从这个角度看，物联网时代的复杂网络、繁多设备更需要类似的“开源”架构。这也可以解释，ARM公司为什么逐步将发展重心转移至智能汽车、数据中心，以及物联网等领域，推出MBED物联网设备平台等产品，以提供基于常用平台和生态系统的开放式标准。

在ARM的“同行”中，MIPS 科技公司也是知名的知识产权模块企业，在知识产权模块经营中也占据领先优势，全球客户达数百家，范围覆盖数字消费、宽带、无线网络和便携式设备等。在通用处理器方面，MIPS的R系列微处理器可用于构建SGI的高性能工作站、服务器和超级计算机系统。在嵌入式处理器方面，MIPS的K系列微处理器可用于游戏机、路由器、激光打印机等领域。

对于芯片设计企业而言，除了采用知识产权模块外，电子设计自动化工具也必不可少。随着芯片的研发成本的不断提升，电子设计厂商已经越来越多地为设计公司提供定制服务，这也使得电子设计厂商的整合在不断上演。明导国际（Mentor Graphics）、新思科技（Synopsys）及益华电脑（Cadence）是三大主要供应商。新思科技于1986年创立，在发展历程中不断地通过并购获取新技术、完善产品线，直至提供从前端到后端的整个设计流程服务。新思科技的逻辑综合工具“设计编译器（Design Compiler）”是其核心产品，该产品与行为综合、硬件描述语言模拟器及晶体管级电路模拟器等产品，主要应用于专用集成电路的开发，用于协助逻辑设计的运行调试。益华电脑起步于20世纪80年代，以1983年第一台工作站平台Apollo开发为起点，逐步成为覆盖从硬件描述语言（或图形输入工具）到逻辑仿真工具、从逻辑综合到自动布局布线系统、从物理设计规则检测（DRC & ERC）和参数提取（LVS）到芯片的最终测试的几乎所有工具。明导国际与益华电脑的产品线类似，在设计的各个层次都有其开发工具。

随着技术的不断发展，电子设计厂商为设计企业所提供的服务越来越个性化。例如，益华电脑的架构分析师认为5G技术的发展“关乎容量和延迟……关乎能以多快的速度获取大量数据。它的另一个好处是，由于是一个动态系统，所以它可以不必占用整个频道或多个频道的带宽。这有点像带宽点播，取决于应用对带宽的需求。这样，它比上一代标准更加灵活，容量也高得多”。“对于5G和物联网，随着我们开发具有更高吞吐能力的802.11标准，以及ADAS所取得的进展，我们正在努力通过转向更小的工艺节点来降低功耗、降低成本、缩小尺寸并提高产量。考虑到在射频中会遇到的问题，随着节点越来越小，芯片变得越来越小。为了使芯片变得更小，必须采用更小的封装，但这对射频设计不利。在模拟方面，我并不担心布局的分布式效果。金属部分在所有频率上都有电阻。如果是射频效应，这就是一条不同传输线，具体取决于发送的频率。现在，我正在把所有东西做得更加紧密，而且这种情况发生的时候，其耦合指数呈指数增长。随着节点越来越小，这些耦合效应会越来越明显。工艺节点的持续缩小也意味着偏置电压更小，所以噪声的影响会更大，因为没有在更高的电压下偏置器件。在较小的电压下，相同能量的噪声影响更大。可见，在5G这样的系统中会出现许多新问题。”对于5G的三大应用场景增强移动宽带、海量机器类通信和超可靠低时延通信而言，其所用以有效承载所有不同的流量类型提升，以及未来在商业应用中灵活地升级和扩展，都意味着新的定制化设计―性能、功耗和可靠性的不同维度，意味着每个细分场景有其不同的限制条件；对于部署在核心网络或云中的设备而言，它与其他部署的设备对芯片架构又有所不同。