從“芯”設(shè)計分析我國芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的問題

胡春麗 新疆供銷學(xué)校

2019 年5月16 日（美國當?shù)貢r間2019 年5月15 日），美國總統(tǒng)特朗普簽署行政命令宣布美國進入緊急狀態(tài)，要求企業(yè)不得使用對國家安全構(gòu)成風(fēng)險的企業(yè)所生產(chǎn)的電信設(shè)備，并要求商務(wù)部與其他政府機構(gòu)合作，在150 天內(nèi)制定一份實施計劃。行政命令引《國際緊急經(jīng)濟權(quán)力法》規(guī)定，賦予總統(tǒng)在緊急狀態(tài)下實施商業(yè)管制權(quán)力。中美貿(mào)易摩擦和華為事件讓半導(dǎo)體行業(yè)在國內(nèi)得到了前所未有的審視和關(guān)注。

芯片不突破，人工智能發(fā)展就是空中樓閣，自主可控是人工智能唯一可行的路徑。華為遭遇美國制裁加快推動中國芯片產(chǎn)業(yè)上游的設(shè)計、材料、設(shè)備的國產(chǎn)化進程。

芯片設(shè)計少數(shù)企業(yè)已經(jīng)嶄露頭角，有望率先走向一線舞臺。根據(jù)相關(guān)上市公司財報披露，按照營收排名，華為海思目前已在芯片設(shè)計領(lǐng)域排名第五，2018 年營收增速高達 34.2%，在同行中排名第一。但總體來看，設(shè)計行業(yè)的核心技術(shù)仍然在美國，2018 年美國占了全球芯片設(shè)計份額的 53%，中國占比為 11%。芯片設(shè)計有望率先突破，但未來發(fā)展面臨的制約因素不可忽視。對于芯片設(shè)計來說，EDA 軟件、底層架構(gòu)、合作伙伴與客戶是芯片設(shè)計的三大生態(tài)壁壘。

一、EDA 軟件與設(shè)計制造綁定

EDA 放在最前面是因為國內(nèi)無法替代，EDA 軟件被禁后，設(shè)計寸步難行。EDA 軟件是芯片設(shè)計最上游、最高端的產(chǎn)業(yè)。行業(yè)存在高度壟斷，前3 家EDA 設(shè)計軟件公司（Synopsys、Cadence、Mentor）為客戶提供完整的前后端技術(shù)方案，壟斷了全球 65%和國內(nèi) 96%以上的市場份額。

EDA 軟件是工業(yè)化軟件，壁壘不在于軟件算法、模型，而是需要與國際上的主流foundry 廠合作，讓foundry 提供各種支持。這種合作的壁壘很高。因為對foundry 來說，培養(yǎng)新的EDA 合作伙伴，需要投入更多的資源和成本，但是更多和EDA 合作方并不能帶來增量收入。另外，國內(nèi)的EDA 軟件研發(fā)人才少，軟件開發(fā)人才大多數(shù)被互聯(lián)網(wǎng)和金融行業(yè)吸引，導(dǎo)致EDA 軟件研發(fā)人才嚴重不足。

從EDA 行業(yè)龍頭發(fā)展歷程看，EDA 行業(yè)是厚積薄發(fā)的生意，需要很長的前期積累。如果有新進入者首先需要經(jīng)歷無收入的巨額投入和有收入的虧損階段，從企業(yè)經(jīng)營的角度看，沒有動力新進EDA行業(yè)，除非不能使用現(xiàn)有EDA 廠商的產(chǎn)品。

二、底層架構(gòu)和操作系統(tǒng)綁定

處理器架構(gòu)是CPU 廠商給屬于同一系列的CPU 產(chǎn)品定的一個規(guī)范，用硬件電路實現(xiàn)指令集所規(guī)定的操作運算，處理器架構(gòu)設(shè)計是目前芯片產(chǎn)業(yè)的最高層級和最重要的層級。

