美國商務(wù)部禁止美國公司7年內(nèi)向中興通訊出售元器件、軟件和技術(shù)，讓中國通信行業(yè)感受到“缺芯”之痛。
壞消息不止這一個(gè)。有消息稱，英國政府建議本國通訊企業(yè)減少向中國企業(yè)購買通訊設(shè)備。
在此背景下，國內(nèi)圍繞芯片半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，出現(xiàn)了很多評論。人們對國內(nèi)芯片行業(yè)目前發(fā)展的程度也有很多不同角度的看法。
本文將以系統(tǒng)介紹芯片種類、芯片設(shè)計(jì)的全生命周期以及芯片制造的成本為切入點(diǎn)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，針對目前中興“芯”痛、通信芯片巨頭高通擬收購恩智浦這兩個(gè)熱點(diǎn)事件，對中國芯片產(chǎn)業(yè)提出一些自己的思考。
芯片是一個(gè)很廣泛的概念，涉及到不同的行業(yè)和應(yīng)用。為了讓讀者對中國芯片產(chǎn)業(yè)有一個(gè)全局的認(rèn)知，這里先向讀者介紹芯片的種類。
芯片分門別類，有大有小。歸納起來，大體可以分為4類：
1、計(jì)算芯片
計(jì)算芯片種類大致分為通用計(jì)算類芯片CPU，信號處理芯片DSP，圖形計(jì)算芯片GPU和其他特殊計(jì)算加速芯片，比如比特大陸的比特幣礦機(jī)ASIC芯片，又或者人工智能加速芯片等。
通用CPU又根據(jù)指令集分為3個(gè)分支：
x86系列，即Intel/AMD系列芯片，多用于個(gè)人電腦和服務(wù)器領(lǐng)域。
ARM系列，多用于嵌入設(shè)備，如手機(jī)、智能終端等低功耗設(shè)備。實(shí)際上，越來越多的嵌入設(shè)備使用ARM架構(gòu)，ARM系列芯片被認(rèn)為是適合物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的一種芯片架構(gòu)。需要指出的是，ARM公司本身不銷售芯片，而是采用2種IP授權(quán)的方式對外輸出，像蘋果、三星和高通的手機(jī)CPU都是兼容ARM指令集的非公版設(shè)計(jì)，其芯片本身結(jié)構(gòu)完全自主研發(fā)。據(jù)報(bào)道，華為麒麟970芯片的CPU核則是采用了ARM的公版IP授權(quán)模式，這樣的IP授權(quán)選擇更有利于timetomarket，不過在設(shè)計(jì)所有度上沒有非公版設(shè)計(jì)全面。
MIPS系列，我國自主研發(fā)的CPU多采用MIPS架構(gòu)。
總體而言，我國在通用CPU和GPU以及最新的AI芯片上已有布局，并非一無所有。
比如，通過對著名英國Fabless設(shè)計(jì)商ImaginationTechnology的收購，中國已經(jīng)獲得PowerVR系列，MIPS系列以及通信Ensigma系列等多種IP內(nèi)核。遺憾在于，MIPS架構(gòu)由于缺乏軟件生態(tài)，其應(yīng)用領(lǐng)域較為狹窄。
在AI芯片上，我國像海思、寒武紀(jì)等許多IC設(shè)計(jì)廠商相繼投入AI芯片設(shè)計(jì)，說明新一輪基于物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算的硬件研發(fā)已經(jīng)在我國啟動(dòng)。
2、存儲芯片
存儲芯片種類繁多，三星是此類芯片設(shè)計(jì)和制造垂直產(chǎn)業(yè)的一個(gè)典型代表。我國企業(yè)在存儲芯片上還有待提高。
3、傳感器感知芯片
在萬物互聯(lián)的大趨勢下，傳感器芯片負(fù)責(zé)把物理世界各態(tài)接入互聯(lián)網(wǎng)電子信息系統(tǒng)，是物聯(lián)網(wǎng)的入口。傳感器芯片可以按照感知類別大致分為四類：運(yùn)動(dòng)感測組合傳感器芯片、環(huán)境感測組合傳感器芯片、光學(xué)感測組合傳感器芯片、其他傳感器（詳見下圖）。
