國(guó)產(chǎn)?芯片廠商的突破口在何處?

“時(shí)來天地皆同力，運(yùn)去英雄不自由”。

計(jì)算機(jī)背后的集成電路已由上世紀(jì) 40 年代占地 150 平方米、重達(dá) 30 噸的龐然大物，演進(jìn)成僅有手指般大小的超高密度的電子芯片。芯片是 IT 時(shí)代的算力底座，市場(chǎng)規(guī)模近萬億美元，但這個(gè)領(lǐng)域一直是我們被“卡脖子”的軟肋。

近日，接連不斷的并購案和頻繁涌現(xiàn)的新品發(fā)布，讓芯片行業(yè)處于前所未有的大變局之中。

去年 9 月，英偉達(dá)宣布以 400 億美元的價(jià)格從軟銀手中收購 Arm，以加強(qiáng)自己在 CPU 方面的短板，憑借 CPU+GPU 的方式正式進(jìn)軍云數(shù)據(jù)中心；10 月，英特爾宣布將 NAND 業(yè)務(wù)以 90 億美元的價(jià)格賣給 SK 海力士；同月，AMD 收購 FPGA 行業(yè)的巨頭 Xilinx，同樣劍指云數(shù)據(jù)中心；而這樣紛繁復(fù)雜的局面在一代神芯蘋果 M1 發(fā)布之后變得更加撲朔迷離。

不僅如此，近期英特爾也官宣將在一個(gè)月后換帥，現(xiàn)任掌門人 Bob Swan 此前是英特爾的財(cái)務(wù)官，缺乏技術(shù)方面的專業(yè)背景。可能也正是由于這方面的欠缺，英特爾在技術(shù)層面衍生出許多問題，遲遲陷在 14nm 制程上無法突破，也帶來了“火線換帥”的局面。

此外，另一巨頭英偉達(dá)帶著 RTX3060 也正式登場(chǎng)，并采用了 3584 CUDA 核心，GPU 頻率可達(dá) 1.78G Hz，配備了 12GB 的 GDDR6 顯存，可以說英偉達(dá)在顯卡市場(chǎng)上也開始拼盡全力了。

在此趨勢(shì)下，我們不僅要看清芯片巨頭們的競(jìng)爭(zhēng)格局，更要躬身入局，加快我們自身的追趕步伐。也希望本文能為正走在這條道路上的技術(shù)人們帶來一些思考。

1. 蘋果 M1 芯片“抗打”

眾所周知，IT 界每十年就會(huì)產(chǎn)生一種新的生態(tài)，如二十年前的 Wintel 的 PC 生態(tài)、如十年前 Android、iOS+ARM 形成的移動(dòng)終端生態(tài)，未來的一兩年內(nèi)，想必也會(huì)有新生態(tài)形成，因此哪種芯片能夠領(lǐng)先競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，那么誰的生態(tài)就可能笑傲江湖，而統(tǒng)治 IT 生態(tài)對(duì)于科技巨頭而言是保持基業(yè)常青的最大砝碼，這也是蘋果耗費(fèi)巨大精力也要打造出 M1 的主要原因。

M1 的優(yōu)勝原因在于，目前計(jì)算機(jī)的體系架構(gòu)更偏向于劃定界限明確分工，CPU、內(nèi)存等模塊都是彼此都是獨(dú)立的，不過 M1 打破了這個(gè)潛規(guī)則，本質(zhì)上 M1 并不是一顆傳統(tǒng)意義上的 CPU，而是 CPU、GPU、內(nèi)存乃至協(xié)處理器集成在一塊 SOC 上的微型主機(jī)。

不過，這樣做的缺點(diǎn)是擴(kuò)展性差，使用 M1 的主機(jī)無法擴(kuò)展內(nèi)存，但這樣的好處也非常明顯，集成式 SOC 所帶來的性能提升令人驚嘆。據(jù)最新的評(píng)測(cè)來看，M1 的單核得分超過了 AMD 最新的 ZEN 3 架構(gòu)的 Ryzen 9 5950X 和 Intel i9-10900K。

M1 不僅 CPU 性能強(qiáng)悍，它的圖形性能也很出眾，已經(jīng)完全脫離了之前業(yè)界對(duì)于集成顯卡的理解范圍。據(jù)數(shù)據(jù)顯示，M1 的顯卡性能與英偉達(dá)的 GTX 1650 與 GTX 1050Ti 之間，比目前輕薄本主流集成顯卡性能高出好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

