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看看半导体IP格局,华为的危机不可避免
发布时间:2020-06-26 00:53 来源:互联网

现在科技行业的热点事件,应该说,件件离不开华为。作为一家通讯设备的设计和组装厂家,关键还是一家中国厂商,华为居然成为了5G标准必要专利的最大拥有者,不仅如此,华为为了不受制于人居然还自己研发芯片这种硬件,而且做到了业界的顶尖水平。我们本以为华为这样的操作已经无敌了,可以傲视世界了,可是华为还是被“禁供”了,虽然它没有像中兴通讯那样被“一打就死”,但目前其遭遇的危机压力还是山大。目前华为能够生存下去的依赖一是库存(这只是个时间问题),二是期望美国政策的宽松放开。不然,就只能停业或者屈服:放弃芯片业务,采购高通的芯片。

那么高瞻远瞩的任正非,那么努力奋斗的华为,那么备胎层出的海思,最终为什么还陷入这么危机的境地呢?其原因就在于中国在半导体行业的基础技术领域是一穷二白,我们的技术是在人家的基础技术或者说基础架构上建立起来的,人家一限制,撤梯子、卡脖子,我们就没招了!

华为研究设计出了芯片,绕不过美国技术的制造能力,华为设计芯片更脱离不了源自美国技术的基础架构,也就是美国的半导体IP体系。即使华为准备推出的所谓鸿蒙系统也是要和芯片(处理器)的基础架构相关联的。中国和美国的半导体行业几乎同时起步,可六十年一甲子下来,我们在IP上至少落后了四十年,喊再多的口号、投再多的钱,几年内也赶不上,真是既可叹又可悲!

那么,中国半导体行业到底受制于美国的那些关键技术呢?先不用讨论芯片制造中的材料与设备,毕竟这些还能够找到替代品,最多两年的时间就可以替代(只是日韩厂商是否愿意的问题)。而我们最为关心的就是上述已经提及的半导体IP,这些都被美国技术和基础架构所垄断,想离开难上加难,芯片制造和芯片设计都离不开它。

1961年底,这是美国半导体行业启动的第三年,现在看来,当时的IBM以大无畏的勇气兴建了五个工厂,从而投入到被称为“System-360”的软件项目研究中。在这个System-360系统中,IBM克服了计算机指令集、集成电路、可兼容操作系统、数据库等众多软硬件的多道难关,统一形成了操作大型机的被现在人们定名的“基础架构”。这个系统的开发,为IBM提供了300多项专利,关键是这些专利技术到现在还是人类计算机技术中的重要基础。

System-360系统的成功,其中之一是这个系统集成了全新的通用指令集架构(Universal Instruction Set Architecture),它是计算机发展史上的第一种商用指令集架构。指令集是什么?它是计算机硬件和软件代码之间沟通的一套“标准语言”,硬件就是处理器,软件就是操作系统。

大家现在已经知道,操作系统上运行的是应用软件,应用软件的开发人员开发基于指令集架构的软件,应用软件运行在操作系统上,操作系统通过相应的指令集运行在相应的处理器上,从而达到最佳的运行效果,这就形成了由硬件计算而支持的“生态系统”。当然这个生态系统的核心和基础就是以指令集搭建起来的“处理器架构”,没有了处理器架构,一切都是空中楼阁。

当前的半导体行业主要运营模式就是这样的IP模式,所以说IBM就是半导体行业IP发展的基础,因此称之为IP鼻祖却不为过。

1975年,来自加州大学伯克利分校的大卫·帕特森(David Patterson)教授发表了“伯克利精简指令集计划(Berkeley RISC Plan)” 白皮书,具体含义就是精简指令集运算(Reduced Instruction Set Computing,RISC),RISC的目的是基于RISC指令集开发微处理器的全功能系统设计,而且它是一个全开放性、开源的项目。

说到了这里,还不得不提及IBM。IBM于1990年发布了System-6000,在这个系统中IBM引入了被称为IBM POWER的基础架构,而且之后的1991年10 月,IBM又联合苹果、摩托罗拉形成AIM联盟,正式推出了全新的处理器架构——PowerPC架构,PowerPC架构所采用的指令集就是RISC指令集,而RISC也是借助于如日中天的IBM登上了人类计算机发展的大道。

IBM,现在是消失于大众视野的巨人,而目前一直存在于大众视野的半导体巨人则是Intel。如果说,IBM所建立的PowerPC架构是服务器等级的,即便在PC端有所发展,但是随着IBM将PC业务卖给了联想集团之后,这个PowerPC架构也逐渐销声匿迹了。因为不专注于技术的联想是不会发展这个架构的,即使有授权也不会再研发,它只要Intel的芯片和Windows就行了,毕竟后两者形成了紧密的“Wintel”联盟,这个联盟雄霸计算机市场。

在叙述IBM的时候,我们没有提及Intel这个业界大佬。毕竟成立于1968年的Intel相对于IBM还是年轻了不少。它在成立十年之后的1978年6月8日,发布了其新款的16位微处理器“8086”,而这开创了一个现今仍然占有极其重要地位的半导体IP新时代:x86架构(指令集)。

在之后的30年发展过程中,x86家族不断壮大,从PC电脑拓展到笔记本、从服务器拓展到超级计算机、甚至编写设备,上文所叙述的PowerPC架构就是被X86架构竞争而退出了历史主流舞台。

x86架构,具体说是Intel通用计算机系列的标准编号缩写,当然本质上是一套通用的计算机指令集合系列,例如:286,386,486,586等,奔腾(pentium)系列的P2,P4,……,等赛扬系列都是支持X86指令集的,都属于X86家族 。不过,X86架构基本上是Intel公司自用的计算机处理器架构,基本上不对外授权,毕竟Intel是一家IDM(集成设计与制造)的商业公司,对外授权就会制造很多的竞争对手。