在國外，綜合傳感器巨頭供應(yīng)商有博世Bosch、意法半導(dǎo)體STMicroelectronics、恩智浦NXP和霍尼韋爾Honeywell，當(dāng)然還包括傳統(tǒng)圖像傳感器巨頭索尼Sony等。
從市場數(shù)據(jù)來看，2015年中國傳感器市場約為106億美元，到2019年估計(jì)為137億美元，其中，國內(nèi)傳感器廠商市場占有率僅為13%，其中又多以模組廠商為主。
就當(dāng)前來看，我國芯片企業(yè)在傳感器領(lǐng)域雖有涉及但都比較渺小，唯有MEMS麥克風(fēng)領(lǐng)域的歌爾股份技術(shù)水平較為領(lǐng)先，并以此成為蘋果iPhone的供應(yīng)商。
4、通信芯片
在物聯(lián)網(wǎng)場景下，通信芯片負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)通過無線或有線的方式接入互聯(lián)網(wǎng)。中興就是以提供無線通信為主要業(yè)務(wù)的通信設(shè)備商企業(yè)。通信設(shè)備商企業(yè)又因業(yè)務(wù)分為基站方和終端方，比如高通主營業(yè)務(wù)在終端，基站涉及較少，而中興華為則是同時(shí)涉及基站和終端業(yè)務(wù)。
由于通信芯片涉及RF射頻、IF中頻、ADC/DAC、基帶、電源管理等多個(gè)細(xì)分領(lǐng)域的專業(yè)芯片類型，而針對此次中興被美國制裁事件的相關(guān)報(bào)告已有很多，筆者在此就不一一展開介紹了。
需要指出的是，雖然在特定的具體局部環(huán)節(jié)上，某類芯片的供給因?yàn)榱计仿?、性能、穩(wěn)定性等多方面原因還依賴于外國供應(yīng)商，但從總體而言，我國企業(yè)在通信芯片領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到國際靠前水平，這可以從5G標(biāo)準(zhǔn)得出結(jié)論——當(dāng)企業(yè)已經(jīng)深入?yún)⑴c到頂級行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定，那么它的水平不可能差。
另一個(gè)有趣的現(xiàn)象是根據(jù)Gartner的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在我國企業(yè)2017年芯片采購中，中興公司的芯片采購量不在前十大排名中，由此可見并不十分依賴進(jìn)口，這也可能就是為什么在4月16日中興被制裁的消息傳出后，美國股市當(dāng)日的ADI、TI等股票并沒有受到影響而大幅下跌，以高通為例，4月16日美股收盤，高通股票僅下跌1.72%。
那為什么中興稱此次禁售或使企業(yè)進(jìn)入休克狀態(tài)呢？
這里需要注意的是禁售的具體內(nèi)容：美國商務(wù)部宣布將禁止美國公司向中興通訊銷售任何零部件、商品、軟件和技術(shù)。
筆者認(rèn)為，中興的軟肋，乃至中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的真正軟肋不是芯片元器件本身，而是芯片設(shè)計(jì)制造過程中的EDA軟件授權(quán)。下面結(jié)合芯片的全生命周期流程來作個(gè)詳細(xì)闡述。
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芯片設(shè)計(jì)的全生命周期
芯片從設(shè)計(jì)到制造，涉及的步驟異常復(fù)雜而專業(yè)。其中，芯片的設(shè)計(jì)流程分為正向設(shè)計(jì)和反向設(shè)計(jì)2種流程。反向設(shè)計(jì)流程的初衷是用于檢查別家公司是否抄襲，但后來被小公司使用作為一種節(jié)省研發(fā)經(jīng)費(fèi)、快速復(fù)制別家芯片的一種方案。鑒于此設(shè)計(jì)流程違反知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)原則，本文只對正向設(shè)計(jì)流程予以介紹。