另外，M1 的功耗也非常低。據(jù)網(wǎng)友用《古墓麗影：崛起》進(jìn)行測(cè)試案例結(jié)果時(shí)，M1 的平均功率分別是 CPU 7.5W、GPU 7W，作為對(duì)比僅是 1650 顯卡功率要求就有 75W。

這樣的表現(xiàn)除了對(duì)筆記本桌面市場(chǎng)帶來一定震撼外，也為云數(shù)據(jù)中心指明了一條道路。畢竟，云數(shù)據(jù)中心不僅對(duì)于電力消耗的要求極其高，而且如何為服務(wù)器降溫更是一個(gè)巨大的課題，業(yè)界中如微軟、Facebook 等企業(yè)此前為了解決這一難題甚至將數(shù)據(jù)中心建到海底，阿里云也有液冷服務(wù)器的技術(shù)，當(dāng)然這些都是針對(duì) CPU 這個(gè)耗能大戶設(shè)計(jì)的，如果能 CPU 耗能低到 10w 以內(nèi)，將對(duì)于云計(jì)算服務(wù)商產(chǎn)生巨大的吸引力。

目前云操作系統(tǒng)基本是 Linux 的天下，這意味著，一旦低耗能高性能的 M1 可以平穩(wěn)運(yùn)行 Linux，那么云平臺(tái)和 Android 平臺(tái)的大量生態(tài)級(jí)應(yīng)用就可以全部被 ARM 和開源的聯(lián)盟收入囊中，這樣帶來的可能性正是開源社區(qū)正在全力向 M1 上移植 Linux 的原因，而如何面對(duì) M1 集成式 SOC 的趨勢(shì)將是今后各大巨頭的必須要回答的問題。

2. 英特爾“求變”

相比之下，另一科技巨頭英特爾的處境似乎不太好，一直以來 CPU 領(lǐng)域的跟隨者 AMD 已經(jīng)大有后來者居上的氣勢(shì)，不但推出了 ZEN3 架構(gòu)的 CPU，制程 7nm 性價(jià)比也全面超越它，并且還收購了人工智能領(lǐng)域 FPGA 芯片巨頭賽靈思。

英特爾在 14nm 制造上遲遲無法突破，而蘋果這樣的消費(fèi)者硬件廠商，對(duì)于先進(jìn)制程芯片帶來的節(jié)能效應(yīng)還是非常看重的，因此蘋果發(fā)布自研 M1 終止與英特爾合作，這使得英特爾無論如何也不能再擠牙膏了。

英特爾于日前宣布任命帕特?；粮駷樾氯?CEO，與前任 CEO 財(cái)務(wù)出身不同，基辛格是與英特爾一起成長(zhǎng)起來的技術(shù)專家，新帥基辛格的回歸勢(shì)必要?jiǎng)χ赶冗M(jìn)制程。

不過，近來以來，芯片市場(chǎng)中桌面業(yè)務(wù)明顯趨于萎縮，而云計(jì)算領(lǐng)域卻是不斷增長(zhǎng)，英偉達(dá)收購 ARM、AMD 收購賽靈思其實(shí)都是在布局云數(shù)據(jù)中心。在這里，不得不提一下基辛格的前東家，2012 年，基辛格接手 VMware CEO 一職，經(jīng)過多年的努力，如今 VMware 在云計(jì)算方面幾乎沒有敵手，取得了營(yíng)收翻 3 倍的成績(jī)，且在虛擬化云計(jì)算領(lǐng)域也是佼佼者，因此基辛格的王者歸來，讓大家對(duì)英特爾充滿了期待，也相信英特爾將很快會(huì)重新取得突破，迎來嶄新未來。

