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中国芯片突围战,是科技史上最悲壮的长征

2019-05-21 07:50
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早年,林本坚效力于蓝色巨人IBM,当时就曾提出IBM与产业界一直追求的“X光”光刻机不是正确的方向。后来他辗转来到专注芯片制造的台积电,继续不走寻常路。

本来光刻机都是干式的,以空气为介质,产业界想在光刻机的“光”上做文章;林却想做浸润式的光刻机,在介质上下功夫,采用液体的水。芯片行业实行分工理念,有专门生产光刻机的企业,例如当时领先的尼康和佳能,还有落后的ASML。

2002年,风暴降临,传统介质的193光刻机走到了末路,几位继承者集体发难。光刻机生产商尼康和佳能终于烧出了一点成绩,做出了157nm干式光刻机。林本坚则出席了一场国际研讨会,抛出了自己的浸润式光刻机理论,业界一片哗然;一种13nm的紫外线光刻机EVU,也被人提出。

这两个不被看好理论,最后都和落后的ASML捆绑在一起。成品实现后,代表了其两个时期的最高水平。先做出产品的是林本坚设计出原型概念的193nm浸润式光刻机,EVU从193nm进步到13nm的步子太大,还要研究。

193nm浸润式光刻机成品出现后,原先订购了157nm干式光刻机的IBM等十多个大厂纷纷退单,改旗易帜。

到2007年,IBM直接放弃了芯片制造业务,专注设计。台积电则靠着芯片代工成为了一家利润率超过苹果,本土利润仅次于ICBC的庞然大物。

到如今,最常用的光刻机依然是193nm浸润式光刻机,但最先进的则是已经实现的EVU光刻机。

2018年5月21日上午,ASML向华虹六厂交付的一台193nm双级沉浸式光刻机入驻上海浦东新区,黄色的大吊车和四根缆绳上的大红花,书写着“中华芯片制造梦”。

几乎同时,中芯国际又向荷兰ASML公司下单了EVU光刻机,预计排队到2019年初交付。遗憾的是今年初一场大火,烧到了ASML荷兰供应工厂,我们想要实现7nm芯片的制造,恐怕还得再等等。

光刻机被誉为人类最精密复杂的机器,站在整个半导体行业食物链的制高点,ASML的成功不是它一家企业的成功,而是西方世界无数寡头和财团用经费鼎力支持烧出来的,其中也包括台积电,但不包括华虹和中芯国际。

芯片行业一年进口超2000亿美金,超过原油。冰箱、电视;汽车、机器人;服务器、电脑、手机;智能音箱、智能安防摄像头。我们都必须取得每个领域芯片设计上进步,但同样重要的是芯片制造,如今总算真正被国内重视起来的中芯国际等代工企业,还得星夜兼程。

即使EVU光刻机交付后,光刻机这样的遏住整个芯片行业喉咙的机器,也值得我们重视。没有制造生产设备和利用设备制造芯片的能力,除了烧得起钱的特殊领域,我们所探讨的一切种类的芯片设计的机会,都是无根之水。

当然,芯片除了设计、制造、还有地位略次的封装(刻蚀机)和测试两个环节。封测逐渐专业化,国内芯片企业倾向于选择大陆封测厂商,是如今的趋势。这两个环节大陆做的不错,在全球第一梯队,基本与台湾、美国三足鼎立。

华为与IBM陷阱

并不是所有半导体企业都屈服于资金投入、时间投入,从而选择了芯片分工制造。

目前依然有实力强劲的巨头把持着从设计、制造、封装、测试到销售的整个链条,这种模式叫IDM模式,其中最大的是美国的Intel、其次是韩国的三星和SK海力士。

世界前十的IDM厂商中没有中国企业,因为我们基本采用着分工合作的Fabless+Foundry(设计+代工)模式。

前文大篇幅介绍了代工过程中生产技术和设备的重要性、大陆目前的现状及机会,接下来的重心将转为芯片设计。正如前文所述,现在我们谈及的芯片实力多指芯片设计。

所谓的5G芯片、AI芯片,不管是巨头还是独角兽,基本也都是着眼于芯片设计。

我们说国内芯片行业孱弱实际上是有些片面的。经过几十年的不断前行,我们终究还是积累出了近两千家芯片设计公司,位列世界首位。但论及总营收,却只占全球芯片营收的13%左右。