下面以通信芯片的正向設(shè)計(jì)流程為例。因?yàn)橥ㄐ判酒婕盎旌闲盘栐O(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)流程具有廣泛代表性。
通信芯片的設(shè)計(jì)流程主要包括下述四個(gè)主要步驟：
1、系統(tǒng)架構(gòu)和算法設(shè)計(jì)。系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)主要確定芯片的整體框架和結(jié)構(gòu)。這里用到的軟件主要有微軟的Office套件如Word、Excel等，還有微軟Visio等一些畫圖軟件用來描述系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)思想。軟件系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)還會涉及UML等專業(yè)圖形表述語言。需要說明的是，系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)還包括系統(tǒng)級的算法設(shè)計(jì)。這里還分成軟件和硬件設(shè)計(jì)，以上流程圖重點(diǎn)針對硬件設(shè)計(jì)。
2、系統(tǒng)行為仿真。在硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，當(dāng)選定架構(gòu)以后，就需要對其設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)級仿真以確保所設(shè)計(jì)系統(tǒng)在性能上達(dá)到產(chǎn)品規(guī)劃中的KPM指標(biāo)。這里所涉及到的軟件主要是Mathworks的Matlab和Simulink系列，Python語言因?yàn)槠溟_源和免費(fèi)的特點(diǎn)也越來越受到歡迎。像Matlab和Python這樣的腳本語言往往只是用于前期的方案可行性分析，性能仿真則用到C/C++語言以及搭建在Linux上的服務(wù)器集群。
3、規(guī)格制定。在系統(tǒng)仿真完成，其系統(tǒng)性能指標(biāo)達(dá)到預(yù)期之后，芯片系統(tǒng)工程師起草規(guī)格文檔用來具體描述相關(guān)芯片模塊的具體性能參數(shù)指標(biāo)。芯片模塊又細(xì)分為模擬和數(shù)字2個(gè)部分。根據(jù)芯片類別不同，有的芯片只含有數(shù)字電路部分，而有的芯片則更偏向于模擬電路。
4、模擬電路和數(shù)字電路設(shè)計(jì)。在片上系統(tǒng)（SystemOnChip）設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想下，通信芯片同時(shí)含有模擬和數(shù)字電路設(shè)計(jì)部分，英文專業(yè)術(shù)語叫IntegratedCircuitDesign（IC電路設(shè)計(jì)）。從以上流程圖可以看到，規(guī)格制定以后的所有環(huán)節(jié)都屬于IC電路設(shè)計(jì)范疇。此設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)用到的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件統(tǒng)稱為ElectronicsDesignAutomation(EDA)。從這個(gè)環(huán)節(jié)開始，芯片設(shè)計(jì)開始與EDA軟件強(qiáng)耦合，可以不夸張的說，沒有EDA軟件，芯片就無法完成設(shè)計(jì)。
不過，EDA軟件不同于互聯(lián)網(wǎng)軟件棧，所有軟件都是以閉源形式在Linux服務(wù)器上部署，授權(quán)用戶以遠(yuǎn)程登陸的方式在服務(wù)器上完成芯片設(shè)計(jì)流程，這種使用和部署環(huán)境使得盜版EDA軟件都難尋蹤跡。
讓人遺憾的是，芯片設(shè)計(jì)重度依賴EDA軟件，而中國的EDA軟件供應(yīng)商極度匱乏。