3. AMD vs NVIDIA：關(guān)鍵在制程

在顯卡市場(chǎng)，一直被英偉達(dá)（NVIDIA）吊打的 AMD 也在近期迎來了高光時(shí)刻，AMD 在去年年底發(fā)布的 RX6000 系列顯卡在很多方面幾乎反過來壓制了英偉達(dá)同級(jí)別的 GPU。事實(shí)上，制約顯卡性能最大的因素在于帶寬，而RX6000 系列有 RDNA 2 無限緩存技術(shù)的加持，相比 RDNA 帶寬提升 50%，頻率提升 30%，這意味著 RDNA 2 的默頻可以輕松達(dá)到 2G 以上，這對(duì)于性能的提升幅度將是巨大的，而微軟官宣 XBox X|S 是全球唯一搭載 RDNA 2的游戲主機(jī)平臺(tái)，這樣的表態(tài)可以看作是微軟對(duì)于 AMD 顯卡性能的一種“背書”。

而 AMD 能在 CPU 領(lǐng)域與英特爾一較長(zhǎng)短，在 GPU 也能和英偉達(dá)正面較量的關(guān)鍵原因還是在于制程。

此前，由于財(cái)務(wù)原因，AMD 在 2008 年底賣掉了自己的晶圓廠，自此以后，AMD 的主要芯片代工制造商就是臺(tái)積電，這樣的結(jié)盟使得 AMD 能夠率先用上 7nm 的制程。正如我們上文所說，能掌握先進(jìn)節(jié)能的芯片，對(duì)于 IT 廠商建立自身生態(tài)意義非凡，因此才會(huì)出現(xiàn)眾巨頭爭(zhēng)搶臺(tái)積電產(chǎn)能的情況。

憑借對(duì)先進(jìn)制程的把握與高超的芯片工藝水平，近些年來，英偉達(dá)也將很多之前屬于三星的訂單轉(zhuǎn)投給臺(tái)積電，根據(jù)今年三季度的財(cái)務(wù)，臺(tái)積電這家芯片制造業(yè)的巨頭今年的毛利潤(rùn)率已經(jīng)達(dá)到了 53%，這代表他們芯片制造的成本還不到出廠價(jià)的一半，這在世界 500 強(qiáng)的公司當(dāng)中是絕無僅有的，甚至遠(yuǎn)超被稱為 IT 界奢侈品牌的蘋果公司。

建設(shè)和維護(hù)晶圓廠實(shí)在太花錢了，還需要不斷按部就班的升級(jí)工藝，業(yè)界目前也就臺(tái)積電和三星兩大玩家。由于分工的明確化，臺(tái)積電從起家就一直專注于芯片代工，不僅工藝升級(jí)非常快，而且在良品率上也很讓人滿意，而且臺(tái)積電多年來從來沒有涉及過芯片設(shè)計(jì)，對(duì) AMD、英偉達(dá)這類客戶芯片 IP 保護(hù)工作做的非常好，也正是由于專注在芯片制造，臺(tái)積電才有精力和財(cái)力把業(yè)務(wù)做好做大，這也符合未來芯片行業(yè)的分工趨勢(shì)。

基于以上，在看清巨頭的紛爭(zhēng)后，我們還是要解決自己的問題，在打壓了華為、大疆以后，最近美國(guó)又把目光盯上了小米、中微電子等公司，通過分析巨頭們的策略，筆者認(rèn)為針對(duì)芯片的不同領(lǐng)域，我們需要采用不同的策略加以應(yīng)對(duì)。

4. 國(guó)芯前路之 EDA：相信時(shí)間累積而非資本力量

EDA 其實(shí)是工業(yè)軟件計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) CAD 的一個(gè)分支，依靠 EDA 工具，芯片設(shè)計(jì)人員可以從概念、算法、協(xié)議等開始設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)，完成電子產(chǎn)品從電路設(shè)計(jì)、性能分析到設(shè)計(jì)出 IC 版圖或 PCB 版圖的整個(gè)過程。

有數(shù)據(jù)顯示，2018 年全球 EDA 市場(chǎng)規(guī)模還沒突破 100 億美元，EDA 相對(duì)于幾千億美元的芯片產(chǎn)業(yè)來說從產(chǎn)值上看根本不值一提，不過少了 EDA 整個(gè)芯片產(chǎn)業(yè)都得停擺。EDA 市場(chǎng)前三位的 Synopsys、Cadence 和西門子在我國(guó) EDA 的市場(chǎng)份額達(dá)到 95% 以上，因此 EDA 軟件是我們芯片行業(yè)亟待突破的第一關(guān)。