處理器底層架構(gòu)的生態(tài)邊界體現(xiàn)在兩方面，一是技術(shù)難度高，新進入者很難做出來；二是做出來之后，沒有匹配的操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件。因為不同的操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件都是建立在對應(yīng)的底層處理器架構(gòu)之上，現(xiàn)有的操作系統(tǒng)和應(yīng)用都是建立在現(xiàn)有的底層架構(gòu)之上。例如英特爾的CPU 和微軟的windows，ARM 系列芯片和安卓系統(tǒng)及應(yīng)用，蘋果處理器與IOS 系統(tǒng)及應(yīng)用。

底層架構(gòu)方面目前主要分為兩大陣營：一個是以 intel、AMD為首的復(fù)雜指令集（CISC）的架構(gòu) X86 架構(gòu)， 在個人 PC 端占絕對主導(dǎo)；另一個是以 ARM 為首的ARM、MIPS、POWERPC、RISC-V 精簡指令集 （RISC），在移動設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備芯片中占絕對主導(dǎo)， 其中在手機、汽車電子及物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域中具備絕對的話語權(quán)，ARM 架構(gòu)芯片占手機市場份額約 90%。

現(xiàn)在主流處理器架構(gòu)是個人PC 處理器x86 和手機處理器ARM，x86 架構(gòu)被Intel 和AMD 壟斷，ARM 架構(gòu)被ARM 公司壟斷。其他處理器設(shè)計公司想自主設(shè)計就要有授權(quán)。

假如ARM 以后不給中國華為授權(quán)IP 核，將會帶來麻煩。一是當ARM 發(fā)布下一代IP 核（例如Cortex-A77、78、79）后，華為只能使用ARMV8 架構(gòu)自主設(shè)計IP 核跟進，研發(fā)速度和資金投入是關(guān)鍵。而高通可以直接通過這個新IP 核定制高通855 之后的下一代芯片。二是當ARM 發(fā)布下一代指令集架構(gòu)（例如ARMV9、V10）時，華為需要在ARMV8 的基礎(chǔ)上自主開放出ARMV9 指令集架構(gòu)，技術(shù)難度比IP 核大很多，同時華為自創(chuàng)的“ARMV9”生態(tài)系統(tǒng)需要和ARM 系統(tǒng)兼容。

三、需要合作伙伴生態(tài)的“陪練”

在芯片設(shè)計領(lǐng)域，“陪練”就是在芯片正式量產(chǎn)之前，有合作伙伴愿意合作，提供支持、試用，有客戶愿意當芯片設(shè)計公司的“小白鼠”。

芯片的穩(wěn)定性等參數(shù)需要在實際使用中檢驗，這一點類似動力電池，但是又比動力電池復(fù)雜，動力電池更換容易，芯片是系統(tǒng)的基礎(chǔ)，更換芯片就要更換系統(tǒng)，推倒重來。

國產(chǎn)芯片之難，不僅是技術(shù)本身，更在于做出來之后，沒有生態(tài)支持。首先，設(shè)計出的芯片沒人敢用，這是現(xiàn)階段國產(chǎn)芯片設(shè)計公司面臨的最大問題，擁有“陪練”的生態(tài)是芯片設(shè)計公司的壁壘。因為很多問題是在應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)的，通過多次迭代才能“通暢”應(yīng)用。最重要的是，現(xiàn)在的新進入者的第一代芯片就要與高級應(yīng)用匹配、出現(xiàn)的問題多、難度大。其次，復(fù)雜的高等級芯片，除了終端應(yīng)用客戶當“小白鼠”之外，還需要中間方案解決商的支持。國產(chǎn)芯片缺乏工程板卡級的支持。

芯片設(shè)計在整個產(chǎn)業(yè)的最前端，攻克技術(shù)壁壘首當其沖，突破壟斷、自主可控勢在必行。國家的政策扶持、資源的合理配置、領(lǐng)軍人物的選拔、高端人才的培養(yǎng)、企業(yè)的通力合作是實現(xiàn)《中國制造2025》目標的一劑良藥。