由此可见,国内的芯片企业大多着眼于中低端产品,利润很低。尤其是近年来芯片产业迎来发展,不到十年间数量翻了三倍,可以想象有多少同质化的产品。就中低端市场而言,国内的芯片设计企业不但不缺,反而泛滥,销售难度甚于科研。

而据IC insights 2017年报告,全球营收前十的芯片Fabless(设计)公司中,中国占了三席:联发科、海思、紫光。其中,华为旗下的海思半导体,可谓风头最盛。当然,这份名单排除了欧美日韩那些既设计又生产的IDM企业。

来看看芯片设计有多难。首先,企业要确定芯片种类和用途,在此基础上选用恰当的设计架构。架构这个词,非常关键,之后会大量提及;其次,要付出高昂的成本,来购买设计工具EDA软件,它可以辅助电路设计提高效率。遗憾的是,美国的三家EDA企业几乎垄断了全球EDA市场,据称华为海思每年为此付费在千万级别。

海思,原本是一家相当低调的企业,创建之时华为还远没有今天财大气粗。1996年,海思日后的掌门人何庭波才刚念完北邮硕士加入华为。这一年,华为芯片事业起步,为了让团队用上国外的EDA软件,任正非不惜欠下高利贷。

华为的事业成长很快,何庭波也很快被委以重任,开始带团队。直到2004年,在国内市场选错了技术方向的华为,凭借在欧洲市场的优势成功突围。任正非缓了一口气,思考良久后,决定收回“谁再胡说(做手机),谁下岗”的决定。

但任正非也有顾虑,当时的手机芯片基本都是西方的,华为要做手机就得把心脏攥在西方的手上,海思由此诞生。即使是台湾联发科,直到2006年也都还在做一站式手机解决方案turnkey,跑偏在了中国“山寨机王”的路上。

任正非想起了有3G芯片研发的何庭波,把她找来做手机芯片。

华为手机发展有了起色,虽然国内的3G牌照一直卡着不发,但华为跑到了欧洲给运营商做定制手机,勉强立住了脚跟。2009年,好事儿都赶到了一块:国内3G牌照发放、华为有了第一款安卓手机、海思发布了首款应用处理器K3V1。

最后一件好事儿,以惨败收场。K3V1的制程为110nm,远远落后于人,能耗和兼容表现都很差,被自家手机放弃,只有山寨机愿意用它。

海思刚发出第一声啼哭,就被市场教育得体无完肤。

又过了三年,海思用尽全力做出了K3V2,成功的安在了华为D1四核手机上。2012年是四核ARM的爆发年,K3V2是中国大陆首个四核心智能CPU,市场期待很高,但K3V2的能耗问题依旧堪忧,被失望的用户调侃为“暖手宝”。

之后,两年时间海思没有再出新芯片。于是后来的D2手机也用了这款芯片,结局亦是惨淡,D3手机更是胎死腹中。

等于说海思的K3V2芯片,成功拖死了华为的D系列手机,海思众人几乎心灰意冷,K3系列再无续章。

“做得慢没关系、做得不好也没关系,只要有时间,海思总有出头的一天”,喜欢被称作工程师的何庭波,带着海思熬到2014年,八核芯片麒麟系列问世。以麒麟910为始,麒麟系列一扫K3系列的颓势,掀起了一段波澜壮阔的逆袭。

一直到今天的麒麟980,海思气势如虹,制程达到了全球最领先的7nm,性能与功耗的平衡也堪称业界绝佳。

华为海思芯片,再也不是华为手机嫌弃的对象,而是它的一张王牌。何庭波和她的海思,不仅是“工程师”,也是“攻城狮”。

手机芯片之难,小米也曾碰过钉子。手机芯片的设计,不同于电脑芯片,要考虑的点甚至更多。因为设计架构归属方的不同,手机芯片的市场竞争激烈程度也远高于电脑芯片。手机芯片,真·不好做。

早年,雷军也曾有过芯片梦,他的愿望是未来能按沙子的价格卖芯片,于是有了“澎湃芯片”系列。

澎湃S1,由小米5C搭载,出道即绝唱。发布会上,雷军哽咽的看向身后的黑色荧幕,“大规模量产的中高端芯片”,几个月后匆忙下架了这款手机。澎湃S1也再没能出现在其他小米手机上。