EDA 行業(yè)是一個(gè)典型的小而美的行業(yè)，可分為前端和后端，前端主要負(fù)責(zé)邏輯實(shí)現(xiàn)，后端跟工藝緊密結(jié)合。

與 MATLAB 等工業(yè)軟件一樣，EDA 的前端技術(shù)需要最新邏輯元件的資料輸入，不過大部分國(guó)產(chǎn) EDA 廠商還無法支持 7nm 的邏輯元件，與臺(tái)積電、三星等頂級(jí)芯片制造商的聯(lián)系較少，巧婦難為無米之炊，沒有最新工藝資料 EDA 前端，很難真正做好。

EDA 后端則需要高質(zhì)量的模擬與仿真，這需要長(zhǎng)時(shí)間的技術(shù)積累，乃至不斷地并購才能保持自身在技術(shù)迭代的浪潮中保持優(yōu)勢(shì)的方法。筆者認(rèn)為想解決國(guó)內(nèi)的 EDA 軟件問題，或可從以下幾個(gè)方面入手：

國(guó)家層面不斷推動(dòng)企業(yè)整合。這方面美國(guó)的經(jīng)驗(yàn)非常值得我們借鑒，他們的 EDA 企業(yè)并非沒有過惡性競(jìng)爭(zhēng)，不過政府并沒有放任這種競(jìng)爭(zhēng)的持續(xù)而是直接出手干預(yù)了市場(chǎng)。EDA 三巨頭之一的 Synopsys 成立以來，就發(fā)起幾十余項(xiàng)并購交易，不斷尋找那些在 EDA 功能模塊中做得比較有特色的成功企業(yè)進(jìn)行并購，從而使得自身能夠覆蓋前后端整個(gè)設(shè)計(jì)流程。

尤其是 2002 年 Synopsys 在美國(guó)商務(wù)部、司法部的牽線下，以 8.3 億美元收購了 Avanti 公司，使得 Synopsys 成為 EDA 歷史上第一家可以提供頂級(jí)前后端完整 IC 設(shè)計(jì)方案的領(lǐng)先 EDA 工具供應(yīng)商，并在 2008 年超越 Cadence 成為全球最大的 EDA 工具廠商。

而值得注意的是，在此之前 Avanti 一直與 Cadence 公司深陷于專利官司之中，這場(chǎng)并購幾乎由美國(guó)政府主導(dǎo)，也正是通過這樣的并購，使得美國(guó)的 EDA 公司結(jié)束了專利內(nèi)斗，迅速拓展并占領(lǐng)了海外市場(chǎng)。

持續(xù)提高投入。以 EDA 的三巨頭為例，從三家公司財(cái)務(wù)來看，其最大支出部分用于產(chǎn)品的研發(fā)，其中 Synopsys 和 Cadence 這兩家公司在 2019 年的研發(fā)支出超過了 20 億美元。

加大人才培養(yǎng)力度。綜合來看，國(guó)內(nèi)包括芯愿景、華大九天等在內(nèi)的 EDA 公司，最大短板在于研發(fā)力量的薄弱，而我們需要不斷加強(qiáng)人才的培養(yǎng)與輸出。

5. 國(guó)芯前路之指令集：重點(diǎn)突破優(yōu)先

既使有了 EDA 軟件，進(jìn)行芯片設(shè)計(jì)了，我們的芯片設(shè)計(jì)師們?cè)趧?dòng)手之前，也必須先決定芯片的指令集。

指令集之所以重要，舉例說明，正如 x86 芯片中有 SSE（Stream SIMDExtentions）數(shù)據(jù)流單指令多數(shù)據(jù)擴(kuò)展，SSE 系列指令提供了 8 個(gè) 128bit 的寄存器進(jìn)行 SIMD 操作。

