“時(shí)來(lái)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(wàn)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(gòu)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(gòu) 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(gòu) 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(píng)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(mén)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?？赡芤舱怯捎谶@方面的欠缺，英特爾在技術(shù)層面衍生出許多問(wèn)題，遲遲陷在 14nm 制程上無(wú)法突破，也帶來(lái)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(shuō)英偉達(dá)在顯卡市場(chǎng)上也開(kāi)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(lái)一些思考。

1. 蘋(píng)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(lái)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(shuí)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(píng)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(guò) 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(guò)，這樣做的缺點(diǎn)是擴(kuò)展性差，使用 M1 的主機(jī)無(wú)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(lái)的性能提升令人驚嘆。據(jù)最新的評(píng)測(cè)來(lái)看，M1 的單核得分超過(guò)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(lái)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(kāi)源的聯(lián)盟收入囊中，這樣帶來(lái)的可能性正是開(kāi)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(wèn)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(lái) CPU 領(lǐng)域的跟隨者 AMD 已經(jīng)大有后來(lái)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(gòu)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(wú)法突破，而蘋(píng)果這樣的消費(fèi)者硬件廠商，對(duì)于先進(jìn)制程芯片帶來(lái)的節(jié)能效應(yīng)還是非常看重的，因此蘋(píng)果發(fā)布自研 M1 終止與英特爾合作，這使得英特爾無(wú)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(lái)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(guò)，近來(lái)以來(lái)，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(gòu) ARM、AMD 收購(gòu)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(guò)多年的努力，如今 VMware 在云計(jì)算方面幾乎沒(méi)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(lái)，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(lái)嶄新未來(lái)。

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(lái)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(guò)來(lái)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(wú)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(shū)”。

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(shuō)，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(lái)，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(wú)僅有的，甚至遠(yuǎn)超被稱為 IT 界奢侈品牌的蘋(píng)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?？欤以诹计仿噬弦埠茏屓藵M意，而且臺(tái)積電多年來(lái)從來(lái)沒(méi)有涉及過(guò)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(lái)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(wèn)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(guò)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(kāi)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(guò)程。

有數(shù)據(jù)顯示，2018 年全球 EDA 市場(chǎng)規(guī)模還沒(méi)突破 100 億美元，EDA 相對(duì)于幾千億美元的芯片產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)從產(chǎn)值上看根本不值一提，不過(guò)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(mén)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(guò)大部分國(guó)產(chǎn) EDA 廠商還無(wú)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(wú)米之炊，沒(méi)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(gòu)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(wèn)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(méi)有過(guò)惡性競(jìng)爭(zhēng)，不過(guò)政府并沒(méi)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(lái)，就發(fā)起幾十余項(xiàng)并購(gòu)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(gòu)，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(gòu)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(gòu)幾乎由美國(guó)政府主導(dǎo)，也正是通過(guò)這樣的并購(gòu)，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(lái)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(guò)了 20 億美元。

加大人才培養(yǎng)力度。綜合來(lái)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(shuō)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(yǔ)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(mén)針對(duì)性能優(yōu)化，小核專門(mén)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(lái)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(kāi)源精簡(jiǎn)指令集架構(gòu)，架構(gòu)設(shè)計(jì)上沒(méi)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(kāi)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(guò) 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(guò)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(guò)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(kāi)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(wú)線電元件三廠編寫(xiě)的《光刻掩模的制造》的書(shū)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(lái) 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(guò)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(méi)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。
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