可以看出在全球EDA軟件供應(yīng)商列表中，沒有一家中國供應(yīng)商。假設(shè)以上EDA供應(yīng)商終止軟件授權(quán)和技術(shù)支持，國內(nèi)任何一家芯片設(shè)計(jì)商都會停擺。
在IC設(shè)計(jì)實(shí)際使用中，EDA軟件被Cadence、Synopsys和MentorGraphics壟斷，這三家公司一直穩(wěn)居EDA行業(yè)的前三甲，占整個(gè)EDA行業(yè)總收入的70%，需要注意的是，以上三家皆為美國公司（注：Mentor已被西門子收購）。
所以，EDA軟件才是目前中國芯片產(chǎn)業(yè)的技術(shù)壁壘。
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解構(gòu)芯片的成本
需要說明的是，EDA軟件在芯片設(shè)計(jì)中的重要性，還可以從芯片制造的成本中看出，下面我們來看一下芯片的成本構(gòu)成。
芯片除了硬件制造成本，還包括專利授權(quán)費(fèi)用、開發(fā)工具費(fèi)用和人力成本之內(nèi)的軟成本。軟成本是芯片主要成本源頭，其中開發(fā)工具費(fèi)主體就是EDA軟件成本。
然而，EDA軟件收費(fèi)模式不是一次性買斷型，而是以軟件即服務(wù)的形式每年收取費(fèi)用。以下介紹幾種典型收費(fèi)場景：
1、按照功能模塊收費(fèi)。報(bào)價(jià)按年收費(fèi)，每一個(gè)功能模塊報(bào)價(jià)在幾十萬美元，費(fèi)用是疊加的。參考前文所示的芯片設(shè)計(jì)流程圖，一款芯片從數(shù)字/模擬電路模塊設(shè)計(jì)開始，會用到EDA軟件幾十上百項(xiàng)功能，所以芯片設(shè)計(jì)商每年購買軟件授權(quán)費(fèi)花費(fèi)幾百萬甚至千萬美元是一種常態(tài)。
2、按照部署工具的計(jì)算機(jī)資源來收費(fèi)。有些EDA工具按照部署工具的計(jì)算機(jī)資源來收費(fèi)，即使用的用戶越多，服務(wù)器集群越多，其收取的費(fèi)用也越多。很多情況下，芯片設(shè)計(jì)商為了減少開銷，會專門成立針對EDA工具的IT團(tuán)隊(duì)以實(shí)現(xiàn)在已有的EDA軟件協(xié)議下，盡可能多的在企業(yè)內(nèi)部動(dòng)態(tài)分布登陸賬號和計(jì)算資源。
3、技術(shù)支持。EDA歸根結(jié)底是一種計(jì)算機(jī)軟件，是軟件就會有bug等一系列問題需要維護(hù)。對于任何一個(gè)芯片企業(yè)來說，硬件錯(cuò)誤成本巨大，然而EDA軟件卻又承載著芯片流片前的仿真驗(yàn)證等關(guān)鍵性步驟，所以，由于EDA軟件本身的缺陷導(dǎo)致芯片硬件錯(cuò)誤是企業(yè)無法承擔(dān)的。為了防止此類事件發(fā)生，芯片設(shè)計(jì)商通常會愿意支付額外的技術(shù)支持費(fèi)用以確保問題及時(shí)得到有效解決。
如上所述，EDA工具的購買維護(hù)費(fèi)用，對于芯片廠商而言是一項(xiàng)龐大而不可避免的支出，對中國芯片廠商也是一個(gè)回避不了的瓶頸問題。或許，這才是中興真正的“芯痛”之處。
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關(guān)于中興“芯痛”的思考
如果不想讓中興“芯痛”成為整個(gè)中國芯片產(chǎn)業(yè)的長痛，在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代下，大力發(fā)展中國芯片半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)尤為重要。這里有兩個(gè)方面的原因：