和IBM、Intel不同,ARM架构的形成还是比较曲折的,毕竟他们没有IBM那么大的投资魄力和能力、也没有像Intel有自己的CPU可以作为基础进行不断的试验。

1979年有一家新公司成立,名称为艾康(Acorn Computers),它是为了开发MOS Technology 6500系列处理器而专门建立的,它就是后来大名鼎鼎的ARM母体。一年后,艾康推出第一个产品Acorn System 1,这款面向工程和实验室用户的半专业计算机系统,尽管售价低廉,但这款产品还是让艾康在极短的时间内实现了盈利,这算是这家创业公司的第一次成功吧。紧接着,1980年,艾康又接到了英国教育部的微电子教育计划:用一年多的时间推出了符合项目要求的微型计算机——BBC Micro。

在这个项目中,艾康经过调查发现他们使用的MOS Technology 6502微处理器就是几个和他们差不多的工程师开发的,这让他们有了很大的信心来开发微处理器。于是,他们就开始了处理器指令集的研发,居然还成功了。应用艾康自己的精简指令集架构形成的微型处理器被命名为ARM1——这就是ARM雏形的载体,被应用于BBC项目。

然而仅仅一个项目撑不起艾康,公司不能持续下去,接下来的艾康陷入了财务困境,于是1990年11月艾康将ARM处理器设计部独立,成立了Advanced RISC Machines Limited公司,专注于处理器架构的研发,这是真正的ARM公司、也是全新的处理器架构公司。不过,这个新成立的公司还是得到了苹果(Apple)150万美元及VLSI Technology25万美元的投资,也算是与名企共舞了。

即便是新成立的ARM公司,其业务也是自己研发处理器架构(指令集)、自己研发处理器,但是拿这种Intel模式与Intel竞争,无异于慷慨赴死,于是其业务平平淡淡,没有什么起色。

“穷则思变”——穷途末路的ARM最终放弃了生产处理器、改变商业模式:转而专注于进行处理器架构的设计,将设计的架构方案授权给其他公司使用,从而形成了IP(Intellectual Property)核心架构授权的模式。现在我们觉得这样的模式非常成功,那是因为你事后看到人家成功了才下的结论。

要说ARM成功,还是一句老话:命运使然。商业模式是经营无奈的结果,而IP授权又遇到了台积电这个代工厂——一个没有IP的代工厂。于是两个公司一拍即合:一个授权ARM架构,一个对外代工,设计公司只要基于ARM架构根据自己的应用设计芯片,台积电就能够生产出来。

于是乎,夏普来了、德州仪器来了、苹果来了、摩托罗拉来了、高通也来了,一个“IP授权+半导体设计公司+代工厂”的联盟和“Wintel”联盟开始分庭抗礼。发展到今天,能有那么多的独立设计公司,就是这个垂直分工模式“IP授权+半导体设计公司+代工厂”的成型的结果,而ARM和台积电同时也成了半导体行业的巨擘之一。ARM的架构(IP)已经成为与X86架构分庭抗礼的基础架构,而且随着苹果要将自己的电脑处理器芯片变更为ARM架构,ARM的上升趋势将变得更加强劲。

前文讲到,中国和美国几乎是同步进入到半导体集成电路的产业发展中,但是我们现在的水平似乎落后了人家至少四十年的时间,目前我们还在“学习、跟随、模仿”的道路上悠闲。于是乎,当人家一收紧技术输出,我们就“断粮、断炊”,技术的短板太短了!

盘点一下中国的半导体IP或者说芯片的基础架构,原创几乎没有,而且不成规模。例如兆芯是通过合资的形式获得了VIA x86架构的全部授权,但是这种授权即使是永久性的,也不是原创的,还是受制于原创的升级与更新的影响。

龙芯,2009年获得了MIPS架构的完整授权,而且是永久性的。在这个基础上,龙芯于2015年8月公布了基于MIPS指令集的龙芯架构(Loong ISA),它是MIPS指令集的拓展。在中国PC市场,龙芯也许是唯一做到自主可控的。然而,龙芯仍然建立在别人的基础上,非独立原创,何况商业化前景看不到。

中国唯一一个具有处理器IP Core的公司是中天微,其自主开发的C-SKYCPU架构是国内唯一实现大规模量产的自主嵌入式处理器,不过至今全球累计出货也不过7亿颗。

在中国半导体市场或者说行业,本土IP的稀少一方面说明了我们自己创新能力的差异、另一方面也说明我们对于IP的忽视和短视,而乐于“拿来主义”。

人们看到了华为被禁供的现象,因而义愤填膺;人们看到了华为5G技术标准的领先,因而兴奋不已。然而,中国半导体行业的底层技术(IP)的缺失将是一个永远的痛。华为在这个方面没用任何的储备,至于推出的麒麟芯片、鲲鹏芯片等系列,都是基于ARM架构的,ARM对于华为的断|供将会极大低影响华为芯片的设计能力。

而且,现在华为已经不能在台积电流片,在这个“IP授权(ARM)+半导体设计公司+代工厂(台积电)”三者联盟中,华为已经全部失去了两者,只剩下了自己,所以危机也就不可避免了。

中美之间的科技矛盾必将成为中国科技底层技术崛起的触发器,在未来的全球化市场上,中国的全球产业链将发生巨大的变化,而变化的核心基点还是科技的底层技术:材料及其集成、电路设计、系统架构。这三个方面是美国半导体工业协会呼吁美国大力研究的未来方向,我们也必须在这个方面不停追赶。

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