澎湃S2,雷军不敢再冒进,扎扎实实的烧进去了不少经费。芯片终于设计妥了,拿去让台积电小规模试产了一批流片,发现问题很大需要大改;第二、第三次试产流片,无法亮机;第四次试产后推到重来;第五次试产后,“仍在研发,请给小米一点时间”。

此后近一年,澎湃一直杳无音信,直至最近传来团队分拆重组的消息。无数经费也没能换回“量产”这两个字,芯片设计真不是门容易活。

再说点时髦的,最近AI热潮带火了AI芯片,也带火了几个比较相似的词。AI最重要的是算力,也就是处理数据的能力,早先用于AI运算的芯片一般为CPU(中央处理器)。后来人们发现GPU(图像处理器)适合并行计算,可以用来训练深度学习;再后来谷歌打造出了TPU,是一种专为机器学习量身定做的处理器;现在,又有了NPU(嵌入式神经网络处理器)这种加速AI落地的特殊芯片。

其中CPU和NPU都比较有聊头。CPU是所有人都很熟悉的,电脑和手机的大脑。谁都想要一颗更聪明的大脑,同样也想要性能更好的CPU,因此芯片上的电子元器件越多越好,也因此必须要按合理的设计架构来设计电路。

Intel占据先机,提出了x86架构,从此几乎垄断了整个电脑芯片市场。装在电脑里的Intel芯片虽然体积稍大一点,用电多了点,但性能极佳。同期一家叫ARM的企业,提出了一种体积小巧又省电的芯片架构,在PC电脑时代芯片这完全是鸡肋,反倒是性能不足的缺点显得致命。

直至移动互联网时代逼近,商务机和智能机横空出世,体积小巧又耗能低的ARM架构成为首选,几乎垄断了手机芯片。ARM公司并没有像Intel一样,借助架构成为垄断地位的行业霸主是因为,在上世纪末,ARM还没等到真正的春天时,为了继续活下去,决定不再自己做芯片,而是授权给其他公司,赚取授权费。

终端的电脑和手机芯片,就这样对应着X86和ARM两种架构,分别诞生出Intel和高通两大芯片霸主。因为ARM的存在,高通在手机芯片领域达不到Intel在电脑芯片领域的成就,至少华为海思和台湾联发科,也都在手机芯片领域走出了自己的路。

但华为并不仅仅有终端,事实上,作为全球五大通信设备商之首,华为最值得骄傲的产品是自家的基站。想要用上5G,既要看用户的手机能否接入5G网络,还得看运营商的基站能否提供5G网络。

华为作为全球最大的通信设备供应商,又独揽着5G标准的1600多项核心专利,早在今年1月24日就发布了首款5G基站芯片—天罡,同时宣布截至当时已获得30份5G商用合同,其中18份来自欧洲。

而手机芯片,大体分为三块:射频芯片、基带芯片、应用处理器。其中基带芯片才是我们常说的5G芯片的真正作用点,其是把信号编译成即将发射的基带码,或把接受到的基带码译为信号。

目前来看,5G芯片TOP 2的玩家,大概率就是高通和华为。

现在即使高通的手机SoC芯片(系统级芯片),也都还没有办法将5G基带芯片集成进去。业界普遍采用的办法是,在原本集成了4G基带的SoC芯片上,外挂5G基带(如麒麟985)。据报道,高通本季度将“流片”首款集成5G基带的SoC芯片,华为可能会迟些。

前段时间,苹果和高通闹别扭,就曾放出风声有意购买华为的5G基带,外挂到苹果自身的A系列芯片上(三星以产能不足为名已经拒绝了苹果)。虽然华为积极回应,对销售5G芯片保持开放态度,但有常识的人都知道这事儿大概率没戏。

紧接着,苹果就服软与高通达成了和解,双方继续合作。苹果随后也重组了自己的5G基带研发团队,据外媒称等苹果亮剑可能要到2025年了。值得注意的是,目前华为着重发力的5G芯片,可能面临着和IBM当年卖服务器是一样的困境。

去IOE行动曾是阿里云发展的强助推力之一,棱镜事件爆发,使国内互联网不再信任以IBM小型机为首的IT基础设施,国内企业普遍具有对自研芯片和自研服务器的渴望。

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