1、在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代下，芯片市場體量巨大。據(jù)IDC預(yù)計(jì)，到2020年全球物聯(lián)網(wǎng)市場的規(guī)模將從2014年的6558億美元增至1.7萬億美元(CARG17%)。而我國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)規(guī)模已從2009年的1700億元躍升至2016年的9300億元，預(yù)計(jì)2020年有望突破1.5萬億元。另據(jù)預(yù)測，全球物聯(lián)網(wǎng)終端總數(shù)在2022年將達(dá)到193.1億部，到物聯(lián)網(wǎng)成熟階段，其產(chǎn)業(yè)鏈中硬件感知層將占整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)價(jià)值鏈的30%，其中，芯片供應(yīng)商和硬件模組供應(yīng)商將分別占到10%和20%。
2、芯片產(chǎn)業(yè)涉及國家安全。芯片產(chǎn)業(yè)對國家安全的重要性，可以從最近幾次業(yè)內(nèi)的并購案件窺見一斑：
2017年9月13日，美國總統(tǒng)特朗普以國家安全為由，禁止中資CanyonBridgeCapitalPartnersLLC收購美國FPGA芯片公司LatticeSemiconductorCorp。
2018年3月12日，美國總統(tǒng)特朗普以國家安全為由，否決新加坡半導(dǎo)體巨頭博通對美國高通公司總額高達(dá)1170億美元的收購案。
結(jié)合此次的中興事件，再次說明一個(gè)道理：為了保證國家安全和全球芯片市場競爭力，芯片產(chǎn)業(yè)必須立足走“自主知識產(chǎn)權(quán)”的發(fā)展道路，期望通過并購手段獲得技術(shù)已不可行。
除了大力推廣中國芯片產(chǎn)業(yè)自身的有機(jī)發(fā)展，我們也要密切關(guān)注全球芯片產(chǎn)業(yè)的競爭平衡性，因?yàn)樾酒a(chǎn)業(yè)是一個(gè)“贏者通吃”、“大魚吃小魚”的高技術(shù)壁壘產(chǎn)業(yè)。這一點(diǎn)在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代下尤為明顯。
物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代節(jié)點(diǎn)設(shè)備的高集成度、高編程度和高智能度將成為技術(shù)發(fā)展的大趨勢。具體分為：（1）多重傳感器芯片的融合；（2）傳感器芯片與計(jì)算處理芯片以及AI芯片的融合；（3）傳感器芯片與通信芯片的融合。
因此，筆者認(rèn)為，對于最近美國高通公司擬收購荷蘭恩智浦公司的提案應(yīng)該引起重點(diǎn)關(guān)注。
傳感器芯片領(lǐng)域的恩智浦，無論在消費(fèi)電子、汽車電子，還是在工業(yè)電子和醫(yī)療電子等細(xì)分行業(yè)，均有建樹。同時(shí)，恩智浦在電源管理和RF射頻業(yè)務(wù)方面頗具實(shí)力，尤其是在汽車電子領(lǐng)域處于靠前水平，其60GHz雷達(dá)收發(fā)機(jī)系統(tǒng)是汽車ADAS的關(guān)鍵部件。恩智浦在金融IC芯片和NFC近場通信芯片中也是技術(shù)壟斷地位。
通信芯片領(lǐng)域的高通，其技術(shù)實(shí)力不言而喻，“高通稅”一詞的發(fā)明已經(jīng)足以說明。目前高通已經(jīng)擁有高度集成SoC系統(tǒng)級方案。高通4月11日發(fā)布全新10納米SoC芯片QCS605系列，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)GPU、CPU、DSP、AI、WiFi、Bluetooth、GPS、ISP、AudioCodec以及QuickCharging等技術(shù)的AllInOne。
不難預(yù)測，高通與恩智浦的合并將使其在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代擁有巨大技術(shù)優(yōu)勢，因?yàn)椴①徔梢允垢咄ü緦?shí)現(xiàn)前文所述的物聯(lián)網(wǎng)高度集成SoC。這是否會影響全球半導(dǎo)體芯片產(chǎn)業(yè)的競爭平衡呢？讓我們拭目以待。