目前主流的 CPU 是 64 位的，即在一個(gè) CPU 振蕩周期都只能處理 64 位長(zhǎng)的數(shù)據(jù)并得到一個(gè) 64 位長(zhǎng)的結(jié)果，而 SSE 的擴(kuò)展恰恰就是可讓 64 位的 CPU 在一個(gè)周期內(nèi)對(duì) 128 位長(zhǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并得到 128 位長(zhǎng)的結(jié)果，從而大幅提高雙精度數(shù)據(jù)的處理效率。因此我們看到很多用于科學(xué)計(jì)算的軟件包底層都是使用 C 語言內(nèi)聯(lián)嵌入 SSE 匯編指令的代碼進(jìn)行性能優(yōu)化，并取得極好的效果。而 ARM 系列芯片的成名之作就是大小核，其中大核專門針對(duì)性能優(yōu)化，小核專門針對(duì)功耗優(yōu)化，可謂忙時(shí)用大核干得歡，閑時(shí)用小核歇得爽。像這樣的芯片指令集都是被專利保護(hù)的，想使用必須得到 IP 授權(quán)，因此指令集也是一個(gè)我們必須直面困難的領(lǐng)域。

目前我國(guó)擁有完整知識(shí)產(chǎn)權(quán)的芯片指令集就是龍芯在去年底時(shí)發(fā)布的 LoongArch。LoongArch 是一種可以支持模擬運(yùn)行 x86 或者 ARM 的指令集，因此可以深度兼容 Windows、Linux、Android 程序，但是這種模擬運(yùn)行也有性能損耗，而且從目前來看這種性能代價(jià)還是不小的，當(dāng)然據(jù)筆者所知龍芯目前正在全面優(yōu)化虛擬化模擬的代碼，以盡力將損耗壓縮到 20% 以內(nèi)。

除了 LoongArch 以外，RISC-V 也是一個(gè)突破方向。

RISC-V 是 2010 年新出現(xiàn)的開源精簡(jiǎn)指令集架構(gòu)，架構(gòu)設(shè)計(jì)上沒有歷史包袱，采用的理念和方法較為先進(jìn)。和主流架構(gòu) x86/ARM 相比，RISC-V 架構(gòu)篇幅更少，基本指令集更少，支持模塊化和拓展性，而且為貫徹開源精神，目前 RISC-V 基金會(huì)已經(jīng)有搬遷至瑞士的計(jì)劃了，不過 RISC-V 架構(gòu)出現(xiàn)時(shí)間晚，適配軟件和工具方面沉淀不足，目前雖然由阿里達(dá)摩院推出了號(hào)稱最強(qiáng) RISC-V 的玄鐵 910 芯片，不過總體上講其生態(tài)環(huán)境構(gòu)建尚需時(shí)間。

6. 國(guó)芯前路之晶圓制造：還需國(guó)家引導(dǎo)基礎(chǔ)科學(xué)發(fā)展

與 EDA 相同，晶圓制造也是一個(gè)需要時(shí)間積累的領(lǐng)域。在制造領(lǐng)域需要光刻機(jī)、光掩膜、光刻膠與芯片工藝相結(jié)合才行，這其中涉及太多基礎(chǔ)物理、化學(xué)方面的知識(shí)。

不過我國(guó)光刻技術(shù)的起步并不晚，早在上個(gè)世紀(jì) 60 年代，中科院就開始研究光刻機(jī)了，并且在 1965 年就研制出 65 型接觸式光刻機(jī)，1972 年武漢無線電元件三廠編寫的《光刻掩模的制造》的書中，具體講述了當(dāng)時(shí)那個(gè)時(shí)代，我們光刻技術(shù)的發(fā)展歷程，后來 1980 年中國(guó)清華大學(xué)第四代分布式投影光刻機(jī)獲得成功，將光刻精度縮小至 3 微米，這個(gè)制程與當(dāng)時(shí)國(guó)際先進(jìn)水平非常接近，有關(guān)這段往事筆者曾經(jīng)在前文《國(guó)產(chǎn)芯回憶錄：造光刻機(jī)的去賣早點(diǎn)，搞 EDA 的去組裝電腦》中介紹過了，這里不加贅述了。

而我們想在芯片制造方面突破，最關(guān)鍵的還是要靠國(guó)家層面的政策支持與引導(dǎo)。

此外，我們也必須清醒的認(rèn)識(shí)到，芯片雖然是 IT 領(lǐng)域的核心產(chǎn)業(yè)，但芯片制造卻更偏向于基礎(chǔ)科學(xué)的屬性，只能結(jié)硬寨，打硬仗，沒有捷徑可言，這里筆者也呼吁業(yè)界同仁給予華為以及我國(guó)整個(gè)芯片業(yè)以更多耐心，以期破壁圖強(qiáng)，逆境重生。
責(zé)任編輯:tzh